地鐵車站空調(diào)動態(tài)負荷特性分析實踐

鄭永平

（成都軌道交通集團有限公司，成都，610041）

空調(diào)系統(tǒng)負荷計算是開展后續(xù)設(shè)計工作的前提。地鐵車站與民用建筑的空調(diào)系統(tǒng)負荷計算方法差別較大，地鐵車站的負荷計算存在開敞式出入口、列車行車對數(shù)影響、客流變化影響、隧道熱傳遞、屏蔽門漏風(fēng)干擾等特有因素，并不能完全套用民用建筑的負荷計算方法。地鐵行業(yè)的只要求計算遠期負荷，目前地鐵行業(yè)內(nèi)根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50117-2013），一般只進行最不利工況下即遠期早、晚高峰期間的地鐵車站的空調(diào)負荷計算，不進行空調(diào)負荷的逐時計算，缺乏對空調(diào)系統(tǒng)的負荷動態(tài)變化及全年的負荷特性的了解，也很難準(zhǔn)確地進行全年空調(diào)系統(tǒng)能耗的估算。由于地鐵車站最不利工況點的負荷、客流數(shù)據(jù)、新風(fēng)量、屏蔽門漏風(fēng)的附加負荷等均考慮為最不利工況的疊加，導(dǎo)致計算負荷常常比實際負荷大很多，導(dǎo)致負荷計算結(jié)果偏大，后續(xù)系統(tǒng)選型偏大，造成投資浪費和運營能源浪費。

針對以上現(xiàn)狀，本研究針對實際地鐵車站，通過充分分析客流隨時間的動態(tài)變化情況，安檢或限流導(dǎo)致的乘客滯留情況，車站隧道、車站公共區(qū)、車站出入口的風(fēng)量交換的動態(tài)變化情況、設(shè)備發(fā)熱量波動規(guī)律等因素，通過編制相關(guān)計算程序，進行逐時負荷的精細化計算，分析動態(tài)負荷變化特性，分析地鐵車站精細化的動態(tài)空調(diào)負荷計算方法。

1 工程概況

廣州地鐵某車站站臺呈T字形疊交，主體建筑面積為34556 m2；地下一層站廳層建筑面積為13716 m2；地下二層站臺層、設(shè)備層建筑面積為13716 m2；地下三層站臺層建筑面積為7124 m2。

根據(jù)廣州市地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)室外設(shè)計參數(shù)，結(jié)合地鐵規(guī)范中對室內(nèi)環(huán)境設(shè)計的要求，得到公共區(qū)及管理用房室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)，如下所示。

公共區(qū)室內(nèi)外空氣計算參數(shù)

管理用房室內(nèi)外空氣計算參數(shù)

1.1 新風(fēng)量取值標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 站廳、站臺公共區(qū)

空調(diào)季節(jié)新風(fēng)取下面三者最大值：按20.0 m3/人.h計；按車站屏蔽門漏風(fēng)量計；按總風(fēng)量的15 %計。

非空調(diào)季節(jié)每個計算人員按不少于30 m3/人.h計。

1.1.2 設(shè)備管理用房：30 m3/人.h計；無人值班的設(shè)備用房按不少于2人計。

2 地鐵車站負荷模擬

2.1目標(biāo)地鐵站建模過程

模擬軟件采用DEST軟件，首先在CAD中根據(jù)工程設(shè)計圖紙繪制地鐵車站外墻及內(nèi)墻輪廓線，從而建立起1∶1的地鐵車站的平面模型。以地下一層為例，如下圖所示。

圖1 地鐵車站建模模型

2.2 負荷模擬結(jié)果分析

2.2.1 車站公共區(qū)動態(tài)負荷分析

車站公共區(qū)負荷主要包括通過圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷、照明及各類設(shè)備負荷、人員負荷、滲漏風(fēng)負荷以及新風(fēng)負荷等。其中圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷只與全封閉式屏蔽門和站臺板的自身熱工參數(shù)有關(guān)，與地鐵車站室外氣象環(huán)境條件及地鐵客流量變化均無關(guān)，照明及各類設(shè)備負荷這部分負荷來源穩(wěn)定，也不隨客流量變化。而對于人員負荷和新風(fēng)負荷，取決于地鐵站內(nèi)的實時人數(shù)和與他們在車站內(nèi)的滯留時間。故這部分負荷是造成車站公共區(qū)負荷變化的最關(guān)鍵因素。

選取廣州車陂南站兩個典型日實測的地鐵客流量數(shù)據(jù)，即4月9日（星期六）和4月10日（星期一）兩日逐時客流量，如下所示。

圖2 車站典型工作日逐時客流量

基于典型日的客流變化數(shù)據(jù)及其它輸入條件，可以得到為DeST空調(diào)負荷模擬地鐵車站站廳典型工作日的逐時客流量和逐時總冷負荷的變化曲線，如上圖所示。從圖中可以明顯的看出，空調(diào)的總冷負荷的變化規(guī)律與逐時客流量關(guān)系以及室外新風(fēng)焓值關(guān)系緊密?？照{(diào)逐時冷負荷出現(xiàn)兩個峰值，這與客流量出現(xiàn)的兩個峰值分別對應(yīng)。其中冷負荷在8時出現(xiàn)一個峰值，為309.41 kW，晚高峰18時出現(xiàn)全天最高冷負荷，為349.10 kW。

圖3 站廳典型工作日逐時冷負荷

由此可見，車站公共區(qū)的空調(diào)負荷變化會呈現(xiàn)明顯的峰谷趨勢，這一負荷特性為空調(diào)運行采用變新風(fēng)量控制方法提供了依據(jù)。同時也可以看出，雖然地鐵車站典型工作日做大客流量是早上8時，但是最大負荷卻在晚高峰出現(xiàn)。這是由于廣州地區(qū)午后室外空氣焓值比早上高，從而使得晚高峰時新風(fēng)負荷較大，從而使得晚高峰總冷負荷反而超過了客流量最大的早高峰。

圖中為車站一典型休息日冷負荷變化情況?？梢钥闯觯菹⑷諢o明顯的峰谷趨勢，這與其客流變化與典型工作日相比較為平穩(wěn)的規(guī)律相符合，其最大冷負荷出現(xiàn)在下午18時，此時也是休息日對應(yīng)的最大客流時刻。此外，工作日和休息日的負荷差異明顯，上述典型工作日的最大冷負荷為349.10 kW，而休息日的最大冷負荷為211.38 kW，且?guī)缀跞熵摵删?00-200 kW間。這主要是由于休息日客流量相對較少，且客流變化與典型工作日相比存在差異所致。

圖4 車站休息日逐時客流量曲線圖

圖5 車站休息日逐時冷負荷曲線圖

上圖為公共區(qū)全年的逐時冷負荷動態(tài)變化示意圖，公共區(qū)全年最大冷負荷出現(xiàn)在5月31日，為1131 kW，相較于設(shè)計負荷1213 kW小了6.7 %。在10月19日后冷負荷開始有明顯下降，標(biāo)志著廣州進入秋冬季節(jié)，室外空氣焓值降低，低冷負荷狀態(tài)持續(xù)20天左右，在11月9日負荷再次上升至800 kW左右。

圖6 公共區(qū)逐時冷負荷簇狀圖

2.2.2 車站設(shè)備管理用房動態(tài)負荷分析

管理用房負荷主要包括圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷、照明及設(shè)備負荷、人員負荷以及新風(fēng)負荷，但管理用房冷負荷各項負荷的特點與公共區(qū)又有顯著不同，管理用房主要負荷來源是設(shè)備負荷和新風(fēng)負荷。由于設(shè)備用房人數(shù)很少，大多數(shù)均按2人計，故人員負荷占比很少，圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷由于設(shè)備用房較為集中，且大部分房間的室內(nèi)的溫濕度控制要求相同，故占比也很小。對于新風(fēng)負荷，由于設(shè)備用房人員數(shù)量少而設(shè)備發(fā)熱量大的特點，大部分房間均是采取新風(fēng)占比10 %的方法來定新風(fēng)量。

整體管理用房總負荷為944 kW，原有設(shè)計負荷總量為1002.3 kW，DeST模擬出來管理用房總負荷結(jié)果相比較小。這是由于DeST模擬的是逐時負荷，考慮到建筑圍護結(jié)構(gòu)蓄熱的影響與氣象條件的變化，負荷計算結(jié)果必會比設(shè)計負荷小。

圖7 管理用房逐時冷負荷簇狀圖

上圖為管理用房全年的逐時冷負荷動態(tài)變化示意圖，公共區(qū)全年最大冷負荷出現(xiàn)在7月6日，為981.91 kW。與公共區(qū)的逐時負荷變化情況不同，管理用房的負荷變化趨勢更為平穩(wěn)，這一方面是由于管理用房的負荷來源主要來自于設(shè)備發(fā)熱，而公共區(qū)由于人員數(shù)目變化而導(dǎo)致負荷變化明顯，另一方面也是由于管理用房的新風(fēng)負荷占比相對較小，受室外氣象條件影響也自然就相對于公共區(qū)更小一些。另外從圖中可以看出高冷負荷階段出現(xiàn)在5月25日至10月15日之間，這與其室外空氣焓值在這一時間段較高有關(guān)。

最后對車站全年負荷變化情況進行分析，下圖為DeST模擬的車站全年的逐時總冷負荷動態(tài)變化示意圖。

圖8 車站逐時總冷負荷變化曲線圖

從圖中可以看出，其變化趨勢與公共區(qū)負荷變化情況較為吻合。車站全年最大冷負荷出現(xiàn)在5月31日，為2060.50 kW，這也與公共區(qū)峰值負荷出現(xiàn)時間相同。根據(jù)原有設(shè)計說明，車站總設(shè)計負荷為2220.37 kW，DeST模擬結(jié)果比設(shè)計負荷小了7 %，考慮一定的安全系數(shù)，這一數(shù)值還是相對合理的。5月20日至10月15日為全年高負荷較為集中的時間段。全年負荷率為20-40 %的小時數(shù)最多，這對后面的機組選型方面也有一定的指導(dǎo)意義。

3 地鐵車站負荷模擬

由模擬結(jié)果可知，車站公共區(qū)的動態(tài)負荷變化是與地鐵車站客流變化緊密相關(guān)的，這是地鐵車站建筑空調(diào)負荷的最大特點。在計算車站公共區(qū)新風(fēng)負荷上，通常會按照預(yù)測遠期運營階段最大客流量計算和公共區(qū)總送風(fēng)量的15 %計算，但該方法未考慮到客流量逐時變化特性，造成了能耗的浪費。在節(jié)能運行策略研究上，可考慮根據(jù)公共區(qū)這一典型動態(tài)負荷變化特性進行分析。

在管理用房負荷模擬的結(jié)果分析上看，管理用房的負荷日變化并不大且沒有明顯的峰谷特征。此外在與設(shè)計負荷的對比中，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果負荷偏小，主要原因是由于各設(shè)備用房的設(shè)備發(fā)熱量提資大于實際發(fā)熱量，模擬根據(jù)設(shè)備用房設(shè)備發(fā)熱量實測結(jié)果考慮發(fā)熱量動態(tài)變化。

對于站臺層房間，考慮地鐵列車活塞風(fēng)及圍護結(jié)構(gòu)傳濕的影響，增大了房間的潛熱負荷，宜根據(jù)隧道空氣溫、濕度對房間的全熱負荷進行補償。

本研究針對實際地鐵車站，考慮客流特性、車站隧道熱傳遞、屏蔽門漏風(fēng)、車站出入口引風(fēng)新風(fēng)、設(shè)備發(fā)熱量波動規(guī)律等因素，得到了車站公共區(qū)及設(shè)備管理用房的動態(tài)負荷分析結(jié)果，得到了動態(tài)負荷分布規(guī)律，可以作為后續(xù)設(shè)備選型及能耗分析的依據(jù)。