地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化與實(shí)測(cè)研究

宋立 車輪飛 劉斌臣 劉俊 徐新華 王飛飛

1 武漢地鐵集團(tuán)運(yùn)營(yíng)有限公司

2 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

3 華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，城市交通壓力越來(lái)越大，地鐵已成為公共交通的重要方式。同時(shí)，地鐵的能耗也十分巨大的。通風(fēng)系統(tǒng)的能耗約占軌道交通系統(tǒng)總能耗的30%～40%[1-3]。此外，地鐵的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍以遠(yuǎn)期規(guī)劃為選型依據(jù)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)能耗有較大的節(jié)能空間近十年，國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者對(duì)地鐵隧道區(qū)間的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。楊波力[4]等對(duì)地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行了測(cè)量，可知外界大氣溫度直接影響區(qū)間隧道溫度，且運(yùn)行時(shí)間的增加導(dǎo)致區(qū)間隧道熱堆積加劇，使得區(qū)間隧道環(huán)境溫度逐年升高。王峰、雷波等[5]人根據(jù)客流分布、列車運(yùn)行模式等特點(diǎn)，對(duì)地鐵隧道內(nèi)不同節(jié)能措施進(jìn)行模擬計(jì)算，得出地鐵運(yùn)營(yíng)初期或近期關(guān)閉軌道排熱風(fēng)井，隧道內(nèi)最高平均溫度可滿足規(guī)范要求。張鵬[6]采用模擬軟件對(duì)不同運(yùn)營(yíng)時(shí)期、多種風(fēng)量工況下地鐵的熱環(huán)境進(jìn)行逐時(shí)模擬分析，結(jié)合換氣量與降溫效果需求提出了車站隧道的排風(fēng)量應(yīng)取40 m3/s 左右。賀杜[7]研究了通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)控制、風(fēng)機(jī)調(diào)速的變頻控制及變頻調(diào)速在隧道通風(fēng)中的應(yīng)用。羅輝、王靜偉[8]等人提出的根據(jù)列車運(yùn)行對(duì)數(shù)結(jié)合隧道內(nèi)溫度作為判斷條件調(diào)整隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的節(jié)能運(yùn)行模式，配置變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)行車對(duì)數(shù)及隧道內(nèi)溫度來(lái)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率可以進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間等策略對(duì)隧道內(nèi)環(huán)境質(zhì)量參數(shù)和能耗的影響相關(guān)的研究較少，值得開(kāi)展進(jìn)一步研究。基于此，本文通過(guò)實(shí)測(cè)的方法研究了車站隧道內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)，如溫度、濕度、CO2濃度、顆粒物濃度等隨時(shí)間和隧道風(fēng)機(jī)的運(yùn)行策略的變化。本文進(jìn)一步提出了兩種優(yōu)化的節(jié)能運(yùn)行模式。

1 某車站區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介及環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 某車站的隧道通風(fēng)系統(tǒng)及既有運(yùn)行策略

本文以武漢軌道交通二號(hào)線某車站為研究對(duì)象。根據(jù)調(diào)研與測(cè)試，該站設(shè)置了4 臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)，每臺(tái)功率為58.4 kW，風(fēng)量為65.8 m3/s。此外，隧道風(fēng)機(jī)未配備變頻控制裝置。當(dāng)前的隧道風(fēng)機(jī)按照時(shí)間表自動(dòng)運(yùn)行，其運(yùn)行策略為，每天早晚各通風(fēng)一次，時(shí)間分別為半小時(shí)，即0:00-0:30 和4:00-4:30，其余時(shí)間風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

1.2 車站區(qū)間隧道內(nèi)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

1.2.1 測(cè)試方法及儀器

為獲取該車站隧道及相鄰區(qū)間隧道內(nèi)的空氣環(huán)境參數(shù)，在車站及下行區(qū)間隧道內(nèi)布置了5 個(gè)溫濕度傳感器（±0.5 ℃；±5%RH）、1 臺(tái)CO2測(cè)量?jī)x（精度：溫度±0.6 ℃；CO2±50 ppm）、1 臺(tái)顆粒物測(cè)試儀（±5%）。測(cè)量時(shí)間為夏季（6 月），各測(cè)試儀器測(cè)量時(shí)間間隔為30 秒，連續(xù)測(cè)量48 小時(shí)，測(cè)點(diǎn)分布如圖1 所示。

圖1 某車站相鄰區(qū)間隧道測(cè)點(diǎn)布置

1.2.2 區(qū)間隧道內(nèi)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀

采用前述測(cè)試方法獲得了隧道內(nèi)連續(xù)兩天的環(huán)境空氣參數(shù)，包括溫濕度、PM2.5 濃度、顆粒物濃度等，具體結(jié)果如后文所示。圖2 表示該站的下行區(qū)間及車站隧道內(nèi)的溫濕度、濃度、顆粒物隨時(shí)間的變化。規(guī)范[9]規(guī)定，在夏季列車車廂設(shè)置空調(diào)、車站設(shè)置全封閉站臺(tái)門時(shí)，區(qū)間隧道內(nèi)溫度不得高于40 ℃、相對(duì)濕度不超過(guò)70%、CO2日平均濃度應(yīng)小于1500 ppm、地下車站公共區(qū)域空氣中可吸入顆粒物（PM2.5、PM10）的日平均濃度應(yīng)小于250 μg/m3。綜上所述，區(qū)間隧道內(nèi)溫濕度、CO2濃度、PM 均在規(guī)范要求之內(nèi)，有一定的節(jié)能空間。因此，可對(duì)隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略采取一定的手段進(jìn)行控制，達(dá)到節(jié)能目的。

圖2 某車站的車站、區(qū)間隧道內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)隨時(shí)間的變化

2 隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略節(jié)能潛力分析及驗(yàn)證

2.1 隧道風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行策略

根據(jù)區(qū)間隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究分析，可知在既有隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略下，熱濕環(huán)境、CO2濃度、顆粒物濃度都在規(guī)范[7]要求的范圍內(nèi)，并且距離限值較遠(yuǎn)。因此，可對(duì)隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的既有運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化以節(jié)能?；诖耍竟?jié)提出如下三種隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行策略：①晚間1:00-1:30 及早間4:00-4:15 開(kāi)啟；②晚間1:00-1:30 不開(kāi)，早間4:00-4:30開(kāi)啟；③晚間1:00-1:30 開(kāi)啟，早間4:00-4:30 不開(kāi)。按照上述測(cè)試方法對(duì)所提策略進(jìn)行了連續(xù)4 天的驗(yàn)證測(cè)試。其中，第1 天按照策略①進(jìn)行；第2 天按照既有運(yùn)行策略進(jìn)行，作為對(duì)比；第3 天按照策略②進(jìn)行；第4天按照策略③進(jìn)行。

2.2 驗(yàn)證性測(cè)試結(jié)果及分析

圖3 表示在不同的運(yùn)行策略下，該站的下行區(qū)間及車站隧道內(nèi)的溫濕度、CO2濃度、顆粒物隨時(shí)間的變化。圖3（a）、（b）所示，車站隧道溫度維持在25.5-25.9 ℃、下行區(qū)間隧道內(nèi)空氣的溫度較為穩(wěn)定，且維持在24.9～25.4 ℃，基本不受隧道長(zhǎng)度的影響。經(jīng)對(duì)比知，車站隧道內(nèi)空氣的溫度高于區(qū)間隧道內(nèi)空氣的溫度。區(qū)間隧道內(nèi)空氣的相對(duì)濕度總體維持在92%～100%之間；車站隧道內(nèi)空氣的相對(duì)濕度總體維持在87%～100%之間。從圖3（c）可以看到，在所提出的三種運(yùn)行策略下，CO2濃度變化趨勢(shì)與既有策略下的變化一致。具體而言，列車運(yùn)行時(shí)，CO2濃度較高，且在早晚高峰期達(dá)到峰值，列車停運(yùn)后，CO2濃度逐漸降低。在列車運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，CO2濃度介于500～680 ppm。在各種運(yùn)行的策略下，CO2濃度值均遠(yuǎn)低于規(guī)范[9]規(guī)定的CO2濃度上限（1500 ppm）。由此可見(jiàn)，隧道內(nèi)CO2濃度雖存在一定的波動(dòng)，隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行策略變化對(duì)隧道內(nèi)CO2濃度變化的影響有限。從圖3（d）可知，列車運(yùn)營(yíng)期間的PM2.5 顆粒物的濃度水平很低，基本保持在15 μg/m3以下。PM10 顆粒物濃度在50～80 μg/m3之間波動(dòng)，與既有運(yùn)行策略下的顆粒物濃度水平基本一致。此外，在策略①、②情形下，在夜間地鐵停運(yùn)后，顆粒物濃度峰值較高，最高達(dá)到了150 μg/m3，而在其他策略驗(yàn)證情形（既有策略、策略③）下，這種情況并沒(méi)有出現(xiàn)。這可能與測(cè)試當(dāng)日中區(qū)間隧道內(nèi)的維修保養(yǎng)狀況有關(guān)，隧道內(nèi)存在檢修施工。

圖3 不同運(yùn)行策略下車站及隧道區(qū)間內(nèi)的空氣質(zhì)量參數(shù)

總體而言，不同的運(yùn)行策略對(duì)隧道內(nèi)溫濕度、CO2、顆粒物的影響不明顯，且都符合規(guī)范[9]要求。因此，理論上前述所提策略可行，同時(shí)由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少了，顯然可使風(fēng)機(jī)能耗降低。

2.3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行策略下節(jié)能潛力分析

在既有隧道通風(fēng)模式下，隧道風(fēng)機(jī)每天工作2次，運(yùn)行頻率固定為50 Hz。根據(jù)前述在既有和改善性策略的測(cè)試結(jié)果，不同策略下的隧道內(nèi)空氣質(zhì)量狀況良好，能滿足規(guī)范要求。因此，隧道風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可進(jìn)行優(yōu)化以節(jié)能。本節(jié)主要分析可行的運(yùn)行策略的節(jié)能潛力。由于夜間地鐵停運(yùn)后，隧道內(nèi)有維修人員，需維持的良好工作環(huán)境，這要求隧道風(fēng)機(jī)夜間應(yīng)運(yùn)行。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可按照前述所提的運(yùn)行策略①、③控制隧道通風(fēng)系統(tǒng)。

表1 某站隧道風(fēng)機(jī)年能耗分析表

3 總結(jié)

本文通過(guò)調(diào)研、實(shí)測(cè)等方法對(duì)武漢地鐵2 號(hào)線某站隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化特性進(jìn)行了研究。同時(shí)，本文比較了通風(fēng)系統(tǒng)的既有運(yùn)行策略及改善性的運(yùn)行策略對(duì)隧道內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)的影響，具體結(jié)論如下：

1）在隧道通風(fēng)系統(tǒng)既有運(yùn)行模式下，隧道內(nèi)空氣溫度在25～28 ℃、相對(duì)濕度在55%～70%、CO2濃度在400～550 ppm。PM2.5 濃度在10 μm/m3以下、PM10 濃度在10～240 μg/m3，均在地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)。

2）在三種改善性運(yùn)行策略（①晚間通風(fēng)半小時(shí)、早間通風(fēng)15 分鐘，②晚間不通風(fēng)、早間通風(fēng)半小時(shí)，③晚上通風(fēng)半小時(shí)、早間不通風(fēng)）下，區(qū)間隧道內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度的范圍為25～26 ℃、87%～100%和450～650 ppm；PM2.5 濃度在15 μg/m3以下，PM10 濃度在50～80 μg/m3之間，且都符合規(guī)范[7]要求。由此可見(jiàn)，減少隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間或次數(shù)對(duì)隧道內(nèi)溫濕度、CO2、顆粒物影響不大。從環(huán)境質(zhì)量角度出發(fā)，前述所提策略可行，同時(shí)可減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、降低其能耗。

3）結(jié)合夜間檢修的環(huán)境需求，本文推薦策略①、③作為的隧道風(fēng)機(jī)的運(yùn)行策略。相比于既有風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略，當(dāng)采用這兩種節(jié)能策略時(shí)，所研究的地鐵站隧道風(fēng)機(jī)的年能耗理論上可分別下降25%、50%。同時(shí)，這兩種節(jié)能策略亦適用于類似車站。