地面站熱環(huán)境控制技術(shù)研究

劉濤、郭宏巍、劉旭、肖杰、黃濤

（1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司機(jī)電分公司技術(shù)部，北京 100043；2.北京市地鐵運(yùn)營有限公司機(jī)電分公司第一項(xiàng)目部，北京 100079；3.北京市地鐵運(yùn)營有限公司機(jī)電分公司安全質(zhì)量部，北京 100043；4.北京金淏源凈化技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化、區(qū)域化進(jìn)程的加快，城市軌道交通成為市民出行首選的交通出行方式。北京是我國最早修建軌道交通的城市，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已開通運(yùn)營的軌道交通線路18 條，總運(yùn)營里程超過554km。城市軌道交通在設(shè)計(jì)、建設(shè)階段，綜合線路地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)等因素，北京建設(shè)了地面站、高架車站共70 余座。大部分地面站或高架站站臺層長度為120m 左右，此類型車站站廳一般位于地面層，站臺位于高架層或站廳及站臺均位于高架層。地面站及高架車站在建設(shè)時(shí)期，車站公共區(qū)域未設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，車站公共區(qū)域僅考慮自然通風(fēng)、排煙。而縱向自然通風(fēng)效果較差，且軌道交通站高峰時(shí)人員較多，導(dǎo)致人員熱濕負(fù)荷較大，從而造成夏季站臺悶熱的環(huán)境。地面站及高架車站在夏季站臺及站廳溫度相對較高，站臺溫度常達(dá)到35℃以上，個別車站甚至超過40℃。滿足乘客對軌道交通站候車環(huán)境舒適性的需求，改善軌道交通站乘客候車區(qū)的候車環(huán)境成為工程技術(shù)人員必須面對的課題。

地面站及高架站公共區(qū)室內(nèi)熱源較多，人員密度比較大，其熱環(huán)境很難通過傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)公共區(qū)環(huán)境的有效調(diào)節(jié)，同時(shí)傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)在開放式空間能耗較大。改善室內(nèi)空氣流動，特別是自然、新鮮空氣的流動，是室內(nèi)熱環(huán)境改善的途徑。自然通風(fēng)是暖通空調(diào)行業(yè)利用自然資源最直接的方式之一，其具有建筑運(yùn)行能耗低、提高建筑室內(nèi)空氣等特點(diǎn)。國內(nèi)外的軌道交通地面站及高架站公共區(qū)建設(shè)初期基本是采取自然通風(fēng)的措施，但自然通風(fēng)受室外環(huán)境包括但不限于室外溫度、相對濕度及空氣質(zhì)量等影響，無法進(jìn)行有針對性的合理空氣調(diào)節(jié)，普遍存在夏季站內(nèi)悶熱的現(xiàn)象。國內(nèi)外軌道交通針對地面及高架站特別是站臺層夏季降溫，尚未有成熟的技術(shù)方案和產(chǎn)品支持。綜上所述都為本課題的研發(fā)提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)際需求，為本課題研發(fā)成果的落地示范提供了廣闊的平臺。

2 亦莊文化園站試點(diǎn)分析

研究實(shí)施亦莊文化園站乘客候車區(qū)熱環(huán)境改善的方案，以站內(nèi)溫濕度+能效比為雙核心監(jiān)控指標(biāo)提出通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行方案、策略及關(guān)鍵指標(biāo)的控制參數(shù)十分必要。通過此次試點(diǎn)站研究將獲得地面站乘客候車區(qū)熱環(huán)境方案的梳理，研發(fā)一套適用于地面及高架車站站臺公共區(qū)降溫的智能高效關(guān)鍵性組合空調(diào)設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維。

2.1 亦莊文化園站改造前狀況

亦莊文化園站整體呈東西走向，東西長124.6m，南北寬23.1m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)至候車屏蔽門7.1m；建筑整體采用鋼結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)，南北兩側(cè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為全玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，軌行區(qū)上頂兩側(cè)為自然采光結(jié)構(gòu)；整體站內(nèi)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷大，受室外環(huán)境空氣質(zhì)量影響大，經(jīng)現(xiàn)場測試站內(nèi)溫度與室外溫度接近，而在夏季日照強(qiáng)烈時(shí)間段，站內(nèi)溫度受陽光輻射影響，高于室外空氣溫度。

2.2 熱環(huán)境改造方案概述

2.2.1 方案論證

北京的氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶櫚敫珊导撅L(fēng)氣候，同時(shí)根據(jù)上述北京地區(qū)歷史氣象參數(shù)進(jìn)行分析，可以判斷每年5 月下旬至9 月中旬是氣溫比較高的時(shí)間段，日照強(qiáng)度及時(shí)間長均較高（見圖1）。

圖1 北京四季天氣

根據(jù)北京地區(qū)歷史氣象參數(shù)分析，該時(shí)間段平均溫度為22～28℃，相對濕度為43%～62%。站臺空間屬于比較炎熱干燥的環(huán)境，考慮節(jié)能因素，濕度＜60%時(shí)可采用“等焓降溫”方式，而濕度＞60% 時(shí)可采用“等濕降溫”方式。

狀態(tài)點(diǎn)計(jì)算：由空氣焓濕圖2 計(jì)算。

圖2 空氣焓濕圖

（1）當(dāng)初始狀態(tài)點(diǎn)相對濕度＜60%時(shí)：

狀態(tài)點(diǎn)A——干球溫度：26℃。相對濕度：56%。

對應(yīng)焓值為：56.4kJ/kg。

狀態(tài)點(diǎn)B——干球溫度：22.1℃。相對濕度：80%。

對應(yīng)焓值固定（等焓）：56.4kJ/kg。

（2）當(dāng)初始狀態(tài)點(diǎn)相對濕度＞60%時(shí)：

狀態(tài)點(diǎn)C——干球溫度：28℃。相對濕度：68%。露點(diǎn)溫度：21.4℃。

狀態(tài)點(diǎn)D——干球溫度：21.1℃。相對濕度：68%。露點(diǎn)溫度：15℃。

由計(jì)算數(shù)值可以看出，兩種方式在不同狀態(tài)下可降溫4～7℃，滿足設(shè)計(jì)需求，因此可以采用直接蒸發(fā)式冷風(fēng)機(jī)作為降溫系統(tǒng)的主要設(shè)備，而夏季溫度較高時(shí)需要配置空氣源冷水機(jī)組控制水溫（確保在空氣露點(diǎn)溫度以下）[1]。

2.2.2 方案概述

專用直接蒸發(fā)式冷風(fēng)機(jī)組設(shè)備布置于站臺側(cè)后方，出風(fēng)口在設(shè)備上部，距地面約2m 的位置，由4 個球形噴口形成扇形吹向列車靠站方向，間隔約20m 放置一臺，讓候車人群得到設(shè)備送風(fēng)。列車通過站臺產(chǎn)生的活塞風(fēng)成為設(shè)備的進(jìn)風(fēng)來源，同時(shí)也成為環(huán)境的自然排風(fēng)。《蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝》圖集，對于這樣的非潮濕（中等濕度）環(huán)境，人流量密集的公共場所取換氣次數(shù)30～35 次/h，取值30 次/h，則單側(cè)站臺冷風(fēng)送風(fēng)量應(yīng)為9000m3/h；兩側(cè)站臺供選用12 臺蒸發(fā)冷卻機(jī)組（見圖3）。

圖3 蒸發(fā)冷卻機(jī)組覆蓋區(qū)域示意圖

2.3 專用蒸發(fā)冷卻機(jī)組

亦莊文化園站熱環(huán)境改造工程采用專用蒸發(fā)冷卻機(jī)組，有別于市場上常規(guī)蒸發(fā)式冷風(fēng)機(jī)：第一，該設(shè)備采用無極變頻離心風(fēng)機(jī)，在確保風(fēng)量的同時(shí)可保持一定的風(fēng)壓，從而提高有效的送風(fēng)距離。第二，該設(shè)備采用球形噴口式風(fēng)口，不僅設(shè)備美觀且送風(fēng)角度調(diào)節(jié)靈活，便于送風(fēng)角度及輻射范圍的調(diào)整。第三，具備完善的自控控制系統(tǒng)和全面的安全保護(hù)措施，有別于常規(guī)設(shè)備的簡單啟?？刂疲?jié)能更安全。第四，采用環(huán)保高分子纖維濕簾，蒸發(fā)面積更大，布水更均勻。第五，設(shè)備自帶儲水箱具有自動補(bǔ)水、溢水保護(hù)等多重功能，減少人員工作量，提升系統(tǒng)運(yùn)行安全。

專用蒸發(fā)冷機(jī)組外形尺寸：1500mm×530mm×2150mm，單臺循環(huán)風(fēng)量為6000～9000m3，單側(cè)站臺可安裝6 臺設(shè)備。地鐵專用蒸發(fā)冷機(jī)組送風(fēng)口采用4 組球形噴嘴風(fēng)口，層兩側(cè)風(fēng)口采用直徑180mm 球形噴嘴，下層中間位置兩個風(fēng)口采用直徑250mm 球形噴嘴。

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)工況風(fēng)量及風(fēng)口風(fēng)速計(jì)算

（1）標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)定基礎(chǔ)：蒸發(fā)冷機(jī)組中間6.5m 處風(fēng)速1.5m/s。

（2）中間風(fēng)口計(jì)算：

中間風(fēng)口風(fēng)速：11～12m/s（參考現(xiàn)有樣機(jī)測試數(shù)據(jù)）。

中間單位風(fēng)口風(fēng)量：

（3）兩側(cè)風(fēng)口計(jì)算：

兩側(cè)單位風(fēng)口風(fēng)量：2030m3/h（通過導(dǎo)流盡可能保證4 個風(fēng)口風(fēng)量一致）。

兩側(cè)風(fēng)口風(fēng)速：

（4）標(biāo)準(zhǔn)工況下總結(jié)：

設(shè)備總風(fēng)量：8000m3/h。

風(fēng)感：正面6.5m 處風(fēng)感2 級（風(fēng)速1.5m/s）；兩側(cè)13m 處 風(fēng) 感0～1 級。

推算兩側(cè)13m 距離處風(fēng)速：參考現(xiàn)有樣機(jī)測試數(shù)據(jù)，同時(shí)簡化氣流損失曲線為線性關(guān)系，每米距離風(fēng)速降低1.87～1.55m/s；因此，兩側(cè)13m 處風(fēng)速估算0.2～0.5m/s，存在微風(fēng)感覺[2]。

2.3.2 最大運(yùn)行工況下風(fēng)量及風(fēng)口風(fēng)速計(jì)算

（1）最大運(yùn)行工況設(shè)定基礎(chǔ)：蒸發(fā)冷機(jī)組兩側(cè)13m 處風(fēng)速1.5m/s。

（2）兩側(cè)風(fēng)口計(jì)算：

兩側(cè)風(fēng)口風(fēng)速：26m/s（參考現(xiàn)有樣機(jī)測試數(shù)據(jù)）。

兩側(cè)風(fēng)口風(fēng)量：

（3）中間風(fēng)口計(jì)算：

中間風(fēng)口風(fēng)速：

推算中間6.5m 距離處風(fēng)速：參考現(xiàn)有樣機(jī)測試數(shù)據(jù)，同時(shí)簡化氣流損失曲線為線性關(guān)系，每米距離風(fēng)速降低1.87～1.55m/s；因此中間6.5m 處風(fēng)速估算1.5～3.2m/s，風(fēng)感較大。

（4）最大運(yùn)行工況下總結(jié)：

設(shè)備總風(fēng)量：9400m3/h。

風(fēng)感：兩側(cè)13m 處風(fēng)感1 級（風(fēng)速1.5m/s）；中間6.5m 處風(fēng)感2～3 級（風(fēng)速1.5～3.2m/s）。

2.3.3 框架與面板

（1）框架采用不銹鋼材質(zhì)，防腐性高，強(qiáng)度高。

（2）面板采用鍍鋅鋼板材質(zhì)，內(nèi)外噴塑工藝，外觀美觀；邊角采用倒角形式，更美觀；面板整體成型，結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，整體設(shè)備重量更小。

（3）結(jié)構(gòu)采用側(cè)回風(fēng)結(jié)構(gòu)，保證回風(fēng)效果；正面檢修門，便于設(shè)備檢修；球形噴口式風(fēng)口確保有效送風(fēng)距離。

2.3.4 變頻離心風(fēng)機(jī)

（1）主要參數(shù)

額定電壓：380V。額定頻率：50Hz。額定功率：1.8kW。轉(zhuǎn)數(shù)：1350r/min。

（2）性能指標(biāo)

電機(jī)防護(hù)等級：IP55。電機(jī)工作制：S1 級。

2.3.5 控制系統(tǒng)

當(dāng)?shù)乜刂破髯詭?2 個物理按鍵操控；自帶紅外遙控接收；LCD 液晶屏藍(lán)色背光動態(tài)顯示；標(biāo)準(zhǔn)485 通信；默認(rèn)12 檔風(fēng)速調(diào)節(jié)；通風(fēng)、制冷、自動及定時(shí)開關(guān)機(jī)功能；預(yù)留BAS 接口，可與站內(nèi)原有BAS 系統(tǒng)對接。

2.3.6 濕簾

主要性能指標(biāo)為展開面積：45m2。環(huán)氧指數(shù)：27.4%。防火等級：B1 級。

2.3.7 儲水箱

設(shè)備自帶不銹鋼儲水箱，水箱壓制成型，具有自動補(bǔ)水、溢水保護(hù)、排水等功能。自帶溢水報(bào)警功能，當(dāng)發(fā)生溢水故障時(shí)，報(bào)警功能進(jìn)行提示，同時(shí)自動關(guān)閉補(bǔ)水系統(tǒng)，防止水源浪費(fèi)。

2.4 水路系統(tǒng)

亦莊文化園站經(jīng)現(xiàn)場查勘及測算，冷源直接采用自來水，但考慮北京地區(qū)自來水水質(zhì)較硬，會對濕簾換熱產(chǎn)生不利影響，因此每側(cè)系統(tǒng)增加一套獨(dú)立的軟化水系統(tǒng)。專用蒸發(fā)冷卻機(jī)組采用浮球閥裝置實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)水及水位控制，因此水路系統(tǒng)增加定壓變頻水泵作為補(bǔ)水動力，實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)水功能；同時(shí)，考慮臨時(shí)停水或軟化水裝置反沖洗（設(shè)定為夜間自動運(yùn)行）等不確定情況的發(fā)生，增設(shè)有效容積1m3的儲水箱進(jìn)行緩沖。

3 檢測數(shù)據(jù)分析

亦莊文化園站熱環(huán)境改造工程實(shí)施后，2022 年8月8 日至9 月6 日進(jìn)行持續(xù)的數(shù)據(jù)檢測，同時(shí)對照站臺結(jié)構(gòu)相似的鄰站（亦莊橋站）進(jìn)行對比，檢測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)計(jì)效果。

檢測過程采用兩種方式分別進(jìn)行：檢測方法一，采用單點(diǎn)對應(yīng)檢測方式，主要對比環(huán)境溫度與改造后站臺溫度；檢測方法二，采用覆蓋方式進(jìn)行檢測，再通過匯總平均值反映環(huán)境溫度與改造后站臺溫度差異。

4 結(jié)語

針對軌道交通地面站及高架站的熱環(huán)境，分析其形成的原因，研究現(xiàn)有暖通、通風(fēng)技術(shù)特點(diǎn)，研發(fā)可改善軌道交通地面站及高架站熱環(huán)境的設(shè)備。通過項(xiàng)目的實(shí)施，使用階段的數(shù)據(jù)檢測分析，驗(yàn)證了選取合適的送風(fēng)量、送風(fēng)距離、風(fēng)速、供水量可有效改善乘客候車環(huán)境舒適性。送風(fēng)溫度可調(diào)、自適應(yīng)選擇送風(fēng)風(fēng)速、人工智能技術(shù)的采用，是設(shè)備未來迭代升級的方向。