摘? 要：該文針對地鐵與商業(yè)建筑通道氣流往復(fù)流動導(dǎo)致空調(diào)能耗過高的問題，開發(fā)了一種地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT），并獲得了發(fā)明專利授權(quán)。該文對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了理論分析和類比實(shí)驗(yàn)。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BSAFT系統(tǒng)節(jié)能效果好、智能化程度高，在保證地鐵客流高峰期人員的安全通行的情況下可以顯著降低地鐵上蓋商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗，營造高舒適度的室內(nèi)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：地鐵;商業(yè)建筑;連通道;智能控制

中圖分類號：U231? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著國家領(lǐng)導(dǎo)人在巴黎氣候大會上的莊嚴(yán)承諾，我國建筑節(jié)能領(lǐng)域迎來了新的發(fā)展契機(jī)，大量的地鐵上蓋商業(yè)建筑參照LEED、BREEAM或我國綠色建筑星級評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。以中鐵建設(shè)開發(fā)、設(shè)計(jì)、建造并運(yùn)營的蘋果園地鐵交通樞紐商務(wù)區(qū)J地塊——中國鐵建耀中心項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目在立面效果、節(jié)能環(huán)保和物業(yè)運(yùn)營等方面已成為局部標(biāo)志性建筑。然而，由于直接與地鐵連通，地鐵上蓋商業(yè)建筑也存在著設(shè)計(jì)建造難度大、易受地鐵振動影響和能耗較大等問題。在消除地鐵振動影響方面已有大量相關(guān)研究，并提出了改變結(jié)構(gòu)自振頻率避免共振等許多行之有效的方案。但是，在控制地鐵連通道泄露室內(nèi)冷熱風(fēng)、降低地鐵上蓋商業(yè)建筑空調(diào)能耗方面，鮮有研究。該文提出了一種地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT），并對其進(jìn)行理論分析和類比實(shí)驗(yàn)，以證實(shí)其節(jié)能效果和應(yīng)用價(jià)值。

1 地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT）

當(dāng)前，新型地鐵列車經(jīng)過CFD模擬輔助設(shè)計(jì)，風(fēng)阻性能優(yōu)異，且現(xiàn)代地鐵系統(tǒng)的阻塞比和通風(fēng)系統(tǒng)也經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，大部分地鐵線路都安裝了屏蔽門，地鐵活塞風(fēng)現(xiàn)象得到一定程度的緩解。然而，新型列車運(yùn)行的速度和進(jìn)出站頻次也大大提高，屏蔽門頂與站臺頂之間也留有通風(fēng)空間以北京地鐵10號線為例，地鐵站臺空間的活塞風(fēng)效應(yīng)仍然對地鐵站臺和與其連通的地鐵上蓋商業(yè)建筑的空調(diào)舒適度和能耗產(chǎn)生顯著影響。列車進(jìn)站的活塞效應(yīng)造成地鐵站內(nèi)處于正壓狀態(tài)，隧道內(nèi)和地鐵站內(nèi)的氣流會通過連通道進(jìn)入地鐵上蓋建筑。反之，列車出站活塞效應(yīng)會造成地鐵站內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，地鐵上蓋建筑內(nèi)的氣流會通過連通道泄漏入地鐵站內(nèi)。而在人流密度大的各大城市，地鐵雙向進(jìn)出站最小間隔可達(dá)45 s。與地鐵相通的地鐵上蓋建筑會隨著列車的進(jìn)出站頻繁受到氣流往復(fù)干擾，導(dǎo)致2個(gè)問題。1）地鐵上蓋建筑連通道附近黃金商業(yè)區(qū)域的空調(diào)效果無法保證，過冷或過熱的高速氣流往復(fù)擾動，降低了室內(nèi)舒適度，嚴(yán)重影響了商業(yè)區(qū)的環(huán)境舒適度。2）大量地鐵上蓋建筑內(nèi)的空調(diào)冷量或熱量流失，造成地鐵上蓋商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗過高。針對這種情況，筆者開發(fā)了一種地鐵上蓋建筑連通道氣流節(jié)能控制系統(tǒng)（BSAFT）并獲得了發(fā)明專利授權(quán)。

如圖1所示，BSAFT包括電動伸縮門、風(fēng)幕機(jī)、變頻控制器、卷簾門、風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)溫測量儀、系統(tǒng)控制器和壓力傳感地墊等7個(gè)主要部件。BSAFT系統(tǒng)在地鐵上蓋建筑與地鐵的連通道處安裝，智能開閉電動伸縮門和風(fēng)幕機(jī)，減少空調(diào)能量損耗，顯著改變了臨近區(qū)域的環(huán)境溫度。由于地鐵出站、進(jìn)站在上下班高峰期存在瞬間高峰人流，為避免電動伸縮門關(guān)閉時(shí)間與人流高峰時(shí)間重合，該系統(tǒng)設(shè)有壓力傳感地墊測量通過的人員密集度，當(dāng)通過的人員密集度符合高峰期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)控制器發(fā)出指令開啟電動伸縮門，優(yōu)先保證人員安全、快速通行。

BSAFT系統(tǒng)可顯著減少地鐵上蓋建筑物由于地鐵通道氣流損耗的空調(diào)冷量或熱量，保證地鐵連通道附近黃金商業(yè)區(qū)域的空調(diào)效果，并通過間歇和變頻運(yùn)行減少風(fēng)幕機(jī)的運(yùn)行能耗。系統(tǒng)節(jié)能效果好，智能化程度高，在保證地鐵客流高峰期人員的安全通行的情況下可顯著減少空調(diào)系統(tǒng)能耗，并營造高舒適度的室內(nèi)環(huán)境。

2 BSAFT系統(tǒng)節(jié)能理論分析

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)供冷工況下熱力學(xué)效率公式（1）和能源損失公式（2）可見，空調(diào)區(qū)的室內(nèi)溫度tn、送風(fēng)溫度ts和末端送風(fēng)系統(tǒng)的耗功率W直接影響空調(diào)房間空調(diào)的效率。供冷工況下，減少送風(fēng)溫差的同時(shí)降低空調(diào)末端風(fēng)機(jī)能耗，空調(diào)效率提高，能源損失減少。

（1）

（2）

式（1）、（2）中，η為供冷熱力學(xué)效率，Q1為空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷 （kW），Qs為空氣處理機(jī)組冷負(fù)荷 （kW），tdn為室內(nèi)等效平均溫度（℃），tds為送風(fēng)等效平均溫度（℃），to為室外設(shè)計(jì)溫度（℃），W為末端設(shè)備功率（kW），△E為能量損耗。

如公式（3）所示，通過表冷器處理的空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度直接受室內(nèi)溫度即進(jìn)風(fēng)溫度的影響。在不考慮往復(fù)氣流對室內(nèi)熱舒適產(chǎn)生的影響的情況下，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的效率可以通過監(jiān)測室內(nèi)溫度、送風(fēng)溫度等參數(shù)進(jìn)行評估。對于風(fēng)機(jī)盤管和空氣處理機(jī)組，獲得室內(nèi)溫度和送風(fēng)溫度的關(guān)系需先計(jì)算接觸系數(shù)ε2。

（3）

式中：A為換熱面積（m2），Ay為迎風(fēng)面積（m2），Vy為迎面風(fēng)速（m/s），ρ為空氣密度（kg/m3），hw為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（W/m2·K），Cp為空氣比熱容（kJ/kg·K）。

（4）

式中：tn、tsn分別為室內(nèi)平均干濕球溫度（℃），ts、tss分別為送風(fēng)平均干濕球溫度（℃）。

在夏季地鐵運(yùn)營高峰期，由于室外氣溫較高，地鐵隧道引入的室外風(fēng)溫度高，地鐵站臺人員密集且存在燈光發(fā)熱情況，地鐵站臺的氣溫一般高于與其連通的地鐵上蓋商業(yè)建筑。通過地鐵通道侵入上蓋物業(yè)的氣流會顯著提高連通道附近區(qū)域的空氣溫度。而安裝于連通道附近區(qū)域的室內(nèi)末端，例如風(fēng)機(jī)盤管，在同樣風(fēng)量下室內(nèi)溫度即盤管進(jìn)風(fēng)溫度提高時(shí)，風(fēng)機(jī)能耗不變，但由于氣流與冷凍水的換熱溫差增大，所以制冷量增大，且送風(fēng)溫差加大，根據(jù)以上各式可以得出，此時(shí)空調(diào)房間的能源利用效率降低。而增設(shè)BSAFT系統(tǒng)后，將顯著減少高溫站臺空氣在隧道風(fēng)的驅(qū)動下進(jìn)入建筑物的情況，降低連通道附近區(qū)域的空氣溫度，使其接近地鐵上蓋商業(yè)建筑空調(diào)區(qū)的設(shè)計(jì)溫度，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

3 實(shí)驗(yàn)研究

基于評估分析BSAFT系統(tǒng)在節(jié)約空調(diào)能耗方面的效果的目的，筆者將一個(gè)區(qū)域的建筑作為研究對象，利用普通感應(yīng)開閉門對位于連通道旁的房間的空調(diào)能耗進(jìn)行了測量和分析，以評估BSAFT系統(tǒng)的性能和使用效果。由于7月份一般為每年最熱的月份，選擇7月份為典型月進(jìn)行試驗(yàn)研究。此外，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷模擬計(jì)算的結(jié)果，地鐵連通道附近區(qū)域的空調(diào)負(fù)荷極大值一般出現(xiàn)在下午，但該時(shí)段并非地鐵通行的高峰時(shí)段。所以，本研究選擇了負(fù)荷較高且地鐵發(fā)車頻次密集、人流量大的晚高峰時(shí)段進(jìn)行研究。

圖2是典型月晚高峰時(shí)段地鐵連通道附近區(qū)域的空調(diào)累計(jì)耗冷量的測量結(jié)果。由于新風(fēng)機(jī)組冷凍水單獨(dú)供給和計(jì)量，且地鐵連通道附近區(qū)域新風(fēng)需求不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)主要針對連通道附近區(qū)域的室內(nèi)末端系統(tǒng)的供冷量使用冷量計(jì)量表進(jìn)行測量與記錄。由圖2可見，未安裝BSAFT系統(tǒng)區(qū)域的日累計(jì)空調(diào)耗冷量波動較大，與室外溫度變化呈正相關(guān)性。而設(shè)有BSAFT系統(tǒng)的區(qū)域日累計(jì)耗冷量相對穩(wěn)定，波動較小，與室外溫度的相關(guān)性較低。日累計(jì)耗冷量明顯少于未設(shè)BSAFT系統(tǒng)的區(qū)域，平均減少約30%。

以上均是針對屏蔽門未完全封閉、夏季炎熱、室內(nèi)外氣溫較高地區(qū)的地鐵站（地鐵站臺夏季溫度過高可能由各種原因?qū)е拢缢淼里L(fēng)量太大影響空調(diào)效果、未設(shè)站臺空調(diào)或站臺空調(diào)系統(tǒng)為省電未滿負(fù)荷開啟）的情況進(jìn)行的分析。此外，我們需要注意到，地下冬暖夏涼，尤其在深度達(dá)10 m，甚至10 m以上的地鐵隧道所在深度，地下土壤溫度在夏季（供冷季）可能低于18 ℃?？紤]地域、隧道埋深、車輛、設(shè)備、站臺人員及照明散熱等情況，在夏季室外氣溫不高、地鐵發(fā)車頻率低的地區(qū)，設(shè)有空調(diào)供冷的地鐵站地鐵隧道活塞風(fēng)到達(dá)連通道時(shí)的溫度可能會保持26 ℃以下，即地鐵上蓋建筑室內(nèi)空調(diào)溫度。且對于沒有設(shè)空調(diào)供冷的地鐵站，地鐵隧道活塞風(fēng)到達(dá)連通道時(shí)的溫度在人流高峰期可能大于26 ℃，在人流少、發(fā)車間隔大的低谷時(shí)段有可能低于26 ℃。也就是說，通過連通道進(jìn)入地鐵上蓋建筑的氣流溫度在不同地區(qū)、同一地區(qū)的不同站、同一站的不同運(yùn)行時(shí)段，在多參數(shù)影響下存在波動，不能單純認(rèn)為連通道氣流溫度高于建筑物室內(nèi)溫度，提高了建筑能耗。在夏季連通道氣流溫度低于上蓋建筑室內(nèi)空調(diào)溫度時(shí)，連通道氣流的進(jìn)入反而會降低建筑能耗。冬季供暖工況可以進(jìn)行類似分析。

針對這種情況，BSAFT系統(tǒng)采用多種傳感器檢測氣流的溫度和流向，通過智能控制器對系統(tǒng)進(jìn)行合理控制，對連通道氣流去弊存利。以夏季工況為例，忽略風(fēng)速對舒適度影響的情況下，具體控制策略如下。1）BSAFT的風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)溫測量儀如果測量到低于26 ℃的氣流通過連通道進(jìn)入地鐵上蓋建筑，就保持電動伸縮門開啟的狀態(tài)，發(fā)出指令關(guān)閉風(fēng)幕機(jī)（例如地鐵運(yùn)營單位也有防止地鐵內(nèi)冷風(fēng)泄露的要求，該項(xiàng)控制要求可根據(jù)地鐵運(yùn)營單位要求更改）。2）BSAFT的風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)溫測量儀如果測量到高于26℃的氣流通過連通道進(jìn)入地鐵上蓋建筑，就關(guān)閉電動伸縮門，發(fā)出指令開啟風(fēng)幕機(jī)。風(fēng)幕機(jī)運(yùn)行的頻率根據(jù)通過的風(fēng)速大小由系統(tǒng)控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的控制程序確定。3）當(dāng)通過的人員密集度符合高峰期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在風(fēng)幕控制寬度保持開啟的同時(shí)，系統(tǒng)控制器發(fā)出指令開啟電動伸縮門，優(yōu)先保證人員安全、快速的通行。4）為避免列車雙向頻繁到站導(dǎo)致氣流頻繁波動而導(dǎo)致BSAFT在沒有形成穩(wěn)定氣流的情況下頻繁動作，在BSAFT系統(tǒng)控制器中可預(yù)設(shè)延時(shí)動作程序，例如可設(shè)定風(fēng)幕機(jī)延時(shí)20 s重新測量確認(rèn)參數(shù)后再動作，電動伸縮門延時(shí)10 s重新測量確認(rèn)參數(shù)后再動作。BSAFT系統(tǒng)控制器具有可編程設(shè)定功能，具體的設(shè)定也可以根據(jù)不同地域、不同地鐵站和不同上蓋物業(yè)的情況在現(xiàn)場因地制宜、靈活設(shè)定。

5 結(jié)論

通過BSAFT系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，證明該研究提出的BSAFT系統(tǒng)可以應(yīng)對各種情況，智能化程度高、控制策略科學(xué)合理、節(jié)能效果好，顯著提升了臨近區(qū)域的舒適度。BSAFT可以在現(xiàn)有的地鐵上蓋建筑與地鐵的聯(lián)通道加裝，可以不增加大型設(shè)備、不對地鐵站和上蓋建筑通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改動，適用性廣，除了可以在新建建筑安裝BSAFT外，也可以針對現(xiàn)有建筑進(jìn)行改造升級。BSAFT系統(tǒng)目前已獲發(fā)明專利授權(quán)。此外，BSAFT雖是針對氣流情況比較復(fù)雜的地鐵上蓋商業(yè)建筑與地鐵的連通道設(shè)計(jì)，但還可以用在氣流情況相對比較簡單的大型商業(yè)建筑與室外、地下車庫或CBD地下車行隧道或綜合的連通口處，作為建筑物自然通風(fēng)或復(fù)合式通風(fēng)系統(tǒng)的可選智慧組件，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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