齐江浩，赵蕾，王君，李德辉，郭永桢，邓保顺

( 1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)



西安地铁车站环境实测及公共区空调负荷计算分析

齐江浩1，赵蕾1，王君2，李德辉3，郭永桢3，邓保顺3

( 1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

摘要:基于对西安地铁2号线纬一街站车站公共区、站台隧道、活塞风井、排热风道和室外空气的温度和相对湿度的逐时监测，通过负荷计算及理论分析车站公共区空调负荷逐时变化规律并提出负荷计算建议。通常负荷计算中是按照规范中的规定，以晚高峰为基础取定常值。研究结果表明：虽然早高峰温度低但相对湿度大，加之早高峰客流量常常大于晚高峰，致使地铁实际运营中车站公共早高峰空调负荷时常大于晚高峰。建议空调负荷计算中综合考虑早晚高峰的峰值负荷。

关键词：西安地铁；测试；早高峰；晚高峰；逐时负荷

城市轨道交通具有准时、安全、卫生、便捷和舒适等优点，近年来发展迅速。不仅在北京、上海、广州、深圳等一线城市掀起了建设地铁的热潮，在长沙、武汉、郑州、杭州和西安等二线城市，地铁建设也在如火如荼地进行。地铁能够降低地面噪声，减少城市污染，改善地面交通状况，具有良好的经济效益和社会效益。然而，地铁环控能耗占地铁整个运营能耗的比例大，甚至超过了列车牵引能耗，这成为人们关注的热点问题。针对地铁车站公共区热负荷的研究对空调设备的选型和满足环境控制要求下节能控制运行至关重要。徐波等[1-4]均对公共区热负荷进行研究，但大都针对非屏蔽门系统，且新风焓值均按规范规定的常量取值，即取固定新风焓值，并未考虑室外新风焓值的逐时变化。西安地铁2号线全线采用屏蔽门系统，为西安地铁首条开工和运营的线路，北起位于未央区的北客站，南至位于长安区的韦曲南站。西安建筑科技大学联合中铁第一勘察设计集团有限公司于2013-08～2014-11对2号线有代表性的纬一街站、市图书馆站、钟楼站的区间隧道、站台隧道、公共区及活塞风道和风井出入口的空气温湿度进行了监测。通过监测更清晰地了解了地铁各部分环境状况，为其他地铁环控设备选型和控制提供参考。

1测试方案

1.1测试仪器

测试选用具有温度及相对湿度测量功能的testo175H1数据记录仪。该仪器外形尺寸为149mm×53mm×27mm，可存储高达1百万组数据，电池寿命长达3a，可实现长时间连续监测。温度监测范围为-20～55 ℃，测量精度为±0.4 ℃，分辨率为0.1 ℃。电容式湿度传感器的测量范围为0～100%，测量精度为±2%，分辨率为0.1%。该仪器由尖端技术设计而成，具有最高级别的数据安全性以及测量可靠性。

1.2车站参数及测试方案

以纬一街站为研究对象，纬一街站是西安地铁2号线第16座车站，南侧为会展中心站，北侧为小寨站，为明挖地下2层岛式车站，车站全长179.6m，标准段宽度18.5m，有效站台长度120m，岛式站台宽为10m。站厅层公共区面积1 297m2，站台层公共区面积1 020m2。在车站南、北端地面上分设有1座区间隧道活塞机械风亭，1座新风亭和1座排风亭。2号线列车为6节编组，车内空调由列车顶部车载空调器提供。本站远期2036年运营晚高峰小时客流量13 422人次/h。

测试过程中在纬一街站取18个测点布置仪器，分别在活塞风井出口处、排热风机入口处、站台隧道轨行区、区间隧道活塞风孔附近、区间隧道中间联络通道处及站厅站台公共区。测点具体布置情况如表1和图1所示。仪器的采样记录周期为20min，从2013-08-03的0∶33∶44～2014-11-13的15∶13∶44不间断地对测点温度及相对湿度进行监测。

2纬一街站公共区逐时热负荷分析计算

配有屏蔽门系统的地铁车站公共区空调负荷主要由以下几部分组成：车站照明及设备负荷、人员负荷、壁面吸放热所增减的负荷、出入口渗透负荷、新风负荷、屏蔽门开启时对流换热与屏蔽门传热负荷等[5]。

在地铁车站空调负荷计算中大都按照《地铁设计规范》中的规定，即夏季空调室外空气计算干球温度采用近20a晚高峰负荷时平均不保证30h的干球温度[6]，夏季空调室外空气计算湿球温度采用20a夏季晚高峰负荷时平均每年不保证30h的湿球温度。目前地铁设计中常以地铁晚高峰客流和新风参数作为车站设计空调负荷的基础，即认为车站空调负荷最高点总出现在晚高峰。地铁的新风焓值常按规范中确定的固定数值取值，即按常量计算，并未考虑室外新风及隧道内空气焓值的逐时变化。

表1　测点布置

注：图中1，2，3和4为活塞风孔。排热风道WT-TH2和4测点及区间隧道中间联络通道测点WT-TH11和12，15，16未在图中标注。图1　车站测点平面布置图Fig.1 Plain layout of station gauging point

取测试中的2014-08-01～08-05为5个典型日进行车站公共区负荷计算分析，此过程中公共区通风空调系统正处在最小新风工况运行，即新风量按12.6m3/h·人计算，且空调系统新风量不小于总风量的10%[7]。各项负荷计算如下。

2.1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。根据各设备的负荷及设备效率可直接计算出车站设备发热量[8]。

车站站厅和站台照明密度为：13W/m2；垂直电梯：7kW/台；自动扶梯：15kW/台；广告灯箱：30kW/站(站厅)，20kW/站(站台)；自动检票机：500W/台。

2.2人员负荷

人员散热有显热和潜热两种形式，其中潜热量直接转化为热负荷，而显热量一部分以对流方式散发到室内，计入瞬时冷负荷，另外一部分以辐射方式散发至室内。

由于乘客在车站滞留的时间不同，这部分负荷实际是动态负荷，准确计算困难。上车时乘客从地面进入地铁站厅、站台候车、直至进入地铁车厢，全过程大致需要3～5min，下车乘客经车站站台、站厅直至地面，约需3min。这一过程的平均时间与列车行车计划相关，客流量确定之后还需考虑适当的群集系数[9]，车站人员散热量计算如(1)式：

(1)

式中：q为站台人员散热指标，W/人；nmax为站台高峰客流量，人/h；n′为群集系数，取0.9；m为客流密度系数，如表2[2，10]； T为每位乘客在公共区停留的时间，min。

人员散热指标按轻度劳动人员计算，取182W/人。本站远期2 036a运营晚高峰小时客流量13 422人次/h。乘客上车时在站厅停留3min，站台停留2min，下车时站台停留1.5min，站厅停留1.5min[11]。

2.3围护结构负荷

围护结构与空气接触面积很大，蓄热能力很强。围护结构内的传热过程是一个以1a为周期的缓慢的不稳定传热过程，热惯性非常大。当围护结构不断被加热升温时，隧道内并不觉得热，而当隧道内感觉出过热时，整个围护结构内己经积蓄了大量的热，不得不追加大量的财力物力，采取降温措施，以维持系统正常运营。

对于配有屏蔽门系统的车站空调负荷而言，土壤传热所占的比例甚微，基本可以忽略不计[12]。

表2　各时刻的客流密度系数

2.4出入口渗透负荷

出入口渗透换热量按面积指标进行概算[13]，取200W/m2。纬一街站共设有4个出口，每个出口尺寸宽×高为6.2m×2.5m。

2.5新风负荷

计算公式如下：

Qh=ρV(iw-in)

(2)

式中：ρ为新风密度，取1.29kg/m3；V为新风量，m3/s；iw为室外空气焓值，kJ/kg； in为室内空气焓值，kJ/kg。

其中新风量为

V=12.6nmaxm

(3)

新风量随着客流变化而逐时变化[14]。

2.5.1室内外空气状态及逐时焓差

测试中WY-TH01和WY-TH03测点测得车站左右两端活塞风井出口处的温度和相对湿度。根据测试数据取2测点的均值作为室外空气焓值的逐时变化值。室内空气状态根据站厅公共区WY-TH17和站台公共区WY-TH18测点确定。08-01～08-05室外空气相对湿度变化如图2(a)所示，车站公共区空气相对湿度如图2(b)所示，室内外空气逐时焓差如图2(c)所示。

(a)室外空气相对湿度；(b)车站公共区相对湿度(c)室内外逐时焓差图2　室外相对湿度及室内外焓值Fig.2 Relative humidity and enthalpy difference of outdoor and indoor air

车站公共区空气相对湿度及焓值变化幅度小，室内空气焓值随着客流变化在62.92～67.56kJ/kg范围内波动。

从图2可看出，纬一街站测试阶段室外空气焓值最高值出现在15∶00，为116.06kJ/kg，最小值出现在24∶00，为68.12kJ/kg，变化幅度大。另外，虽然晚高峰室外温度高，但室外空气相对湿度比早高峰低很多。根据测试，纬一街站晚高峰室外温度比早高峰高7.38 ℃左右，在此基础上08-01晚高峰室内外焓差仍出现了小于早高峰的情况。在一些昼夜温差小，晚高峰与早高峰室外温度差异比西安小的城市，实际运营中其早高峰新风负荷要高于晚高峰，如郑晋丽[16]对上海地铁的监测发现早高峰新风负荷高于晚高峰。

2.6屏蔽门开启时对流换热量与传热量

隧道内列车运行产热、车厢冷凝器散热及广告牌等其他设备产热使隧道温度高于站台，列车停站时屏蔽门开启站内与隧道冷热空气对流换热。另外，通过屏蔽门传热也会使车站冷负荷增加。

屏蔽门开启时对流换热量计算公式[16]如下：

Qd=ρVd(ih-in)

(4)

式中：ρ为活塞风密度，取1.29kg/m3；Vd为屏蔽门开启对流风量，按5～10m3/s估算其漏风量；ih为隧道活塞风焓值，kJ/kg； in为站台区域空气焓值，kJ/kg。

屏蔽门传热量计算如下：

Q=KFΔt

(5)

式中：K为屏蔽门传热系数，取14W/m2·K； F为屏蔽门面积，(屏蔽门高4m，长113m，共2排)； △t为隧道区与站台区温度差。

其中，WY-TH06测点位于站台层下行线有效站台中部轨行区，WY-TH08测点位于站台层上行线有效站台中部轨行区，2测点的监测数据可有效表征隧道活塞风焓值逐时变化情况。

08-01～08-05站台隧道内空气温度逐时变化如图3(a)所示，隧道内空气相对湿度逐时变化如图3(b)，隧道内空气焓值逐时变化如图3(c)所示。

站台隧道环境相对封闭，隧道温度及相对湿度变化较小，温度在26.85～28.18 ℃范围内波动，相对湿度在72.75%～83.32%范围内波动，焓值在71～79.12kJ/kg范围内波动。

(a)站台隧道温度逐时变化；(b)站台隧道内相对湿度；(c)站台隧道空气焓值变化图3　站台隧道空气温度、相对湿度及焓值逐时变化Fig.3 Hourly change of station tunnel’s temperature, relative humidity and enthalpy

2.7纬一街站公共区空调逐时热负荷

根据测试数据，通过理论计算，纬一街站车站照明及设备负荷为112.12kW，出入口渗透负荷为12.4kW。两者相对恒定，测试中不随时间及客流量的变化而变化。人员负荷随着客流量的变化逐时变化，在早高峰8∶00时达到最大值，为146.57kW。

以5个典型日的平均值来看，新风负荷随着室外和车站公共区焓值的变化而逐时变化，最大值为133.18kW。屏蔽门开启时对流换热负荷与屏蔽门传热负荷也随列车运行及公共区焓值变化而逐时变化，最大值出现在10∶00，为126.54kW。

纬一街站公共区空调负荷组成如图4所示，负荷逐时变化情况如表3所示。

从表3可知，公共区空调负荷最大值出现在早高峰8∶00，为504.8kW，而晚高峰18∶00相对较小，为477.9kW。由此可知，在车站公共区空调负荷计算得过程中，仅以晚高峰负荷为计算依据有些偏颇，需要结合早高峰及晚高峰负荷综合考虑。

图4　负荷分布图Fig.4 Distribution map of load

Table 3 Hourly air-conditioning load of the public zone of Wei Street StationkW

3结论

1)地铁车站公共区空调负荷中的照明及设备负荷、出入口渗透负荷实时变化较小，而人员负荷、新风负荷、屏蔽门开启时对流换热与屏蔽门传热负荷则随着列车行车对数、客流量的变化而逐时变化，波动较大。

2)虽然早高峰室外温度低但空气相对湿度大，在所测地早晚高峰温差达7.38℃的情况下仍出现08-01早高峰8∶00室外空气焓值比晚高峰19∶00高3.05kJ/kg。在早晚高峰温度差异小的城市，实际运营中早高峰负荷高于晚高峰。

3)公共区空调负荷中人员负荷和新风负荷如图4中所示所占比例最大。近年一些地方调研表明地铁车站客流峰值大都出现在早高峰，与早高峰新风负荷叠加后，实际中全日高峰负荷一般出现在早高峰，在设计中公共区空调负荷计算时应同时考虑早晚高峰负荷值。

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* 收稿日期：2015-09-15

通讯作者：赵蕾(1971-)，女，陕西西安人，教授，从事地铁活塞风研究；E-mail：1021248669@qq.com

中图分类号：TU834

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1206-06

Field measurement of Xi’an Metro station environment andanalysis of air conditioning load for the public zone

QI Jianghao1，ZHAO Lei1，WANG Jun2，LI Dehui3，GUO Yongzhen3，DENG Baoshun3

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055,China；2.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.，Ltd,Wuhan430063,China；3.ChinaRailwayFirstSurver&DesignInstituteGroupCo.，Ltd,Xi’an710043,China)

Abstract:According to the monitoring data of temp rature and relative humidity of Xi’an Metro line 2 Wei Street Station ( i.e. public zone, station tunnel, piston shaft, heat exhaust duct and externalair), the load of air-conditioning and theoretical analysis are calculated. This paper reveals the hourly change rule of the public zone air-conditioning load,and put forward some suggestions. We calculate the public zone air-conditioning load according to the regulations in design specification,based on evening peak get the constant value.In reality,morning peak’s passenger flow is bigger and the air relative humidity is higher. Then the load of morning peak and evening should be rationally considered in the calculation of public zone air-conditioning load.

Key words:Xi’an Metro Line 2; field measurement; morning peak; evening peak; hourly air-conditioning load