全封闭站台门制式地铁站渗漏风冷负荷研究

周天龙

摘要：随着科学的进步，社会的发展，城市轨道交通地下站公共区冷负荷构成复杂，其中最不稳定的负荷来源为列车活塞风引起的车站渗漏风冷负荷，如何对车站渗漏风冷负荷进行准确计算一直是工程设计中的难点。本文对现行计算方法和活塞风影响下车站内部空气的运动规律进行研究，提出一种新型的计算方法，并利用深圳11号线前海湾站的实测数据对研究成果的准确性进行验证。

关键词：轨道交通;全封闭站台门;冷负荷;渗漏风

引言

在城市轨道交通地下站环控设计工作中，车站公共区冷负荷计算工作极其重要，负荷计算结果不仅对前期设备选型起到决定性作用，对后期运营控制也具有指导意义。公共区冷负荷约占车站总冷负荷的60%～70%，其主要来源为人员冷负荷、设备散热冷负荷、传热冷负荷和车站渗漏风冷负荷，其中车站渗漏风冷负荷的影响因素多，计算过程复杂，目前尚无可靠的计算方法。因此，对活塞风影响下车站的渗漏风过程进行研究，得出一种渗漏风冷负荷的准确计算方法，对城市轨道交通行业的设计和运营工作具有重要意义。

1研究现状

1.1活塞风作用下空气流动规律分析

当地铁机车在隧道中运行时，隧道中的空气被机车带动而顺着机车前进的方向流动，这一现象称为机车的活塞作用，由此所形成的气流称为活塞气流。为了保持地铁隧道内的空气流通，在每个地铁车站的两端都各有三种类型风井与地面连接。地铁车站两端的三个风井中有一个叫“活塞风井”，主要用于释放机车在隧道中做活塞运动时带动的风力；另外两个是排风井和新风井，用于车站内与外界的空气流通。机车在隧道中运行时,由于隧道壁所构成的空间限制,机车所推挤的空气不能全部绕流到机车后方,必然有部分空气会被机车向前推动，通过排风井排出到隧道出口之外，而机车尾端后方存在着负压区域，因此也必然会有空气通过进风井引入到隧道中，由此形成活塞风。此种现象也称为“活塞效应”。全封闭站台门起到了隔绝轨行区与站台公共区空气热湿交换的作用，具有显著的节能效果，现行的地铁空调系统基本有两种模式:全封闭站台门系统和非全封闭站台门系统。经粗略估算，设有全封闭站台门的地下车站，其空调负荷约为无全封闭站台门地下车站空调负荷的三分之一。因此近几年新建的地铁项目大多采取了全封闭站台门系统。

1.2车站渗漏风负荷现行计算方法

屏蔽门地铁车站公共区通风空调系统的负荷计算需要确定大空调箱、回排风机和小新风机的风量、冷量等参数。基本的思路是首先确定空调系统需要处理的热、湿负荷，在此基础上计算系统的风量和冷量。大系统的热、湿负荷主要是由围护结构、设备照明、人员、屏蔽门渗透风、出入口渗透风、厅台对流风的传质传热作用共同形成的。其中围护结构、设备照明、人员的散热散湿等在工程实践中算法比较统一，而屏蔽门打开时车站与隧道、出入口的各种气流渗透所形成的热、湿负荷的计算则众说纷纭。屏蔽门渗透风的影响主要有两类观点。一是以一定的屏蔽门换气量作为隧道与站台的对流风量，利用隧道与站台之间的焓差、湿度差来计算站台的负荷。这种观点认为通过屏蔽门的气流是双向的，从站台流入隧道的风不会形成站台负荷，只有从隧道流入站台的风才会形成热湿负荷。二是不计算屏蔽门的对流换热，认为气流主要由站台流向隧道，从隧道流向站台的可忽略不计。出入口渗透风负荷有按一定指标（如200W/m2）估算显热的，此种观点认为此部分渗透很小，计算只是为了整个计算过程的完整性。也有认为出入口渗透风负荷不可忽视，应通过风量平衡估算站厅出站口渗透风量的影响。站厅、站台对流风所形成的负荷一般认为较小，大多数计算中并不考虑此部分。除此之外，工程实践中有部分车站的设计是先选定站厅站台设计参数，再根据计算的得热量利用焓差法计算空调系统风量的。

渗漏风负荷约占公共区总负荷的30%～40%，目前尚无准确的计算方法。工程上一般按照5～10m3/s对全封闭站台门渗透风量进行取值，并按照轨行区38℃和站台28℃的温差来计算全封闭站台门渗漏风冷负荷;对于出入口侵入冷负荷则采取更加直接的估算方法，按照200W/m2的指标乘以出入口断面积进行计算。最后将两部分冷负荷相加，平均分摊到站厅和站台。上述过程均未考虑侵入公共区的湿负荷。

1.3现行计算方法分析

通过上文的分析，现行计算方法存在以下几个问题:第一，车站轨行区内空气温度取值并无依据。第二，由室外和轨行区侵入车站公共区的空气均为高温高湿气体，其湿负荷不可忽略;规范中明确指出:当站台设置密闭全封闭站台门时，应计算出入口渗透散湿量和全封闭站台门渗漏风散湿量。如果忽略湿负荷，将会导致空调送风量偏大，房间的实际相对湿度高于设计相对湿度。第三，侵入空气的空气状态受地域限制，不同地区的区间空气和室外空气的状态参数差异很大，盲目地采取相同的附加值和指标会导致计算结果脱离实际。第四，车站渗漏风冷负荷中的出入口侵入冷负荷和全封闭站台门渗透冷负荷分别作用于站厅和站台，应该分开计算并计入所在层冷负荷，不应以平均值的方式分配到各层。

2对车站用电设备运行模式分析

地铁车站主要用电设备有通风空调，给排水，站台门，电动扶梯以及照明，通信设备等，这些设备的综合运行，需要掌握对应的负荷运行模式进行分析，且不能够对负荷进行简单的加减处理，具体的计算时候，应当基于对应的季节影响综合考量，本次研究以夏季为耗能观察对象，现将其实际耗能以及额定功率的运行分析阐述如下。针对低压配电专业的容量需求，整个耗电体系以及荷载运行，考虑容量，空间配合模式的计算进行以下分析。

2.1针对通风空调以及给排水设备分析

值得注意的是，通风空调设备和负载都占据了整个车站总负荷的百分之五十以上，整个体系被分成了隧道通风、空调、风机及设备房备用空调几个部分，隧道风机一般需要早晚开启半小时，车辆运行期间采用活塞通风，隧道风机关闭。排烟风机等与消防相关的风机平时关闭，火灾的时候才会开启。且公共区排烟风机和设备区排烟风机不会同时运行。大系统空调和风机多会采用变频调控技术，并在夏季的早晚高峰期进行全功率运行。其他时段外，整个空调的运行功率也被控制在了0.3-0.6之间，水系统设备和对应的大系统运行类似，负载持续也应当控制在0.5-0.8之间，对于一些小系统设备，整个运营的管理时段都应当采用设计全功率运行，但是整个备用系统以及小系统的设备在整个功能上较为重合，且两者都不会同时运行，在整个计算体系中也不能叠加。所以整个通风空调用电负荷应根据设备运行模式计算负荷。初步计算分析，地下两层的标准站夏季的通风空调负荷限定在450kw左右。给排水设备的主要内容有消防泵、出入口、水泵以及对应的污水泵等，整个排水排污泵属于短时间内工作制体系，大多采用业液位控制体系。

2.2对站台门和电扶梯设备分析

站台门是一个周期性的工作负荷体系，在开启以及关闭的过程中才有电能消耗，若电源开关耗时超过了10s，按照车辆的远期运行密度来看，需要将负载持续率控制在18%左右，整个电扶梯的功率和提升的高度有关，满载额定功率也应当按照每阶梯站人的计算方式，通过采用变频控制方法，并在无人时候采用低速运行处理，在控制地下站的时候，将整个站台基于站厅以及出、入口通道进行管理分析，工作人员可以将时间错位计算，减小计算误差。

2.3照明以及弱电系统计算

地铁车站的照明区域分为了公共区照明和设备区照明。车控室，值班室，警务室等人员房间照明为常开，其余房间的灯光多处于关闭状态。公共照明区域在早晚高峰时间全部打开，且在平峰时间段通过对应的节电设备，及时关闭或者是降低功率运行。整个地铁通信信号等弱电系统负荷利用率普遍较低，平时运行负荷只有供电设计负荷百分之二十左右，各弱电专业应根据设备运行模式，尽量为供电专业提供一个较为准确的功率。

3.地铁车站的负荷计算要点

针对地铁车站的负荷计算需求分析，整个计算的目的是保证计算时候接近最大负荷，和常规的房屋建筑工程要求不一致，整个地铁车站系统运行模式是周而复始，多元化以及综合化的，针对不同的运行工作模式，其负荷计算的结果和数值有较大差异。

3.1非消防模式

经前文的阐述和比较，可以得出车站负荷计算主要考虑非消防时夏季早晚高峰运行的负荷。在知晓了各系统设备的运行状况后，可以结合需要系数对各类设备进行分组负荷计算。上述系统、设备在夏季高峰时期可能同时运行，将各设备组及其他零散负荷（乘需要系数后）的计算功率直接相加，即可得车站用电设备的最大运行负荷，即计算负荷。按80%负载率选取变压器，则在平峰时间，变压器负载率又会有所降低。

3.2消防运行模式分析

根据《地铁设计规范》，一条地铁线一时间段内仅考虑一处火灾，并规定的车站消防疏散时间为6分钟。当火灾发生在车站时，所有非消防二三级负荷会被切除，与消防以及行车安全等无关的一级负荷也会被切除（视设备情况立即或延时切除），并由FAS系统及BAS系统联动相关消防设备。

4风量平衡与热、湿负荷

车站有若干个出入口与室外大气相通，列车停站时屏蔽门开启，受区间列车活塞风和排热风机的共同作用，车站与隧道会产生大量的空气交换。相关的一些研究表明：屏蔽门打开时位于列车前部及中部的屏蔽门表现为渗漏风从站台流向隧道，处于列车尾部区域的屏蔽门气流从隧道流向站台。也有文献认为靠近车尾端屏蔽门空气流出量明显少于其他位置，但也呈净流出；部分时刻气流流入站台，但是此部分量小，可忽略。本文认为在各文献模拟屏蔽门漏风工况的前提条件并不一致，隧道活塞风效应、排热风机风量、屏蔽门开启情况、活塞风井设置情况、公共区正压度等都会影响模拟结果。但是这种结果的差异更像是量上的，而不是质上的。本文认为渗透风的流向因具体车站的情况而不同，在分析时不失一般性的可加入这一项。分别就车站整体和站厅层建立屏蔽门渗漏风、车站大系统空调系统新风、厅台对流风和车站出入口的渗透风守恒

结语

综上所述，随着地铁车站建设范围不断延伸，我国加强了对地铁车站的负荷计算研究，针对车站的配电变压器负荷率较低问题进行了深入研究。一方面由于各专业所需要的用电需求富裕量太大，没有为地铁工程负荷计算制定统一化的标准和依据，另一方面由于目前负荷计算中对各类用电设备功率进行乘以需要系数再简单叠加来计算，没根据各类设备的实际运行模式来计算负荷，导致车站配电变压器负荷率普遍较低。本文从分析各类用电负荷特点及运行模式入手，针对车站用电设备负荷计算进行研究，希望能较为准确的计算车站负荷，选用合适容量的配电变压器，节约投资，为进一步优化地铁供电管理奠定基础。车站渗漏风冷负荷由出入口侵入负荷和全封闭站台门渗风负荷两部分构成，二者分别作用于车站的站厅公共区和站台公共区。车站渗漏风冷负荷与车站内部结构、车站客流量、列车运行模式、室外气象参数以及排热风机状态有关。经实测验证，车站内部空气运动规律与本文理论分析结果相同，本文提出的渗漏风冷负荷计算方法准确有效。

参考文献

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