地铁通风空调“复合式系统”研究
发布时间：2014-04-29 15:50:39 编辑：wwxianlong
本文摘要：——中铁二院工程集团教授级高工钟星灿
——中铁二院工程集团教授级高工钟星灿
中铁二院工程集团教授级高工钟星灿
1、概述
工程建设中，相对稳定的设计方案称为系统模式。
对于地铁通风空调系统，以地铁站台与隧道之间有无（屏蔽门）隔离为实质性的分界点，分为"屏蔽门系统"和"闭式系统"（非屏蔽门系统）；也是当今国内地铁界普遍认同的两种稳定成熟的通风空调系统技术方案。
由于两种模式各具其优劣，不同地区总是在结合当地情况进行系统模式的比选，以折其优而选用。
实际工程应用中，早期方案不确定因素较多，比较也是相对的，从而存在不同的技术见解并不鲜见。
倘若一种系统模式可以兼取两种"模式"之长，则具体地铁工程的技术方案选择可以有效地避免早期方案决策的困难。
所谓"复合式系统"，即在夏季，地铁通风空调以不折不扣的"屏蔽门系统"模式运行；而在其他季节，以接近"闭式系统"模式运行。由于兼有"屏蔽门系统"和"闭式系统"的技术特征，权且称其为"复合式系统"。
2、技术背景
针对不同技术方案的选择与优化，是工程建设中一个正常的自然过程，对于地铁工程也并无例外。"屏蔽门系统"和"闭式系统"在实际应用中，两种系统模式各有其典型的（南、北）地域代表性。实际上，在疆域辽阔国土上，大部分城市处于过渡地带，所处地域并无典型代表性。因此，通过技术经济的比较，从既有的系统模式中选择一种相对优势的模式，是多年来常见的实际工程现象。
但是，比较过程总是相对的，甚至在某些地区，两种模式的比较结果可能并无明显差异；尚若再考虑比较过程的复杂性及人为主观因素，依然不能轻易断定最终所选择的方案一定是最优技术方案。
然而，工程的时间价值与技术方案的优选，皆有不可偏废的重要性。因此，努力探索一种新的技术方案，以期兼取两种模式的技术优势，对大部分处于过渡地带的城市地铁而言，具有更广泛的适应性。
3、系统模式比较的要素分析
工程技术方案的分析比较，需要考察其技术性和经济性两个方面。对于我们讨论的"屏蔽门系统"与"闭式系统"，虽然其技术特征客观上存在着一定的差异，但其两者的基本功能、安全性及可靠性，皆历经长期应用实践的检验，证明其技术性皆能满足工程的需求。因此，针对不同系统的经济性分析，实际上即成为技术方案比较取舍的关键。
在经济性分析中，设计方案的初期投资和未来系统运行成本通常是人们关注的基本内容。
3.1关于初期投资
地下环境中，一个可以完全独立运行的通风空调技术方案，其系统的构成并不能简单视为专业设备的组合。由于不同系统模式的设备配备规模不同，其占用地下建筑的空间尺度也不同，在地下建筑空间造价显然高于地面的前提下，与之相应的建筑投资需要纳入方案的经济性分析中。与此同时，专业设备规模的不同，也使得相应的配套供电规模随之改变。鉴于其改变的程度不容忽视，也是需要在方案的经济性分析中给与足够的重视。
因此，我们将一个地铁车站通风空调系统技术方案的初期投资分析，简约地归结为三要素，即：
A 专业设备购置费。
B 相关地下建筑投资。
C 配套供电设施投资。
虽然仅此不能完整精准的反映不同技术方案的初期投资，但作为其中重要的因素，可以为经济性分析提供有价值的参考。
3.2影响运行成本的相关因素
客观上，不同的通风空调系统技术方案，其运行成本也不同。我们所讨论的运行成本主要是指通风空调设备运行的电力消耗；虽然其它因素对运行成本的影响依然存在，但由于其影响的程度相对较小，故不作为要素参与运行成本分析。
值得注意的是，两个不同系统模式的电耗比较，并不是简单地对比其装机容量。事实上，系统不同的负荷特征、选用不同的系统设备构成；不同的室外气象条件环境、不同场合的运行时间需求，甚至采用不同的运行策略等诸多因素，都将对系统运行的实际能耗产生必然的影响。
首先，通常设备装机配电的额定功率并非设备实际的运行功率，设备实际最大耗电功率仅仅是其设计轴功率。同样地，对于一个系统而言，所有实际运行的设备，并非总是处在最高设计负荷的状态下，其日常实际负荷的平均状态（或平均负荷率），才是设备运行真实的功率体现。
显然，设备实际的电耗总是与其运行时间有关。单台设备的实际运行时间，我们可以具体对应于每个工作日的运行小时，或者具体到每个月、每个季度，甚至全年。但是，组成系统中，各设备皆以其工况的需求而运行。因此，需要依据系统的运行工况，逐一对应各台设备的具体运行时段，方能获得相对实际的运行成本。
实际上，地铁通风空调系统并不是只有单一的运行工况，且影响运行工况切换的因素也不唯一。其中最为典型的是，系统的空调工况与其它运行工况的切换。由于仅在空调工况下运行的相关制冷设备，通常是系统的耗电大户；因此，准确地判断系统空调期起始与终止的界点，有助于提高于运行成本分析的合理性。
对于尚未实际运行的技术方案，客观上影响系统运行成本因素也难穷其所有。综上分析，以影响程度相对较重的因素为其要素：
A 系统设备实际的运行功率，需考虑设备设计轴功率与平均负荷率。
B 依据系统的运行工况，对应各设备的运行时间。
C系统空调期的确定（外界气象环境、设计标准、内部负荷特征、系统模式、设备配置等诸因素，都将影响分析对象的实际空调期）。
两个技术方案的优劣比较，要素分析是一种力图接近客观事实的技术手段。尽管不同系统模式的经济性比较手段并不唯一（比如：计算机模拟、实测对比等），但对方案构成要素的重视却是相似的。只有通过接近客观事实的方案比较，才能为系统模式选择提供有价值的参考依据。
3.3地铁空调期与系统能耗
3.3.1 空调期问题
通风空调系统设备中，与制冷相关的设施无疑是地铁的能耗大户，运行持续时间越长，代价越大。工程中选择何种系统模式，通常以其初期投资和常年运行能耗的综合效果为判断标准，对于地铁而言，尤以常年运行能耗所占的比例更大。于是，对于地铁通风空调系统，其年度空调期的确定，即成为影响设计方案能耗的核心要素。
作为人们普遍认同事实，夏季室外温湿度（tw，φw）越高，持续时间越长，则每年空调设施需要运行的时间相对越长。因此，容易认可年空调期是关于室外温湿度（tw，φw）函数。
同样的，建筑室内环境温湿度标准（tn，φn）不同，甚至设计新风量标准（Ln）不同，则导致系统承担的负荷不同。即使是最不利条件下配置的系统设备，在室外环境相同的情况下，标准要求高的环境将更早进入空调期而滞后结束。故空调期也是关于（tn，φn，Ln）的函数。
也容易理解建筑室内环境热负荷（Qn）与空调期的关系。在相同室外气象条件、相同的设计室内换气次数的情况下，对于热负荷较高的环境，系统通风运行要求的室外温湿度更低。从而，系统空调期必将提前开始且延迟结束。显然，空调期与室内环境热负荷（Qn）必然相关。
容易忽略的是，通风空调系统设备配置（Pn）与空调期的关系。同样的气象条件，如果通风空调系统配置的通风设备不足，系统为了满足室内环境要求而被迫运行空调；相应地，如果系统配置的通风设备足够充分（换言之，可以为室内环境提供更大的换气次数），以通风方式维持室内环境要求的持续时间更长，则每年空调运行的时间则必然更短。因此，可以认定，系统设备配置（Pn）与空调期之间存在不可割裂的相关关系。
虽然与空调期关联的因数并不止于此，但大多可以归属于上述的大类。例如，地铁环境中，出行客流密度、单位小时的行车对数等，都将影响地铁的空调期，但可以归属于建筑室内环境热负荷（Qn）与空调期的关系；地铁通风空调系统模式的选择不同，其空调期不同，也可以归属于通风空调系统设备配置（Pn）与空调期的关系。相似地，所处地域不同，可以归属于室外气象参数的不同；凡此等等，不一而足。
由此，可以认为，空调期是关于室外温湿度、室内温湿度标准、新风量标准、室内环境热负荷、系统设备配置的函数。即
空调期： qk=f（tw，φw， tn，φn，Ln， Qn ，Pn）
通过空调期影响因数的分析，具体工程的系统空调期定位更为准确可靠。而当空调期得以比较准确的确定后，系统运行能耗才具有分析的基础。
3.3.2系统能耗分析
之所以重视空调期的准确定位，是因为系统在空调期间能耗最大。但是，泛称的系统能耗通常是指一个常年运行的综合概念。因此，需要纵观全年的运行情况才能获得有实际意义的年度系统能耗。惟此基础之上，不同系统模式的能耗才有可以分析比较的实质。
相对于空调期的概念，通风空调系统的全年非空调时段皆视为"通风期"（qt），且"通风期"与 "空调期"对应年度闭合。
类似的影响因数问题，空调期与通风期之间分界，与系统设备配置（Pn）的关系最为密切。考察系统能耗时，"通风期"阶段的能耗是不可缺省。
有了年度空调期与通风期的基本定位，在与之对应时段的系统设备运行功率（Nt）确定的情况下，一个具体工程的设计系统年度能耗就容易确定了。尚若简单直观的描述，拟可表达为
系统能耗= f（qk，Nt∈qk）+ f（qt，Nt∈qt）
值得提及的是，对于一个工程实际选用的系统模式，并不因年"空调期"长，而年度能耗必然就高。例如，南方地区应用的"屏蔽门系统"，其实际空调期虽然很长，但在本地区，与采用"闭式系统"相比，则其年度运行能耗却更低。类似的，也不会单纯地因为系统配备功率较大，其系统年度能耗必然就大。北方城市地铁常用的"闭式系统"，其系统配备功率比采用其它系统模式更大，但其空调期短，而通风期却很长，故对于当地而言，年度能耗比之采用"屏蔽门系统"更省。
因此，国内地铁通风空调系统的实际应用，其地域特征尤为明显。"南屏北闭"的系统模式，成为国内地铁界实际应用的典型代表。
对于众多处于过渡地带的地区城市，既无典型的地域气象特征，也无代表性的系统模式。因此，研究从工程实例出发，按照空调期与系统能耗分析的基本方法，通过计算机模拟的技术手段，以具体量化分析的方式，探寻适合于具体工程特性的技术方案。
4、运行能耗模拟
4.1模拟模型建立
SES是地铁界通风空调系统运行模拟比较流行的软件。虽然该软件是一种流体模型的模拟软件，但其模拟涉及热工内容，可以满足系统能耗的模拟要求，故作为能耗模拟主要应用软件。
由于该软件是一维的，也有并不尽如人意之处。系统模型中，流体改变运动状态时，需要确定不同的阻力系数。由于流态改变的过程形式呈多样性，多种方式给出的阻力系数都也仅仅是一个相对的，不可能准确的反映流体运动改变。
为了解决一维流体模拟有关的阻力系数，研究采用了FLUENT软件建立三维地铁车站隧道的模型。通过三维软件模拟的流体运动，获得地铁车站隧道各个节点分支的流体分配情况。
在三维模型中，由于没有介入人为设定的阻力系数，各个节点分支的流量分配更接近真实的情况。当节点分支之间流量分配的比例得以确定之后，即可以用作为一维软件的阻力系数，可以有效地提高一维软件模拟运行准确性，使得系统能耗的模拟研究得以快速顺利的进行。
4.2 系统能耗模拟
研究工作根据工程所在地（青岛）的气象资料（图3，最近连续六年逐时温度和相对湿度的平均值），地铁客流预测资料与设计列车行车计划等相关具体情况，对"闭式系统"、"屏蔽门系统"以及"复合式系统"，分别进行了全年各个时段的逐时能耗模拟。
对于任一系统模式的运行模拟，其基本准则是：在满足地铁环境相关空气质量标准及卫生标准的前提下，在不同的时段皆以最经济的方式运行设备，力图不同系统模式的全年运行能耗为最低。
以下表1~3是关于该工程不同系统模式的模拟结果。
能耗模拟中，系统设备运行虽然不可能完全理想化（按照最优节能理念运行），但根据不同系统的设备配置，结合室外气象及站内负荷的变化情况，针对全年不同时段，分时段进行了有条件的阶段设备运行调整，使得模拟结果更趋近于实际，以期增强不同技术方案之间能耗情况的可比性。
4.3模式能耗分析
设计地铁工程案例的能耗模拟结果，分别显示了该工程采用三种不同系统模式能耗情况概貌。
图2、图3简约地表现了这三种系统模式技术方案比较情况。
容易看出，对于不同模式而言地铁空调期持续时间 ：屏蔽门系统＞复合式系统＞闭式系统
空调期能耗量： 屏蔽门系统＞闭式系统＞复合式系统
全年能耗： 屏蔽门系统＞闭式系统＞复合式系统
因此，对于这个具体地铁工程而言，"复合式系统"运行能耗为最低。
如果将"复合式系统"与"屏蔽门系统"相比，由于"复合式系统"设备配置与其完全相同，夏季空调期部分重合；不同的是，"复合式系统"有条件开启通风窗，利用隧道列车运动的活塞通风效果，从而缩短了空调期，并在通风季节依然保持节能的优势。
对于"闭式系统"，由于其通风设备配置不同，通风能力更强，在相应的室外温湿度环境条件下，可以更有效地缩短空调期；但是，"复合式系统"在夏季空调期的节能优势显着，同时又具有条件兼取"闭式系统"利用隧道运动列车的活塞通风效果的优势，从而，全年综合能耗仍以"复合式系统"更优。
鉴于分析对象工程所处地理位置相对偏北，模拟结果表现出北方地区特征。
为了考察偏于南方的情况，根据有关贵阳地铁的情况，研究进行了类似的能耗分析。其概略结果如图4所示。容易发现，贵阳虽不能作为南方城市的代表，但其中比较典型的南方特征已经凸显。就节能意义而言，"屏蔽门系统"显然优势于"闭式系统"，而"复合式系统"依然为最优。
显然，在分别偏于南北两个城市的能耗模拟分析中，"复合式系统"全年能耗始终最低。这种情况表明两点，其一，该系统模式两种兼有其他两种模式的技术特征和优势；其二，从南到北， "复合式系统"具有广泛的适应性和节能的经济性。
显然，在分别偏于南北两个城市的能耗模拟分析中，"复合式系统"全年能耗始终最低。这种情况表明两点，其一，该系统模式两种兼有其他两种模式的技术特征和优势；其二，从南到北， "复合式系统"具有广泛的适应性和节能的经济性。
从初期投资的角度考察不同系统模式，由于"闭式系统"承担的空调负荷通常是"屏蔽门系统"2~3倍，其设备及其配套设施的投资也在1。3~1。8倍之间。因地域环境和其他因素，同一系统方案的初期投资可以略有不同，但不同系统方案的初期投资的差异却是显着的。
"复合式系统"的夏季运行方式相同，其设备及其配套设施的投资也与"屏蔽门系统"一致。从而在初期投资成本的比较中，"复合式系统"与"屏蔽门系统"皆优于"闭式系统"。
因此，"复合式系统"作为地铁通风空调系统一种应用系统模式，不失为一种可供选择的技术方案。
5、配套设备研发
出于地铁复合式通风空调系统的应用需求，站台设置屏蔽门，而在其上方约500mm高的断面，设置可启闭的通风窗。容易考虑的传统技术措施，是采用常用的钢制百叶风阀。
虽然这种技术措施可以完成站台通风窗的基本功能，但其外观效果差强人意，对于出行客流密度较大的地铁环境，这种外观形式有待改善。同时，研究认为，在列车进人和驶离车站时，活塞效应造成通过气流，对于开启的状态的钢制百叶风阀，其金属叶片容易因此产生颤动噪声，对环境造成不利的影响。
因此，针对性的研发了一种替代产品有其实际意义。
幕帘风阀（2）产品以不燃柔性材料取代钢制百叶风阀叶片，以此作为切断通风路径的主体。该阀启闭功能通过设在边框内部的卷轴实现，并可以实现自动和手动。本产品的技术特征是，幕帘关闭在状态下，依靠设在阀体前后的格栅承受风压；幕帘运动在前后的格栅之间狭小的空间中，完成启闭通风窗的基本功能。
由于幕帘风阀的柔性材料是一个整体部件，其密闭效果优于钢制百叶风阀。在风压的作用下，柔性材料依托前后刚性格栅承压时，位移运动距离极小，且柔性材料与其他材料接触时，产生的接触声效甚微。鉴于柔性材料位移小、声效微的综合效果，其降噪作用优于传统百叶风阀。
幕帘风阀的前后格栅，可以根据人为的需求做成相应铁艺图案，从而有利于装饰外观的美化，为地铁客流提供一个良好的出行环境。
6、结语
复合式通风空调系统是地铁建设工程中一种有别于传统模式的节能技术方案。对于系统模式的初步探索及产品研发，期望有助于地铁通风空调系统的运行节能，并为国内南北过渡地带的地区，提供一个经济实用的节能技术方案。
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