地铁变风量环控系统全年运行方案研究2

2007年4月

[文章编号]100228528(2007)0420087208

建　筑　科　学

BUILDINGSCIENCE

Vol123,No14Apr.2007

地铁变风量环控系统全年运行方案研究

谭文嘉,张　欢,由世俊,魏巧丽(天津大学环境科学与工程学院,天津300072)

[摘　要]通过对地铁车站公共区的热负荷进行分析计算,确定了远期地铁车站公共区逐时通风量,结合天津市地铁1号

线环控系统的设计方案,提出了空调风机全年变频运行,并用计算流体力学(CFD)模拟的方法,借助Airpak软件,模拟夏季车站变风量运行时车站公共区的温度场和速度场,得出变风量运行后能够达到的设计要求。[关键词]地铁环境控制;变风量系统;CFD技术;全年运行方案+

[中图分类号]TU831.3;U231.4　　　[文献标识码]A

StudyonVAV2basedYear2roundOperationModeforEnvironmentalControlintheSubway

TANWen2jia,ZHANGHuan,YOUShi2jun,WEIQiao2li

(SchoolofEnvironmentScienceandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

[Abstract]Basedonthecalculatedcoolingloadofcommonareainthesubwaystation,thehourlyventilationratecouldbedetermined.Combinedwiththedesignplanof1#lineofTianjinSubway,theyear2roundfrequencycontrolstrategyforthefanwasputforward.Inaddition,usingtheCFDtechnologyandAirpaksoftware,thevelocityandtemperaturefieldsundertheVAV2basedoperationmodeinthecommonareainsummerweresimulated.Finally,itwasfoundoutthattherelatedresultscouldsatisfythedesignrequests.

[Keywords]subwayenvironmentalcontrol;VAVsystem;CFD;year2roundoperationmode

1　引　言

地铁车站的站台、站厅公共区空调系统一般采用全空气系统。在保证地铁系统的正常运营和乘客的热舒适性基础上,要根据不同季节的气象条件以及不同时刻的列车密度和客流情况来控制地铁空调通风系统的正常运行,制定最佳的节能有效的通风系统运行方案。本文通过对天津的气象资料和地铁车站公共区的热负荷进行了分析计算,将风机系统配置变频控制器,风机按照时间程序作分级运行。同时为了验证这种方案的可行性,用数值计算方法对夏季最不利工况进行了模拟验证。

有所变化。把一年时间分为3个部分,夏季酷热期(傍晚高峰时刻室外空气焓值大于地下车站空气焓值的那段日子)、冬季严寒期(室外温度在5℃以下)以及除这两个期间的其它时间(主要是春秋季节,以下简称过渡季节)。3个控制季节划分主要依据天津市室外气象资料,通过对天津市近20年来各个月份的最高温度、最低温度以及平均温度的统计与分析,将6～8月划分为夏季酷热季,将12月～次年2月划分为冬季严寒季,其它6个月为过渡季。211　夏季空调通风模式

全天早8:00和晚6:00是客流高峰,气温较低;中午14:00虽然不是客流高峰,但气温较高;且天津夏季早晚温差大,真正高温(30℃以上时刻)很短,因此下面根据天津典型年气象资料进行分析,以便确定风机的运行情况。夏季平均湿球温度值见表1。

设计要求的室内条件为29℃,相对湿度为60%,即湿球温度为2216℃。由表1可以看出,在7、8这两个月,湿球温度很高,大部分时间段接近或超过此温度,因此建议7、8月空调机组全天满负荷运行,并采用最小新风模式。而在6月,全天湿球温

[1]

2　全年地铁空调通风模式

由于各个季节地铁热湿负荷有所不同以及地铁

站台内控制温度不同(例如在冬季寒冷季节,要求地铁站台内部气温不低于5℃,而在其它季节则不能

),所以变风量的控制方法随季节不同而高于30℃

[收稿日期]2006211214　[修回日期]2006212204

[作者简介]谭文嘉(19832),男,在读硕士研究生[联系方式]tanwenjia1211@yahoo.com.cn

88建筑科学

表1　夏季各时刻平均湿球温度值

日期

6:00171161811821140221742117021177

8:00171951910721166231112117021194

10:00181391910722144231942218620184

12:001912320123221952412323113221

14:00191081815723184261412519624161

16:00191311715423141241702310523149

18:0019115181292314724165231692311420:00181701712423195231612217224158

第23卷

℃

22:00181031712823110231492310622183

6月上半月6月下半月7月上半月7月下半月8月上半月8月下半月

度均低于此温度,因此从节能和人体舒适度的角度

来看,应选用全新风模式,采用焓值逐时控制,制冷机组部分负荷运行。在7、8月,每个时刻的平均湿球温度差别不大(1℃左右),其焓值也相差很小,对风量计算影响不大。因此决定以洪湖里站为例,选

用夏季典型日气象参数计算风量。本文中夏季典型

日取1991年7月25日,因为晚6:00时温度为3215℃,相对湿度为62%,接近于天津市夏季空调室

)。外计算参数(干球温度3214℃,湿球温度2619℃表2给出了夏季典型日气象参数资料。

表2　夏季典型日气象参数

时间温度Π℃相对湿度Π%

时间温度Π℃相对湿度Π%

1241791133262

224159114321758

324119415331355

424119516331755

5249617331457

624129618321562

724199219311268

825139020301174

926178521291378

1028147822281780

11307223281281

1231126724271485

器,两台风机为一组分别负责半个车站的送、排风。在每个车站的其中一端预留冷冻机房一处,远期空调采用全空气系统的车站,其风道内预留表冷器的位置。每端的通风机房可以分成上、下两层设置。两风道间均设有风阀联通,以便在事故情况下互为备用或并联使用。新建区间为中隔墙单线结构,只在特长区间上设有区间风机房为区间隧道事故通风,短区间上不设区间风机房

图1　站台结构侧视图

[5]

。洪湖里站的区间

没有区间风机房,靠车站的风机实现列车阻塞模式和紧急情况运行模式下的通风。列车正常运行时,区间隧道借助列车行驶的活塞风效应将室外新风、站台空气引入隧道,吸收区间隧道内列车的发热量,在通过前方车站的车行区排热系统排出。

在车站公共区的环控系统由站厅、站台两部分组成,站台层利用其顶部空间设置送风道,站台板下空间作为回Π排风道;站厅层利用其顶部空间设置送、排风道,形成上送上回的均匀送、排风,构成站送、站排的通风形式。车行区排热系统是由列车轨顶、轨底的排风系统组成,系统原理详见图2。

地铁车站的热负荷由以下几部分组成:列车运

　　天津地铁为新建和改扩建结合的工程,根据这一特点,风机房利用既有线旧有结构改扩建的机房和新建的机房。洪湖里站为新建双层站,站台形式为侧式站台,见图1所示。有效站台长120m,车站结构全长17819m。设四个出入口,两座风道。车站主体结构净宽1815m,站台层结构净高611m,站厅层结构净高415m。洪湖里站共设有四个风机房,即每个车站每一端各设两个相邻的风机房,一个为送风机房,一个为排风机房,每一个机房内设有一台61mΠs的可逆转轴流风机,且风机前后各一组消声

3

第4期谭文嘉,等:地铁变风量环控系统全年运行方案研究

图2　车站环控通风系统原理图

　行散热负荷、车站照明及设备负荷、列车活塞风负荷、乘客负荷、室外新风负荷。

1)列车运行散热负荷

①启动阻力的发热量

Q1=r1・W・L　　式中,Q1为启动阻力的发热量,J。

对于天津地铁电力牵引客车,取启动阻力r1为2000kgfΠkg;由列车原始资料可计算出天津地铁一

(1)

列车运行高峰时,行车间距为4min一趟,此时Q=2

×200×2×60×15Π3600=200kW;当列车在非运行高峰,行车间距为6min一趟,此时Q=2×200×2×60×10Π3600=133kW。

③列车空调冷凝器放热量

列车空调冷凝器也是机车运行时的一项产热量很大的热源,产生的热量约占总热量的30%,如果地铁列车最高运行速度按70kmΠh计算,则列车空调冷凝器散热量的65%将分配在车站,这部分散热必

[6]

须计入站台发热。此部分散热约为220kW。当列车运行高峰时,行车间距为4min一趟,列车平均在车站停留3min,此时Q=2×220×3×60×15Π3600=330kW;当列车在非运行高峰,行车间距为6min一

列满载乘客的6节编组列车总重W=29812×

103kg;当速度为40～45kmΠh时,启动时间2min,走行距离L一般为10m。由此计算Q1=5814kJ。当列车运行高峰时,行车间距为4min一趟,此时Q=2×5814×2×60×15Π3600=5814kW;当列车在非运行高峰,行车间距为6min一趟,此时Q=2×5814×2×60×10Π3600=3819kW。

②列车制动发热量

天津地铁列车的制动再生效率为38%,根据这个条件可以推算出列车在制动阶段的发热量为:

2

(v2W1-v2)・(2)qB=・(1-0138)

2

　　近年来,在站台设计中通常把这些热量直接排入站台下的排风系统,这时站台上的实际热负荷用下式表示:

(3)q′B=a・qB　　式中,q′J;qB为制动B为站台的实际热负荷,k发热量,kJ;a为站台影响系数,一般采用016。

列车在各站到站的发热量大约为200kW。当

趟,此时Q=2×220×3×60×10Π3600=220kW。

2)车站照明及设备负荷

车站设备发热量相对恒定,不随季节、年度及客流量的变化而变化。一般给出各设备的负荷及设备效率,可直接计算得出。

2

车站和站厅照明密度为13WΠm,隧道照明强

2

度为7WΠm。垂直电梯:7kWΠ台;自动扶梯:15kWΠ台;广告灯箱:单层站15kWΠ站,双层站30kWΠ站;自动检票机:500WΠ台。各设备发热量见表3。

表3　车站设备发热量计算

站名洪湖里

照明

发热

44

kW

[5]

广告牌

30

垂梯发热

7

自动检票机

3

扶梯发热

40

总发热量

124

　　注:车站面积为3394m2。

90

3)活塞风带入车站的热量

建筑科学

Qw=2n×qw=2×10×14193

第23卷

列车在隧道内运行产生的活塞风携带隧道内一

部分余热进入前方车站站台,活塞风量与列车运行速度、编组长度、运行间隔及隧道类型、阻塞比等因

[6]

素有关。地铁活塞风对车站影响的定量值见表4。

表4　活塞风对车站影响定值

地铁活塞风数值约1500m3Π列约1000m3Π列

2500m3Π列1470m3Π列1000～2000m3Π列2500～4500m3Π列6000m3Π列(包括渗透风)

=283860kJΠh=7819kW4)车站人员热湿负荷

备注

6节编组列车在复线隧道内

6节编组列车在复线隧道内(双向进入列车时)

车站人员客流量是随时间而变化的,所以必须

给出站台人员在各个时刻的散热负荷,即逐时热负荷。根据每位乘客在车站站台和站厅所停留的时间,以及所给出的车站早高峰时和晚高峰时客流量及客流密度系数,可以得出站台各个时刻的人员散热与散湿量。

站台人员散热量τQn=q・nmax・n′・m・Π60　　站台人员散湿量τDn=d・nmax・n′・m・Π60

地下铁道设计采用值

列车平均速度4214kmΠh,6节编组,运行间隔5min一般地下铁道高速、大编组列车的地下铁道单线隧道测定值(6)(7)

　　式中,q为站台人员散热指标,WΠ人;d为站台

(人・人员散湿指标,gΠh);nmax为站台高峰客流量;n′为群集系数;m为客流密度系数;τ为每位乘客在车

[5]

站公共区停留的时间,取为3min。

考虑站台人员的构成比例,站台群集系数可取为019,人员散热指标按轻度劳动人员计算,为182WΠ人;散湿指标取轻度劳动下29℃时散湿指标212gΠh。远期早高峰客流量为19400人Πh,根据表5给出的各时刻客流密度系数,按照公式(6)和(7)可得洪湖里站人员逐时热湿负荷。计算结果见表6。由逐时负荷的计算可得到远期夏季洪湖里站典型日负荷变化曲线图,见图3。

由车站余湿量和余热量计算空气变化的热湿比值ε。利用如图4所示i2d图(焓湿图)根据设计要求确定车站内空气状态点N(温度为29℃,相对湿度为60%),选择送风温差为8℃,即可确定经表冷器后的空气状态点即送风状态点S,(方案一为一次回风系统,露点就是送风状态点)计算N点和S点的焓差,利用式(8)可求得空调送风量。

V=

　　活塞风引起的显热负荷可由下式计算:

qw=ρ・c・Lw(tr-tp)

3

(4)

　　式中,qw为列车活塞风引起的显热,kJΠ列;Lw为进入车站的活塞风量,mΠ列;tr、tp分别为区间隧道、站台层温度,℃;ρ为空气平均密度,kgΠm;C为(kg・)。空气比热,kJΠ℃

(5)Qw=2n×qw　　Qw为活塞风引起的显热负荷,kW;n为列车运行对数,对Πh。

高峰时一列6辆编组列车运行间隔为4min,即运行对数为15对Πh,平常运行间隔为6min,即运行对数为10对Πh。平均速度取40～50kmΠh,根据表4,

Lw为1470mΠ列,隧道、站台层温度分别取37℃、

3

3

29℃,则可得:

qw=1101×1120×1470×(37-29)

≈14191kJΠ列

高峰时活塞风引起的显热负荷:Qw=2n×qw=2×15×14193

=425790kJΠh=11813kW

3600

ρ(iN-iS)・

3

Q(8)

平常时活塞风引起的显热负荷:

　　式中,V为空调系统的送风量,mΠh;Q为车站所得的余热量,kW。

表5　各时刻的客流密度系数

时间Πh客流系数时间Πh客流系数

10130131

20140139

30150134

40160136

50170165

60118180180

701619015

8110200127

90165210124

100131220125

11013123011

120131240

第4期谭文嘉,等:地铁变风量环控系统全年运行方案研究

表6　远期洪湖里站人员逐时热湿负荷

91

时间Πh人员热负荷ΠW

(gΠ人员湿负荷Πh)

100910327512029917103275120299

20010492545737318127108148060

300114925457373197944392538

4001249254573732042949970500134925457373213813244418

62859933313146196572179223972146269795331111045155402162925231588818507

81588861850761657198666272400

时间Πh人员热负荷ΠW

(gΠ人员湿负荷Πh)

时间Πh人员热负荷ΠW

(gΠ人员湿负荷Πh)

图3　远期夏季洪湖里站典型日负荷图

图5　远期夏季洪湖里站典型日逐时风量图

频调速设计中采用闭环控制的连续反馈调节。其精度偏高,投资也偏大。针对地铁车站公共区使用特性,采用时间程序控制法来替代闭环控制法。此方案是根据负荷的变化,风机按照时间程序作分级运行,将风机系统配置变频控制器,使其连续变频运转。同时为了验证这种方案的可行性,下文用数值计算方法对此方案进行了模拟验证。

由洪湖里站远期夏季负荷变化曲线图可以看出,一天之内有两个负荷高峰期,即早8:00和晚6:00。9:00～16:00之间,负荷变化比较平缓。以早8:00负荷为基准,则9:00～16:00之间站台负荷约

图4　i2d(焓湿)图

　　按规范要求,新风百分比取10%,如果已知空调总送风量,并通过天津市气象资料查出室外逐时的空气焓值,这样就可以确定车站空调系统的新风负荷。

Qx=Vx・(iW-iN)Π3600

(9)

为早8:00负荷的0185倍。根据以上分析,确定一

天之中风机运转方式如下:5:00～6:00在列车发车之前,进行1h的通风换气,充分利用隧道冷风来冷却车站公共区,此时风机满负荷运转。6:00～9:00在客流早高峰期前后及高峰期期间,风机均满负荷运转。9:00～16:00风机85%负荷运转。16:00～20:00在客流晚高峰期之前及高峰期期间,风机满负荷运转。20:00～23:00风机85%负荷运转。23:00～24:00停车之后,进行1h的通风换气,充分利用夜间冷风来冷却隧道和车站公共区,此时风机满负荷运转。

　　式中,Qx为空调系统的新风负荷,kW;Vx为空调系统的新风量,mΠh;iW为室外空气状态点的空

3

气焓值,kJΠkg。

由逐时负荷和公式(8)计算得出远期夏季洪湖里站典型日逐时风量如图5所示:

文献[2]中指出,由于地铁车站公共区存在热惰性大、滞后时间长等固有特性,因此在空调风系统变

92

212　过渡季节通风模式

建筑科学第23卷

进入春秋过渡季,其显著气候特征为白天外部气温高于土壤平均温度,夜间外部气温低于土壤平均温度。地铁转为开式运行,冷冻机关闭,车站进入通风运作模式。此时,可仅开启车站回Π排风机,采用自然进风,机械排风。夜间区间隧道采用机械送、机械排的机械通风模式,使土壤散热,起到蓄冷的作用。秋季夜间通风时间可适当比春季短,为冬季土壤作为热源、保证地铁内舒适度创造条件;春季则加强夜间通风,为夏季土壤吸热做准备。

过渡季节地铁通风量计算应采用排除余热所需风量,即根据式(1)进行计算。查天津市标准年气象资料可知进风温度(即室外温度)tj,因此,通过控制排风温度tp可以得到不同的通风量。在这里,取送、排风温差为3℃,选择标准年气象资料中10月1日为过渡季节典型日来计算远期过渡季节洪湖里站典型日逐时通风量。计算结果见图6。

图7　远期冬季洪湖里站典型日逐时风量图

3　车站空调通风方案CFD模拟结果与分析311　几何模型的建立本次模拟选取的洪湖里车站结构尺寸为:120m×1815m×611m,列车尺寸为:117112m×218m×3151m,人员的设定为:人群站立于列车运行线1m之外,模拟中简化为厚度为112m、高117m、长100m的两个块。本站设有4个乘客出入口,出入口净宽分别为312m、215m,净高217m。

站台采用上送风、轨顶排风及轨底回Π排风的气流组织形式。送风口尺寸为300mm×600mm,共个,布置在距站台板315m高度的地方;轨顶排风口尺寸为1000mm×500mm,共108个,布置在距站台板315m高度的地方;轨底回Π排风口尺寸为1000mm×500mm,共80个,均匀布置在站台板下面。312　数学模型的离散求解

ε本次模拟采用的方法是有限容积法,标准k2双方程模型,问题是三维稳态的不可压缩粘性流体

的湍流流动。采用控制容积积分法来对数学模型中的控制方程进行离散,其推导过程物理概念清晰,并

[4]

可以保证离散方程具有守恒特性。

1)连续性方程2)动量方程

图6　远期过渡季节洪湖里站典型日逐时风量图

　213　冬季通风模式

冬季通风量的计算也是采用排除余热的方法,但冬季室外气温比较低,天津市日平均温度≤5℃的天数是122天

[3]

。当冬季室外空气最高温度<5℃

时,如果仍采用机械通风,可能会使地下站台温度在5℃以下。此时,地铁通风系统仅维持满足乘客舒适(人・度的最小新风量1216mΠh),在冬季最不利的情

3

5ui=05xi

况,室外空气温度<0℃时,这种控制方式仍可能会使地下站台温度在5℃以下。此时,地铁系统通风运行方式应为闭式运行,风机停止运转,仅靠自然通风来维持新风的供给。

以洪湖里站为例,选择标准年气象资料中1月1日的气象资料为室外条件,以控制站内气温不低

5(ui・uj)15p5(νν)5ui5uj=-++t+

ρ5xi5xj5xj5xj5xi　　3)紊流脉动动能方程

5(ujK)5=5xj5xj

+νt

ν+

νt5KCK5xj

于5℃为条件,计算得到远期冬季洪湖里站典型日逐时通风量。结果如图7所示。

5ui5ui5uj+-ε

5xj5xj5xi

　　4)紊流能量耗散率方程

第4期谭文嘉,等:地铁变风量环控系统全年运行方案研究

93

5(uεi)5=5xj5xj

ν+

νt5εCε5xj25ui5ui5ujC2ε

+C1CμK+-5xj5xj5xiK

　　式中,μΠs;P为压力,Pa;ν为运i为速度矢量,m动粘性系数,mΠs;νs。i,j=t为紊流粘性系数,mΠ

2

2

1,2,3,C1,C2,Ck,Cτ均为常数。

313　边界条件的设定

1)各项发热量的确定:人员散热量选取晚高峰

图10　距站台板1165m(人体头部处)温度场和速度场

　2)空调85%负荷工况模拟结果时人员负荷为73kW,空调85%负荷工况运行时取

人员负荷为62kW。列车发热量为520kW,空调85%负荷运行时取442kW。照明灯具负荷为1516kW,散热位置布置在顶棚。广告灯箱为30kWΠ站,布置在地铁站台的侧墙上。2)温度设定:夏季空调室外计算干球温度为3214℃,空调工况下送风温度为20℃,隧道空气温度为25℃;围护结构壁面温度为24℃,列车壁面温度为27℃(顶部及底部除外)。3)相关的速度设定见表7。

表7　相关的速度设定

　　　风速

工况　　　空调满负荷工况空调85%负荷工况

站台送风口站台轨顶排风站台轨底排风

(mΠ(mΠ(mΠ风速Πs)口风速Πs)口风速Πs)

21522114

010176

01510143

图11　乘客出入口处温度分布云图　

314　模拟结果与分析

1)空调满负荷工况模拟结果

图12　乘客出入口处速度分布矢量图

图8　乘客出入口处温度分布云图

图13　距站台板1165m(人体头部处)温度场和速度场

3)模拟结果分析

乘客出入口是一个重要区域。由图8、9和图11、12可以看出,乘客出入口受外界热气流的影响,

温度偏高,6～7m的高度范围内温度处于25～28℃之间,7m高度以上温度都超过了30℃,整体速度保持在110mΠs以下,但人员停留的时间比较短,基本满足舒适性要求。

图9　乘客出入口处速度分布矢量图

距站台板1165m高度处,是人体头部所处的区

94建筑科学第23卷

域,所以这一区域的温度场和速度场值得关注。在空调满负荷运行情况下,从图10可以看出,温度分布保持在20～26℃,只是在站台边缘处温度超过了30℃,并不影响人员活动区的舒适性。站台内主要的热量来源,即由列车顶部空调冷凝器产生的热量和由列车制动、轨道摩擦产生的热量,并未扩散到站台板上,这主要是因为上送下排的通风方式阻止了热流的扩散。列车入口侧风速大约为118mΠs,其余部分风速约为013～115mΠs,乘客不会产生吹风感。乘客候车时热环境是比较令人满意的。

对比图10和图13可以看出,空调85%负荷工况运行时,站台板上大部分人员活动区域温度在22～27℃之间,比满负荷工况稍高,能够满足设计要求。但由于送风量的减少,使得送风速度有所降低,气流不能得到很好的扩散,尤其是在站端位置,温度超过了31℃(或适当加大站端集中送风量的方法就可以解决这个问题),但是由于此处的人员较少,这种送风方式可以满足绝大多数人员的热舒适。列车行驶区域的温度都超过了32℃,由于设置了轨顶排风,列车冷凝器散热被及时排掉,热量并没有扩散到站台上来。由此可见,在部分负荷下采用变风量运行是可行的。

析,得出远期夏季、过渡季、冬季逐时通风量。确定了全年地铁车站空调通风运行模式,提出了根据负荷变化使风机转速变化,从而改变风量达到变频运行的目的。2)利用CFD系列软件Airpak,对车站公共区的环控通风系统进行了数值模拟研究。地铁风机按照时间程序作分级运行,根据热湿负荷的变化来调节送、排风量,不仅可以满足人员的热舒适性要求,并具有很好的节能效果。3)以上地铁环控系统的全年运行方案是基于远期客流及车流的预测值进行的。在地铁运营初期和近期,客流较少,且隧道峒体温度较低,此时实际负荷将远远低于设计负荷,需要的风量也远低于设计风量。因此,变风量运行对于初期和近期有更显著的节能意义。

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