中鐵四院集團西南勘察設計有限公司       張雄

重慶大學      胡夢強   劉猛

摘   要：昆明地區軌道交通站多設置半高屏蔽門（安全門），環控系統采用開式系統，利用列車運動產生的活塞風以及通風系統調節車站公共區的熱濕環境。于2017年1月對昆明市兩個地鐵站進行熱濕環境實測，測試結果表明，車站公共區的空氣溫度分布符合站臺層＞站廳層＞出入口通道的特點；關閉車站機械通風系統后，站內空氣溫度升幅不超過1.0℃，CO₂濃度升幅不超過100ppm，未超出規范要求；若今后在運行車站的環控系統時，能夠根據車站的熱濕環境與CO₂濃度情況合理確定運行模式，則將大大降低其運行能耗。

關鍵詞：溫和地區；軌道交通站；熱濕環境

       0   引言

       近年來，由于城鎮化速度加快，城市人口增長以及人們生活水平的提高，城市交通擁堵問題日益嚴重。國內城市軌道交通行業迅速發展，許多城市新建或增建軌道交通運營線路，根據城市軌道交通協會統計，截至2017年6月底，我國內地共31個城市開通運營城市軌道交通，共計133條線路，運營線路總長度達4400公里^[1]。根據相關規劃，未來全國79個城市的地鐵總里程將達到13385公里。城市軌道交通的迅速發展導致我國能源消耗迅速增加，2014年，我國軌道交通總耗電94億kW·h，占全國總耗電的1.7‰^[2]。

       根據耗電設備的不同可將軌道交通站用能分為以下六個方面：列車牽引用能，環控系統用能，電扶梯用能，照明用能給排水用能和其他用能。其中，根據所處地理位置的不同，環控系統能耗約占1/3~1/2[3]。根據軌道交通隧道通風換氣的形式以及隧道與車站站臺層的連通關系，軌道交通的環控系統可分為開式環控系統，閉式環控系統和屏蔽門式系統[4]，各城市根據該地的氣候條件以及相關規范選擇相應的環控系統。

       昆明市屬于溫和地區，室外自然環境優越，氣溫波動小，對于營造室內的舒適環境十分有利。目前昆明地區的軌道交通站多采用通風系統，包括區間隧道通風系統、車站隧道通風系統、車站公共區通風系統和車站設備管理用房通風系統四部分。為了充分利用室外自然冷源，降低軌道交通站能耗，昆明地區軌道交通站多設置半高屏蔽門（安全門），利用列車運動產生的活塞風，調節車站公共區的熱濕環境，改善乘客的熱舒適情況。

       本文根據冬季于昆明市兩個地鐵站所進行的現場實測，分析了不同運行工況下的熱濕環境差異，同一車站不同位置的熱濕環境差異以及活塞風對車站公共區熱濕環境的影響。

       1   測試車站介紹

       目前昆明市在運營的軌道交通線路共5條，分別為1號線南段、1號線支線、2號線、3號線以及6號線，見圖1，本次測試車站屬于2號線，由于昆明市軌道交通分期建設，當前2號線與1號線貫通運營，待二期工程建設完成后，再拆分運營。昆明市地鐵1、2號線首期工程全長42.1公里，從呈貢大學城南站至北部汽車站，全線設置31個車站（2號線14個），2014年4月底，30座車站（火車北站除外）載客試運營。

圖1   昆明市在運營的軌道交通線路

       測試的兩個車站為非換乘車站，兩車站相鄰，為了方便表述，用車站A和車站B來指代兩個車站，車站A為北部汽車站向環城南路站方向上位于前方的車站。兩個車站均為地下二層明挖島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。從建筑結構方面看，兩車站極為相似，站廳層和站臺層由兩個電梯和兩個樓梯連通，車站隧道與活塞風道通過活塞風孔相連；目前可供使用的出入口均為3個，車站A的3個出入口和車站B的2個出入口設置有頂棚；兩車站建筑結構上最大的不同是車站B的一端設置有渡線，上行隧道和下行隧道由其相互連接。

       兩車站均設置有區間隧道通風系統、車站隧道通風系統、車站公共區通風系統和車站設備管理用房通風空調系統；在車站的兩端，均設置有活塞風井，使列車的運動可將室外新鮮空氣帶入隧道內，將隧道內的污濁空氣排出室外。車站公共區通風系統僅設置有送風系統和排煙系統，車站設備管理用房通風系統設置有送風系統，排風系統（兼做排煙系統）和VRV系統，由于這兩部分在相關文獻[2,5]中介紹的已經很多，且差異很小，故在此不再贅述。車站區間隧道通風系統和車站隧道通風系統示意圖見圖2。

（a）A隧道通風系統	（b）B隧道通風系統

圖2   車站A、B隧道通風系統示意圖 

       從圖2中可以看出，兩車站的隧道通風系統相似，由于車站B渡線側隧道較長，故設置有2組4臺射流風機，且活塞風道內設置有2臺隧道風機。根據向車站機電管理人員了解，由于當前車站運營處于初期，行車對數在7~14對之間，在日常運營中（冬季），開啟車站公共區送風系統（送風機變頻運行），車站隧道軌行區兩端的排熱風機各開啟1臺（工頻）。根據隧道通風系統運行模式表，在冬季運營中，應開啟出站端活塞風孔處的電動風閥，關閉進站端處風閥，即開啟圖3中的電動風閥1和電動風閥7，關閉電動風閥2和電動風閥6。

       2   車站A、B冬季熱濕環境測試

       為研究車站A、B在活塞風作用下的站內熱濕環境，于2018年1月20日~2018年1月21日和2018年1月22日~2018年1月23日分別對車站A和車站B的站內熱濕環境開展測試，測試參數包括空氣溫度，相對濕度和CO₂濃度。

       2.1   測試儀器與測點布置

       本次測試選用的溫濕度自記儀具體參數如下：溫度量程-20℃~70℃，精度±0.21℃（0℃~50℃）；相對濕度量程15%~95%，精度±3.5%（25%~85%），CO2濃度測試儀參數如下：量程0ppm-4000ppm，精度±40ppm（≤1000ppm），讀數的5%（1000ppm~3000ppm）；溫濕度自記儀的記錄間隔設定為10s，CO₂濃度測試儀的記錄間隔設定為30s。

       在車站的站廳層、站臺層、出入口以及區間隧道內分別布置了溫濕度測點，由于儀器的布置不能影響乘客的正常出行，故在車站公共區將其吊裝在天花板下，距離天花板約30cm，為保證測量的準確性，布置時遠離了燈具及出風口；在區間隧道內，將其布置在檢修通道旁的管道支架上；站廳層的二氧化碳測點布置在自動售票機后方，站臺層布置在三角機房旁，儀器距地高度為1.2m。兩車站的測點布置示意圖見圖3。

圖3   車站溫濕度測點布置示意圖

       測點1~6位于站臺層，7~8位于區間隧道內，9~11位于站廳層，12~14分別位于出入口1~3內，室外溫濕度測點布置在活塞風井出口背陰處。區間隧道內的測點布置在從車站A至車站B的隧道一側，其中7號測點靠近車站A，8號測點約在兩車站中間位置。

       2.2   測試工況及安排

       車站B的一側設置有渡線，兩隧道間相互連通，在實際測試中，將其另一側的活塞風孔處的電動閥門（即圖2中車站B內的電動閥門1和2）開啟，利用活塞風孔實現另一側隧道的連通，其他閥門的開閉狀態保持日常運行狀態。

       根據送風機、排熱風機的啟停狀況不同，每個車站進行3個工況的測試，具體的測試工況及相應的工況說明見下表。

表1   測試工況及說明

       3   測試結果分析

       3.1   車站不同區域熱濕環境對比分析

       工況1及工況3分別是車站A、B目前冬季運營時環控系統的運行方案，故取兩次測試數據來研究當前車站的熱濕環境。

       在工況1和工況3的測試期間，室外空氣溫度平均值分別為16.7℃，17.4℃。車站A在工況1下，站臺層，站廳層，出入口通道的平均溫度分別為20.4℃，19.0℃，18.3℃，波動范圍分別為19.6℃~20.8℃，17.8℃~19.9℃，16.3℃~19.6℃，平均相對濕度分別為35%，29%，30%；車站B在工況3下，站臺層，站廳層，出入口通道的平均溫度分別為20.0℃，19.3℃，18.7℃，分別處于19.5℃~20.5℃，18.0℃~20.0℃，17.0℃~19.6℃范圍內，平均相對濕度分別為36%，32%，31%。可以看出，溫度分布均符合站臺層＞站廳層＞出入口通道的特點，具體的溫度分布見圖4和圖5。

       根據圖4、圖5可知，由于冬季室外空氣溫度較低，站廳層與外界通過出入口連接，換氣量較大，故空氣溫度相對較低，出入口的分布不均導致站廳層不同位置空氣溫度相差較大，出入口數量多的一側溫度較低；由于人員集中，列車剎車散熱等原因，站臺層的溫度相對較高，且較為穩定；出入口與室外相連，列車的進出站導致站廳內空氣與室外空氣通過出入口通道進行交換，故出入口通道內的空氣溫度變化較大，且數值上為所有區域中最低的。

      

圖4   車站A工況1不同區域的空氣溫度與相對濕度

      

圖5   車站B工況3不同區域的空氣溫度與相對濕度

       工況1與工況3期間，區間隧道內測點7、8的溫度變化見圖6。

（a）工況1	（b）工況3

圖6   工況1和工況3期間測點7、8的溫度變化情況

       由圖6可見，相較于車站公共區域，區間隧道內的空氣溫度變化較小。在工況1，測點7的平均溫度為19.0℃，測點8為18.9℃；工況3測點7的平均溫度為18.9℃，測點8的平均溫度為18.9℃。

       3.2   不同工況下車站熱環境的對比分析

       在冬季，由于室外氣溫較低，車站的環控系統的主要目的是為乘客提供新鮮空氣以及防止隧道內空氣溫度超標^{[4, 7]}，而列車的運動會使室內外空氣不斷交換，尤其在昆明地區，站臺屏蔽門采用半高屏蔽門，上方的縫隙使得活塞風作用更加明顯，通過對比關閉機械通風系統前后車站內的熱濕環境，可初步確定活塞風帶來的空氣交換是否能滿足站內需要。為了方便處理，對所采集的溫濕度、CO₂數據每5min取一次平均，并按照不同區域（站臺層、站廳層、出入口）取平均，車站A、B不同區域在不同工況下的空氣溫度變化情況見圖7。工況1~工況4測試期間，室外空氣溫度的均值分別為16.7℃，15.5℃，17.4℃，17.7℃。

（a）車站A	（b）車站B

圖7   車站A、B不同工況下不同區域的空氣溫度變化

       由圖7可知，在關閉車站A的送風系統、排熱系統后，站臺層、站廳層的空氣溫度均有所上升，其中站廳層上升最高，平均溫度從19.0℃上升至19.8℃，其次是站臺層，從20.4℃上升至20.7℃，出入口通道內的空氣溫度變化不明顯；而工況3和工況4的對比可以看出，車站B在關閉機械通風系統后，各區域的溫度均有所上升，站臺層平均溫度從20.0℃上升至20.2℃，站廳層平均溫度從19.3℃上升至19.8℃，出入口通道從18.7℃上升至19.3℃。由此可見，在關閉車站的機械通風系統后，車站公共區域的空氣溫度上升幅度很小，基本在1.0℃以內。由于區間隧道內的測點布置在從車站A到車站B的隧道一側，故其溫度變化受車站A環控系統變化的影響較大，工況1和工況2測點7、8的溫度變化情況見圖8。

圖8   工況1和工況2期間測點7、8的溫度變化情況

       在工況1測試期間，測點7、8的平均溫度分別為19.0℃，18.9℃，在關閉車站的機械通風系統后，即工況2期間，兩點的平均溫度分別上升0.2℃，0.5℃。

       車站內的CO2濃度可作為新風量是否滿足需求的標志，車站公共區的CO₂日平均濃度應低于1500ppm[6]。車站A在工況1期間，站臺層的CO₂平均濃度為442ppm，站廳層為406ppm，工況2期間，站臺層為487ppm，站廳層為481ppm；而車站B在工況3期間站臺層CO₂平均濃度為452ppm，站廳層為449ppm，工況4期間，站臺層為473ppm，站廳層為482ppm。可見，在車站A，站臺層的CO₂濃度高于站廳層，在開啟機械通風系統的工況1更明顯，而在車站B，站臺與站廳的CO₂濃度相差不大。

       通過對比不同工況下車站公共區的CO₂濃度變化情況可知，在關閉車站送風系統以及排熱系統后，車站公共區CO₂濃度有小幅上升，上升幅度在20~80ppm之間，但均未超過規范要求的1500ppm。

       4   結論

       昆明地區地鐵站多采用半高屏蔽門，環控系統采用開式系統。由于車站目前處于運行初期，不同的運行工況將導致能耗的巨大差異，于2018年1月對兩個地鐵站的熱濕環境進行現場實測，測試結果表明：

     （1）在目前運營方式下，車站A站臺層、站廳層的平均溫度分別為20.4℃，19.0℃，平均相對濕度為35%，29%；車站B站臺層、站廳層的平均溫度分別為20.0℃，19.3℃，平均相對濕度為36%，32%。溫度分布均符合站臺層高于站廳層高于出入口通道的特點，且出入口通道的空氣溫度變化最大，站臺層變化最小。

     （2）在關閉兩車站的機械通風系統后，車站內不同區域的空氣溫度有小幅上升，車站A的站廳層從19.0℃提高至19.8℃，站臺層從20.4℃提高至20.7℃，出入口通道的空氣溫度變化不明顯；車站B的站臺層從20.0℃提高至20.2℃，站廳層從19.3℃提高至19.8℃，出入口通道從18.7℃提高至19.3℃；隧道內的空氣溫度升幅在1.0℃以內；車站公共區CO2濃度升幅在100ppm以內，未超過規范要求。在當前運營水平下，可間歇運行車站的機械通風系統，既不會導致車站公共區的溫度失控，又能最大程度降低運行能耗。

參考文獻

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注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年10月刊總第26期。
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