哈爾濱和昆明地鐵站環(huán)境參數(shù)實(shí)測與節(jié)能優(yōu)化

胡月營，王海燕，范夙博，錢劍峰，李彩瓊

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

哈爾濱和昆明地鐵站環(huán)境參數(shù)實(shí)測與節(jié)能優(yōu)化

胡月營1，王海燕2，范夙博2，錢劍峰1，李彩瓊1

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

通過實(shí)驗(yàn)分析的方法對哈爾濱及昆明地鐵站環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，并對兩地環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對比分析.實(shí)驗(yàn)測得兩地環(huán)境參數(shù)分別有溫度、濕度、空氣流速.并利用所得數(shù)據(jù)計算分析哈爾濱地鐵站內(nèi)人體舒適性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 兩地車站出入口的空氣流速分布不均勻，跨度較大，而且流速偏大，會使人有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，同一站點(diǎn)溫濕度在一定時間內(nèi)分布比較均勻，數(shù)值波動較小，由于昆明和哈爾濱兩地氣候的差別，使昆明地鐵站內(nèi)溫度比哈爾濱地鐵站內(nèi)溫度平均高出1～5 ℃，哈爾濱地鐵站相對濕度平均集中在40%左右，而昆明地鐵站相對濕度平均在60%～70%.

地鐵內(nèi)環(huán)境溫度、舒適性；空氣流速；濕度

隨著城市地鐵迅速發(fā)展和人民生活水平提高，地鐵環(huán)境控制問題逐漸引起人們的關(guān)注.目前國內(nèi)運(yùn)行的地鐵線路的通風(fēng)空調(diào)基本采用的是恒定風(fēng)量運(yùn)行，這對能耗要求較大[1-4].變風(fēng)量控制首先在美國應(yīng)用，目前成為國際上的主流，變風(fēng)量控制就是通過改變送入車站內(nèi)的風(fēng)量來滿足室內(nèi)變化的負(fù)荷，節(jié)能效果十分明顯[5-7].本文通過對昆明和哈爾濱新運(yùn)行的地鐵站內(nèi)的空氣環(huán)境進(jìn)行參數(shù)的實(shí)測，通過不同地區(qū)不同季節(jié)地鐵空氣環(huán)境的對比，對地鐵的能源利用和節(jié)約進(jìn)行研究并提出節(jié)能優(yōu)化方案.

1 地鐵站內(nèi)環(huán)境參數(shù)實(shí)測對比

哈爾濱屬于東北地區(qū)，四季分明.昆明屬于西南地區(qū)，全年干、濕季分明.本文首先對哈爾濱和昆明夏季地鐵站內(nèi)不同區(qū)域的溫度進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表1.分析可得出：夏季哈爾濱地鐵站內(nèi)溫度較低，溫度過低也會增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗.表2數(shù)據(jù)為昆明夏季地鐵站不同區(qū)域溫度.分析表2可以看出昆明地鐵站各個區(qū)域內(nèi)的溫度相差不大.對于哈爾濱地鐵站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)，可以增加對新風(fēng)的控制，采用變新風(fēng)控制，如早晚高峰期或者客流量較少的時間段，可以根據(jù)人流量的多少來調(diào)整新風(fēng)的供給.對于昆明地鐵地下車站內(nèi)部空間廣、發(fā)熱量大，為維持其熱環(huán)境，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組的裝機(jī)容量較大.因此，為降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，建議增加各設(shè)備房送風(fēng)支路風(fēng)管或風(fēng)閥的手動調(diào)節(jié)裝置，以便風(fēng)量平衡的調(diào)節(jié)[8-10].

表1 哈爾濱夏季地鐵站不同區(qū)域溫度

熱舒適在ASHRAE Standard 54-1992中定義[11]為：人體對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài).人體熱舒適性受環(huán)境的溫度、濕度、空氣流速等諸多因素的影響.環(huán)境溫度是表征熱環(huán)境的主要指標(biāo)，它的高低影響人的冷熱感.空氣濕度直接影響人體皮膚表面的蒸發(fā)散熱.空氣流速影響人體對流換熱和蒸發(fā)換熱，同時也促進(jìn)室內(nèi)的空氣更新.

表2 昆明夏季地鐵站不同區(qū)域溫度

首先，對兩地的空氣流速進(jìn)行對比，圖1可以看出出入口的空氣流速分布非常不均勻，跨度較大，而且流速偏大，會使人有較大的吹風(fēng)感.(注：1號測點(diǎn)代表哈爾濱出入口A，昆明白云路站點(diǎn)；2號測點(diǎn)代表哈爾濱出入口B，昆明穿心鼓樓站點(diǎn)；3號測點(diǎn)代表哈爾濱出入口C，昆明東風(fēng)廣場站點(diǎn)；4號測點(diǎn)代表哈爾濱一層公共休息區(qū)，昆明環(huán)城南路站點(diǎn)；5號測點(diǎn)代表哈爾濱二層公共休息區(qū)，昆明交三橋站點(diǎn)；6號測點(diǎn)代表哈爾濱車廂內(nèi)，昆明塘子巷站點(diǎn).圖1～6測點(diǎn)所代表意義相同.)圖2、3展現(xiàn)的兩地站內(nèi)休息區(qū)的空氣流速均有較大的波動，車廂內(nèi)部空氣流速分布較均勻，且昆明地鐵站空氣流速普遍比哈爾濱大.

圖1 兩地地鐵站空氣流速

圖2 兩地地鐵車廂內(nèi)空氣流速

圖3 兩地地鐵休息區(qū)空氣流速

其次，對兩地的站內(nèi)濕度進(jìn)行測量，圖4～6為兩地站內(nèi)各個區(qū)域的濕度對比，同一地方不同站點(diǎn)之間濕度差別不大，但昆明濕度總體比哈爾濱高20%左右.

圖4 兩地地鐵休息區(qū)空氣濕度

圖5 地地鐵車廂內(nèi)空氣濕度

圖6 兩地地鐵出入口空氣濕度

總體上來看，同一站點(diǎn)溫濕度在一定時間內(nèi)分布都比較均勻，數(shù)值波動較小，且昆明和哈爾濱兩地的波動在一定程度上規(guī)律相似.不同之處:由于昆明和哈爾濱兩地氣候的差別，使昆明站內(nèi)溫度比哈爾濱平均高出1～5 ℃.兩地的相對濕度差別明顯，哈爾濱地鐵站相對濕度平均集中在40%左右.相對于昆明平均60%～70%的相對濕度，哈爾濱地鐵站內(nèi)相對濕度要小.總體來說，昆明地鐵站各個區(qū)域的空氣流速雖然與哈爾濱地鐵波動趨勢相近，但風(fēng)速實(shí)際數(shù)值還是比哈爾濱略大.

2 人體熱舒適性評價

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730中采用PMV-PPD指標(biāo)來描述評價熱環(huán)境.以哈爾濱冬季地鐵站公共休息區(qū)為例計算.PMV-PPD方法的基本根據(jù)是人體熱平衡方程：

M-W-C-R-E=S

(1)

其中：M為人體新陳代謝產(chǎn)熱量，W/m2，成年男子靜坐時為58.2W/m2，站立休息時為70W/m2，偶爾走動時為123W/m2；W為人體做功量,在大多數(shù)活動水平下為0W/m2；C為人體散熱量，W/m2；R為輻射散熱量，W/m2；S為蒸發(fā)散熱量，W/m2；S為熱量蓄積W/m2.

達(dá)到舒適狀態(tài)時，熱量蓄積應(yīng)為0，式(1)變?yōu)椋?/p>

M-W-C-R-E=0

(2)

對流散熱量可用下式計算：

C=fclhc(tcl-ta)

(3)

其中：hc為對流換熱系數(shù)，W/m2·k，可由經(jīng)驗(yàn)公式hc=8.3v0.5算得.fcl為服裝面積系數(shù)，由于fcl與服裝熱阻有一定的關(guān)系，可粗略表示為：

fcl=1.0+0.3Icl

(4)

其中：Icl為服裝熱阻，冬季著厚棉服，服裝熱阻取4.5clo，1clo=0.155m2·k/W.tcl為著衣人體外表面溫度，取30 ℃，ta為室內(nèi)空氣溫度，取24 ℃.代入以上數(shù)據(jù)，計算得對流散熱量C=33.

輻射散熱量R可用下式計算：

(5)

人體總蒸發(fā)量E用下式計算：

E=Cres+Eres+Edif+Esw

(6)

其中：Cres為呼吸時的顯熱損失，W/m2.

Cres=0.0014M(34-ta)

(7)

Eres為呼吸時的潛熱損失，W/m2，

Eres=0.0173M(5.867-Pa)

(8)

Pa為人體周圍空氣中水蒸氣分壓力,kPa，

Edif為皮膚擴(kuò)散蒸發(fā)損失，W/m2，

Edif=3.05(0.254tsk-3.335-Pa)

(9)

Esw為出汗造成的潛熱損失，W/m2，接近舒適條件時，

Esw=0.42(M-W-58.2)

(10)

代入數(shù)據(jù)，對以上各式計算，得出計算結(jié)果：Cres=1.722W/m2Eres=10.36W/m2，Edif=11.82W/m2,Esw=32.32 W/m2.

在確定以上有關(guān)參數(shù)后，可以計算PMV-PPD指標(biāo)：

PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]×{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]

(11)

根據(jù)以上計算結(jié)果，代入數(shù)據(jù)計算PMV=0.122

PPD=100-95exp[-(0.03353PMV4+0.2179PMV2)]

(12)

將PMV=0.122代入得PPD=5.31.

由于冷熱是主觀感覺，PMV值只能代表同一條件下絕大部分人的感覺，因此用PPD指標(biāo)來表示不滿意百分率，并用概率統(tǒng)計方法給出二者間的關(guān)系.ISO7730給出的指標(biāo)推薦值為：-0.5≤MPV≤+0.5，相當(dāng)PPD≤10%.由計算結(jié)果可知，哈爾濱地鐵公共區(qū)熱舒適性符合指標(biāo).見表3

表3 PMV指標(biāo)

由于哈爾濱地鐵站公共區(qū)不設(shè)空調(diào)系統(tǒng)，而哈爾濱冬季寒冷，因此，人們感覺稍涼.可以在車站的出入口處增加熱風(fēng)幕，地下站公共區(qū)通風(fēng)設(shè)備布置在車站兩端，各自負(fù)擔(dān)一半的車站通風(fēng)負(fù)荷，其中一臺變頻運(yùn)行，以便于低負(fù)荷時節(jié)能運(yùn)行.列車進(jìn)站時會產(chǎn)生活塞通風(fēng)，夏季可通過風(fēng)井、風(fēng)亭利用列車通過時產(chǎn)生的活塞通風(fēng)實(shí)現(xiàn)與外界空氣的交換.

3 節(jié)能優(yōu)化

結(jié)合兩地環(huán)境條件，兩地人們對環(huán)境舒適度的感覺不同，因此不同地域地鐵內(nèi)環(huán)境節(jié)能方式不同.

以昆明為代表的西南溫暖地區(qū)：1)夏季加大昆明地鐵站點(diǎn)與外界直接相通的空間面積，使外界空氣能夠進(jìn)入到地鐵站內(nèi)，增加站內(nèi)的新風(fēng)量.2)由于昆明地鐵線路很多站點(diǎn)都是與外界直接相通，且夏季光照充足，可以考慮在地鐵系統(tǒng)上運(yùn)用小型太陽能裝置，以改善局部的熱環(huán)境.

以哈爾濱為代表的東北嚴(yán)寒地區(qū)：1)可通過傳感器對送排風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，嚴(yán)格控制風(fēng)量的進(jìn)出，降低能源消耗.2)車站照明系統(tǒng)可采用類似于昆明的照度傳感器和時鐘控制系統(tǒng)，根據(jù)人流量來控制照明系統(tǒng).3)哈爾濱冬季漫長，而排氣的溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，因此，可以采用熱泵系統(tǒng)著重利用廢熱.

4 結(jié) 語

本文通過對哈爾濱以及昆明地鐵站環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量以及對比分析，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算人體熱舒適性，提出對不同地區(qū)地鐵站的節(jié)能優(yōu)化方案.對于哈爾濱等嚴(yán)寒地區(qū)，在滿足人體熱舒適性前提下，冬季要適當(dāng)提高站內(nèi)溫度，將站內(nèi)產(chǎn)生的廢熱有效的利用，如采用節(jié)能減排效果良好的熱泵空調(diào)系統(tǒng)以降低系統(tǒng)能耗.

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Energy conservation optimization research and environment parameter measurement of Harbin and Kunming metro station

HU Yue-ying1, WANG Hai-yan2, FAN Su-bo2, QIAN Jian-feng1, LI Cai-qiong1

(1. School of Energy and Civil Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China; 2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

This paper described environmental parameters of Harbin and Kunming subway station, and the difference of environmental parameters between Harbin subway station and Kunming subway station. Experimental parameters of temperature, humidity and air velocity were measured in both environment. And the human body comfort performance of Harbin metro station was analyzed. The results showed that there were uneven distribution of air velocity, large span, and the larger velocity in Harbin and Kunming subway station, and that made people have a strong sense of blowing. The even distribution, numerical less volatile of temperature and humidity in a certain time in same site were measured. Because of the difference of environmental parameters, the average temperature of Kunming metro station was 1～5 ℃ higher than the average temperature of Harbin metro station. The average relative humidity of Harbin metro station concentrated at 40% , while the average relative humidity of Kunming station was 60%～70%.

metro station environment temperature; comfort performance; air velocity; humidity

2016-07-06.

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(201410240026)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541196)

胡月營(1993-)，女，碩士，研究方向：制冷空調(diào)節(jié)能技術(shù).

錢劍峰(1979-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：制冷空調(diào)節(jié)能技術(shù).

U231

A

1672-0946(2017)02-0208-04