武漢某地鐵站排熱風機節(jié)能運行模式研究

陳三強 車輪飛 鄧 雷 劉 俊 徐新華 沈國民

武漢某地鐵站排熱風機節(jié)能運行模式研究

陳三強1車輪飛2鄧 雷1劉 俊2徐新華3沈國民3

（1.武漢地鐵集團運營有限公司 武漢 430030；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430064；3.華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系 武漢 430074）

武漢地鐵車站排熱風機運行時間為每日4:00-24:00，運行時間久，能耗大。測試了某地鐵站排熱風機在現(xiàn)行運行模式下車站隧道軌行區(qū)的溫濕度和CO2濃度參數(shù)，測試結(jié)果均優(yōu)于地鐵設(shè)計規(guī)范要求，據(jù)此提出了排熱風機兩種節(jié)能運行模式，即模式一：列車正常運行時關(guān)閉車站一端的排熱風機；模式二：列車正常運行時車站兩端排熱風機隔天運行。進一步對這兩種節(jié)能運行模式進行了相應(yīng)的測試，測試結(jié)果表明相關(guān)運行參數(shù)滿足地鐵設(shè)計規(guī)范要求。排熱風機的這兩種節(jié)能運行模式相對于現(xiàn)行運行模式，綜合節(jié)能率為50%。

地鐵；排熱風機；隧道環(huán)境；節(jié)能運行

0 引言

地鐵由于具備高效、快捷、安全等特點，成為一種越來越受歡迎的公共交通方式[1]。但是，地鐵車站大多建于地下，空氣環(huán)境閉塞，列車進出站時與軌道之間產(chǎn)生的摩擦熱及列車空調(diào)釋放的冷凝熱會大量進入車站隧道，致使車站隧道空氣環(huán)境惡化。因此，需要借助排熱系統(tǒng)排除熱量。

文獻[2]針對地鐵軌行區(qū)不同的通風模式，利用SES軟件對某地鐵進行模擬計算，分別分析了正常工況下軌行區(qū)有、無軌道排熱系統(tǒng)兩種情況下的隧道空氣溫度分布情況，結(jié)果表明無排熱風機比有排熱風機時隧道空氣最高溫度高2.9℃。但文獻[3]認為列車運行產(chǎn)生的活塞風足以帶走列車在車站軌行區(qū)產(chǎn)生的熱量，不需要開啟排熱風機。文獻[4]以實際車站蘇州地鐵2號線車站隧道氣溫進行測試，分析了排熱風機降溫效果。結(jié)果表明：排熱風機實際運營只在夏季客流高峰運行時開啟，可分別降低隧道氣溫峰值1.75℃和谷值0.4℃，并進一步指出排熱風機可在地鐵運營初期不開啟。文獻[5]基于SES軟件對昆明地鐵某區(qū)間隧道進行了模擬分析，結(jié)果表明相同的排熱風量下，保留軌頂排熱風道，取消軌底排熱風道，隧道內(nèi)溫度僅比保留軌底排熱風道時高0.2～0.5℃。文獻[6]等實測了某個經(jīng)過節(jié)能改造后的地鐵車站隧道溫度，CO2濃度等參數(shù)，結(jié)果表明這些參數(shù)都滿足設(shè)計要求，且排熱風機的能耗降低了40%。從上述文獻的研究來看，雖然有個別研究認為可取消排熱風機，但對于開啟排風風機能減低隧道的溫度的看法是一致的。但對如何進行排熱風機的開啟運行模式實現(xiàn)節(jié)能則研究較少。

武漢地鐵2號線是武漢市首條地下地鐵線路，全長60.8km，共設(shè)38座車站，車站多為地下二層島式建筑。2號線于2012開通運營，建成已達7年[7]。本文基于2號線某車站隧道軌行區(qū)空氣環(huán)境測試結(jié)果，提出了兩種節(jié)能運行策略，為地鐵車站排熱風機節(jié)能運行提供參考。

1 現(xiàn)行運行模式下車站軌行區(qū)環(huán)境測試與分析

該車站設(shè)有兩臺排熱風機，分別位于車站的A端和B端，風機額定風量為50m3/s，額定壓力為650Pa，額定功率為55kW。兩臺排熱風機在現(xiàn)行運行模式下，均采用連續(xù)性運行方式，即：每天從4:00-24:00連續(xù)運行20個小時，運行頻率為20Hz。為探求排熱風機的運行控制策略，對該車站軌行區(qū)的空氣環(huán)境進行了測試，主要包括溫濕度與CO2濃度。

本次測試時間為9月下旬，處于空調(diào)季，測試期室外溫度為15～27℃。在車站隧道軌行區(qū)均勻布置2個溫濕度測點，采用溫濕度記錄儀連續(xù)測試兩天，測試車站隧道軌行區(qū)溫濕度變化情況。溫度和相對濕度變化情況如圖1、圖2所示。

圖1 車站隧道軌行區(qū)溫度隨時間變化

圖2 車站隧道軌行區(qū)相對濕度隨時間變化

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）[8]要求：在夏季工況下，列車車廂設(shè)置空調(diào)，車站設(shè)置全封閉站臺門時，隧道內(nèi)空氣溫度不得高于40℃，相對濕度無明確要求。在測試的48小時內(nèi)，軌行區(qū)溫度在24.7℃～28.2℃，遠低于40℃的要求，相對濕度為51%～68%。

因受測試條件限制，無法直接測試軌行區(qū)CO2濃度。在排熱風機出口處設(shè)置一臺CO2檢測儀，連續(xù)測試兩天，以此獲得車站隧道軌行區(qū)CO2濃度變化情況。軌行區(qū)CO2濃度變化情況如圖3所示。白天地鐵運行期間CO2濃度高于夜間；夜晚收車后CO2濃度維持在較低的水平，基本維持在400ppm左右；一天中分別在早高峰7:30左右和晚高峰17:30左右CO2濃度達到最大值。測試的48小時內(nèi)排熱風機出口處CO2濃度整體維持在383ppm~ 574ppm之間。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157- 2013）：區(qū)間隧道內(nèi)的二氧化碳（CO2）日平均濃度應(yīng)小于1.5‰（1500ppm），實測值遠低于日平均濃度小于1500ppm的要求。

圖3 排熱風機出口處CO2濃度隨時間變化

測試結(jié)果表明：排熱風機在現(xiàn)行運行模式下，車站隧道軌行區(qū)溫度、CO2濃度均滿足地鐵規(guī)范要求，排熱風機能夠很好的完成排熱和保證空氣質(zhì)量的任務(wù)，且具有較大的節(jié)能潛力。

2 節(jié)能運行模式下車站軌行區(qū)環(huán)境測試與分析

根據(jù)對現(xiàn)行運行模式下車站隧道軌行區(qū)環(huán)境測試數(shù)據(jù)的分析，排熱風機具有較大的節(jié)能空間，本文提出了排熱風機兩種節(jié)能運行模式，即節(jié)能運行模式一：列車正常運行時關(guān)閉車站一端的排熱風機；節(jié)能運行模式二：列車正常運行時車站兩端排熱風機隔天運行。為了驗證節(jié)能運行模式一車站隧道軌行區(qū)的環(huán)境變化，排熱風機按照以下方式運行：運行頻率為20Hz，從凌晨4:00-11:30，A、B兩端排熱風機正常工作；11:30-24:00，關(guān)閉A端排熱風機，B端排熱風機正常工作。為了驗證節(jié)能運行模式二車站隧道軌行區(qū)的環(huán)境變化，排熱風機按照以下方式運行：運行頻率為20Hz，從凌晨4:00-8:30，A端排熱風機關(guān)閉，B端排熱風機正常工作；8:30-11:30，A、B兩端排熱風機均關(guān)閉；11:30-夜間24:00，A端和B端排熱風風機正常工作。

2.1 節(jié)能運行模式下溫濕度特性

本次測試時間為隔年6月中旬，處于空調(diào)季，測試期室外溫度維持在21～29℃，測試當天有小雨。在車站隧道軌行區(qū)均勻布置3個溫濕度測點，采用溫濕度記錄議連續(xù)測試兩天，測試車站隧道軌行區(qū)溫濕度變化情況。溫度和相對濕度變化情況如圖4、圖5所示。

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）要求：在夏季工況下，列車車廂設(shè)置空調(diào)，車站設(shè)置全封閉站臺門時，隧道內(nèi)空氣溫度不得高于40℃，相對濕度無明確要求。A端排熱風機關(guān)閉和A、B兩端風機均關(guān)閉工況下，軌行區(qū)溫度均沒有明顯上升。測試的48小時1#測點溫度較2#、3#測點低，2#測點溫度與3#測點溫度相當。三個測點溫度在24.3～26.7℃，遠低于40℃的要求，相對濕度為76.5%～94%。

圖4 車站隧道軌行區(qū)溫度隨時間變化

圖5 車站隧道軌行區(qū)相對濕度隨時間變化

2.2 節(jié)能運行模式下CO2濃度測試

在排熱風機出口處放置一臺CO2檢測儀進行測試，連續(xù)測試兩天，以此獲得車站隧道軌行區(qū)CO2濃度情況。軌行區(qū)CO2濃度變化情況如圖6所示。

圖6 排熱風機出口處CO2濃度隨時間變化

從圖中分析可知：白天地鐵運行期間CO2濃度高于夜間；夜晚收車后CO2濃度維持在較低的水平，基本維持在450ppm左右；一天中分別在早高峰9:00左右晚高峰19:00左右（這兩天為節(jié)假日）CO2濃度達到最大值。排熱風機無論是開啟還是關(guān)閉，排風中CO2濃度均低于650ppm。測試的48小時內(nèi)排熱風機出口處CO2濃度整體維持在442ppm～663ppm之間。

測試結(jié)果表明：排熱風機在節(jié)能運行模式下，車站隧道軌行區(qū)溫度、CO2濃度均滿足地鐵規(guī)范要求。

3 排熱風機節(jié)能運行模式能耗分析

該車站排熱風機在節(jié)能運行模式一下運行一年所需能耗如表1所示。排熱風機采用節(jié)能運行模式一，一年可節(jié)省電量27740kWh，綜合節(jié)能率達50%，節(jié)能效果明顯。

表1 車站排熱風機年能耗統(tǒng)計表（節(jié)能運行模式一）

該車站排熱風機在節(jié)能運行模式二下運行一年所需能耗如表2所示。當排熱風機采用節(jié)能運行模式二時，一年可節(jié)省電量27740kWh，綜合節(jié)能率達50%，節(jié)能效果明顯。

表2 車站排熱風機年能耗統(tǒng)計表（節(jié)能運行模式二）

4 結(jié)論

本文測試了武漢某地鐵站排熱風機在現(xiàn)行運行模式和節(jié)能運行模式下車站隧道軌行區(qū)溫濕度、CO2濃度，在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可得出如下結(jié)論：（1）現(xiàn)行運行模式下，車站隧道軌行區(qū)溫度24.7℃-28.2℃，遠低于40℃，CO2濃度為383ppm~574ppm，遠小于1500ppm，均滿足地鐵設(shè)計規(guī)范要求；（2）節(jié)能運行模式下，車站隧道軌行區(qū)溫度為24.3℃~26.7℃，CO2濃度為442ppm～ 663ppm，均滿足地鐵設(shè)計規(guī)范要求；（3）該車站排熱風機在節(jié)能運行模式一和節(jié)能運行模式二下，一年均可節(jié)省電量27740kWh，綜合節(jié)能率達50%。

[1] 劉桂蘭.地鐵環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計探討[J].制冷與空調(diào),2012,26(1):36-39.

[2] 華正博.活塞效應(yīng)效率對地鐵軌道區(qū)排熱的影響[J].制冷與空調(diào),2014,28(2):183-185.

[3] 劉伊江.地鐵車站段隧道(半)橫向通風系統(tǒng)方案溯源及適用性研究[J].暖通空調(diào),2017,47(1):28-34,58.

[4] 李娟,房爍,徐清榮,等.地鐵車站設(shè)置排熱風機必要性研究[J].制冷與空調(diào),2018,32(2):162-168.

[5] 張雄.地鐵車站排熱系統(tǒng)取消軌底風道的可行性研究[J].暖通空調(diào),2016,46(1):111-116.

[6] 羅輝,王靜偉,羅燕萍.地鐵車站隧道排熱系統(tǒng)節(jié)能模式探討[J].暖通空調(diào),2016,46(7):95-98.

[7] 王海波.武漢地鐵網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展歷程及其運營現(xiàn)狀研究[J].城市軌道交通研究,2018,21(S1):6-9,23.

[8] GB 50157-2013,地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

Study of the Energy-saving Operation Mode of Heat Extraction Fans in One Subway Station in Wuhan

Chen Sanqiang1Che Lunfei2Deng Lei1Liu Jun2Xu Xinhua3Shen Guomin3

( 1.Wuhan Metro Group Operation Co., Ltd, Wuhan, 430030;2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063;3.Department of Building Environment and Energy Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074)

Heat extraction fans in subway stations in Wuhan runs daily for a long time from 4 o’clock to 24 o’clock resulting in high energy consumption. This paper tested the environment parameters including temperature, humidity and CO2concentration of the station tunnel track area of a station under the present operation mode of the heat extraction fan. The test results shows the measured environment is better than the requirement of the design specification. To reduce the energy consumption of the heat extraction fan, two energy-saving operation modes are proposed, i.e., mode 1 and mode 2. The energy-saving operation mode 1 is that the heat extraction fans at one end are off when the subway station is in normal operation, and the energy-saving operation mode 2 is that the heat extraction fans at both ends are on each other day when the subway station is in normal operation. The environment parameters under these two modes are also tested, and the results show they meet the requirement of the design specification. When compared with the present operation mode, both energy-saving operation modes can save energy consumption up to 50%.

Subway station; Heat extraction; Tunnel environment; Energy-saving operation

TU831.4

A

1671-6612（2021）02-238-05

陳三強（1968.10-），男，學(xué)士，高級工程師，研究方向為地鐵空調(diào)系統(tǒng)營運管理，E-mail：chensq@wuhanrt.com

徐新華（1972.01-），男，博士，教授，研究方向為建筑節(jié)能、建筑熱濕過程、空調(diào)控制，E-mail：bexhxu@hust.edu.cn

2020-12-28