劉濤、郭宏巍、劉旭、肖杰、黃濤

（1.北京市地鐵運營有限公司機電分公司技術部，北京 100043；2.北京市地鐵運營有限公司機電分公司第一項目部，北京 100079；3.北京市地鐵運營有限公司機電分公司安全質(zhì)量部，北京 100043；4.北京金淏源凈化技術有限公司，北京 100070）

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化、區(qū)域化進程的加快，城市軌道交通成為市民出行首選的交通出行方式。北京是我國最早修建軌道交通的城市，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已開通運營的軌道交通線路18 條，總運營里程超過554km。城市軌道交通在設計、建設階段，綜合線路地質(zhì)、經(jīng)濟等因素，北京建設了地面站、高架車站共70 余座。大部分地面站或高架站站臺層長度為120m 左右，此類型車站站廳一般位于地面層，站臺位于高架層或站廳及站臺均位于高架層。地面站及高架車站在建設時期，車站公共區(qū)域未設置通風空調(diào)系統(tǒng)，車站公共區(qū)域僅考慮自然通風、排煙。而縱向自然通風效果較差，且軌道交通站高峰時人員較多，導致人員熱濕負荷較大，從而造成夏季站臺悶熱的環(huán)境。地面站及高架車站在夏季站臺及站廳溫度相對較高，站臺溫度常達到35℃以上，個別車站甚至超過40℃。滿足乘客對軌道交通站候車環(huán)境舒適性的需求，改善軌道交通站乘客候車區(qū)的候車環(huán)境成為工程技術人員必須面對的課題。

地面站及高架站公共區(qū)室內(nèi)熱源較多，人員密度比較大，其熱環(huán)境很難通過傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)公共區(qū)環(huán)境的有效調(diào)節(jié)，同時傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)在開放式空間能耗較大。改善室內(nèi)空氣流動，特別是自然、新鮮空氣的流動，是室內(nèi)熱環(huán)境改善的途徑。自然通風是暖通空調(diào)行業(yè)利用自然資源最直接的方式之一，其具有建筑運行能耗低、提高建筑室內(nèi)空氣等特點。國內(nèi)外的軌道交通地面站及高架站公共區(qū)建設初期基本是采取自然通風的措施，但自然通風受室外環(huán)境包括但不限于室外溫度、相對濕度及空氣質(zhì)量等影響，無法進行有針對性的合理空氣調(diào)節(jié)，普遍存在夏季站內(nèi)悶熱的現(xiàn)象。國內(nèi)外軌道交通針對地面及高架站特別是站臺層夏季降溫，尚未有成熟的技術方案和產(chǎn)品支持。綜上所述都為本課題的研發(fā)提供大量的基礎數(shù)據(jù)和實際需求，為本課題研發(fā)成果的落地示范提供了廣闊的平臺。

2 亦莊文化園站試點分析

研究實施亦莊文化園站乘客候車區(qū)熱環(huán)境改善的方案，以站內(nèi)溫濕度+能效比為雙核心監(jiān)控指標提出通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行方案、策略及關鍵指標的控制參數(shù)十分必要。通過此次試點站研究將獲得地面站乘客候車區(qū)熱環(huán)境方案的梳理，研發(fā)一套適用于地面及高架車站站臺公共區(qū)降溫的智能高效關鍵性組合空調(diào)設備及監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)智能運維。

2.1 亦莊文化園站改造前狀況

亦莊文化園站整體呈東西走向，東西長124.6m，南北寬23.1m，圍護結(jié)構(gòu)至候車屏蔽門7.1m；建筑整體采用鋼結(jié)構(gòu)框架基礎，南北兩側(cè)外圍護結(jié)構(gòu)為全玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，軌行區(qū)上頂兩側(cè)為自然采光結(jié)構(gòu)；整體站內(nèi)結(jié)構(gòu)熱負荷大，受室外環(huán)境空氣質(zhì)量影響大，經(jīng)現(xiàn)場測試站內(nèi)溫度與室外溫度接近，而在夏季日照強烈時間段，站內(nèi)溫度受陽光輻射影響，高于室外空氣溫度。

2.2 熱環(huán)境改造方案概述

2.2.1 方案論證

北京的氣候為暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，同時根據(jù)上述北京地區(qū)歷史氣象參數(shù)進行分析，可以判斷每年5 月下旬至9 月中旬是氣溫比較高的時間段，日照強度及時間長均較高（見圖1）。

圖1 北京四季天氣

根據(jù)北京地區(qū)歷史氣象參數(shù)分析，該時間段平均溫度為22～28℃，相對濕度為43%～62%。站臺空間屬于比較炎熱干燥的環(huán)境，考慮節(jié)能因素，濕度＜60%時可采用“等焓降溫”方式，而濕度＞60% 時可采用“等濕降溫”方式。

狀態(tài)點計算：由空氣焓濕圖2 計算。

圖2 空氣焓濕圖

（1）當初始狀態(tài)點相對濕度＜60%時：

狀態(tài)點A——干球溫度：26℃。相對濕度：56%。

對應焓值為：56.4kJ/kg。

狀態(tài)點B——干球溫度：22.1℃。相對濕度：80%。

對應焓值固定（等焓）：56.4kJ/kg。

（2）當初始狀態(tài)點相對濕度＞60%時：

狀態(tài)點C——干球溫度：28℃。相對濕度：68%。露點溫度：21.4℃。

狀態(tài)點D——干球溫度：21.1℃。相對濕度：68%。露點溫度：15℃。

由計算數(shù)值可以看出，兩種方式在不同狀態(tài)下可降溫4～7℃，滿足設計需求，因此可以采用直接蒸發(fā)式冷風機作為降溫系統(tǒng)的主要設備，而夏季溫度較高時需要配置空氣源冷水機組控制水溫（確保在空氣露點溫度以下）[1]。

2.2.2 方案概述

專用直接蒸發(fā)式冷風機組設備布置于站臺側(cè)后方，出風口在設備上部，距地面約2m 的位置，由4 個球形噴口形成扇形吹向列車靠站方向，間隔約20m 放置一臺，讓候車人群得到設備送風。列車通過站臺產(chǎn)生的活塞風成為設備的進風來源，同時也成為環(huán)境的自然排風?！墩舭l(fā)冷卻通風空調(diào)系統(tǒng)設計與安裝》圖集，對于這樣的非潮濕（中等濕度）環(huán)境，人流量密集的公共場所取換氣次數(shù)30～35 次/h，取值30 次/h，則單側(cè)站臺冷風送風量應為9000m3/h；兩側(cè)站臺供選用12 臺蒸發(fā)冷卻機組（見圖3）。

圖3 蒸發(fā)冷卻機組覆蓋區(qū)域示意圖

2.3 專用蒸發(fā)冷卻機組

亦莊文化園站熱環(huán)境改造工程采用專用蒸發(fā)冷卻機組，有別于市場上常規(guī)蒸發(fā)式冷風機：第一，該設備采用無極變頻離心風機，在確保風量的同時可保持一定的風壓，從而提高有效的送風距離。第二，該設備采用球形噴口式風口，不僅設備美觀且送風角度調(diào)節(jié)靈活，便于送風角度及輻射范圍的調(diào)整。第三，具備完善的自控控制系統(tǒng)和全面的安全保護措施，有別于常規(guī)設備的簡單啟?？刂疲?jié)能更安全。第四，采用環(huán)保高分子纖維濕簾，蒸發(fā)面積更大，布水更均勻。第五，設備自帶儲水箱具有自動補水、溢水保護等多重功能，減少人員工作量，提升系統(tǒng)運行安全。

專用蒸發(fā)冷機組外形尺寸：1500mm×530mm×2150mm，單臺循環(huán)風量為6000～9000m3，單側(cè)站臺可安裝6 臺設備。地鐵專用蒸發(fā)冷機組送風口采用4 組球形噴嘴風口，層兩側(cè)風口采用直徑180mm 球形噴嘴，下層中間位置兩個風口采用直徑250mm 球形噴嘴。

2.3.1 標準工況風量及風口風速計算

（1）標準工況設定基礎：蒸發(fā)冷機組中間6.5m 處風速1.5m/s。

（2）中間風口計算：

中間風口風速：11～12m/s（參考現(xiàn)有樣機測試數(shù)據(jù)）。

中間單位風口風量：

（3）兩側(cè)風口計算：

兩側(cè)單位風口風量：2030m3/h（通過導流盡可能保證4 個風口風量一致）。

兩側(cè)風口風速：

（4）標準工況下總結(jié)：

設備總風量：8000m3/h。

風感：正面6.5m 處風感2 級（風速1.5m/s）；兩側(cè)13m 處 風 感0～1 級。

推算兩側(cè)13m 距離處風速：參考現(xiàn)有樣機測試數(shù)據(jù)，同時簡化氣流損失曲線為線性關系，每米距離風速降低1.87～1.55m/s；因此，兩側(cè)13m 處風速估算0.2～0.5m/s，存在微風感覺[2]。

2.3.2 最大運行工況下風量及風口風速計算

（1）最大運行工況設定基礎：蒸發(fā)冷機組兩側(cè)13m 處風速1.5m/s。

（2）兩側(cè)風口計算：

兩側(cè)風口風速：26m/s（參考現(xiàn)有樣機測試數(shù)據(jù)）。

兩側(cè)風口風量：

（3）中間風口計算：

中間風口風速：

推算中間6.5m 距離處風速：參考現(xiàn)有樣機測試數(shù)據(jù)，同時簡化氣流損失曲線為線性關系，每米距離風速降低1.87～1.55m/s；因此中間6.5m 處風速估算1.5～3.2m/s，風感較大。

（4）最大運行工況下總結(jié)：

設備總風量：9400m3/h。

風感：兩側(cè)13m 處風感1 級（風速1.5m/s）；中間6.5m 處風感2～3 級（風速1.5～3.2m/s）。

2.3.3 框架與面板

（1）框架采用不銹鋼材質(zhì)，防腐性高，強度高。

（2）面板采用鍍鋅鋼板材質(zhì)，內(nèi)外噴塑工藝，外觀美觀；邊角采用倒角形式，更美觀；面板整體成型，結(jié)構(gòu)更堅固，整體設備重量更小。

（3）結(jié)構(gòu)采用側(cè)回風結(jié)構(gòu)，保證回風效果；正面檢修門，便于設備檢修；球形噴口式風口確保有效送風距離。

2.3.4 變頻離心風機

（1）主要參數(shù)

額定電壓：380V。額定頻率：50Hz。額定功率：1.8kW。轉(zhuǎn)數(shù)：1350r/min。

（2）性能指標

電機防護等級：IP55。電機工作制：S1 級。

2.3.5 控制系統(tǒng)

當?shù)乜刂破髯詭?2 個物理按鍵操控；自帶紅外遙控接收；LCD 液晶屏藍色背光動態(tài)顯示；標準485 通信；默認12 檔風速調(diào)節(jié)；通風、制冷、自動及定時開關機功能；預留BAS 接口，可與站內(nèi)原有BAS 系統(tǒng)對接。

2.3.6 濕簾

主要性能指標為展開面積：45m2。環(huán)氧指數(shù)：27.4%。防火等級：B1 級。

2.3.7 儲水箱

設備自帶不銹鋼儲水箱，水箱壓制成型，具有自動補水、溢水保護、排水等功能。自帶溢水報警功能，當發(fā)生溢水故障時，報警功能進行提示，同時自動關閉補水系統(tǒng)，防止水源浪費。

2.4 水路系統(tǒng)

亦莊文化園站經(jīng)現(xiàn)場查勘及測算，冷源直接采用自來水，但考慮北京地區(qū)自來水水質(zhì)較硬，會對濕簾換熱產(chǎn)生不利影響，因此每側(cè)系統(tǒng)增加一套獨立的軟化水系統(tǒng)。專用蒸發(fā)冷卻機組采用浮球閥裝置實現(xiàn)自動補水及水位控制，因此水路系統(tǒng)增加定壓變頻水泵作為補水動力，實現(xiàn)自動補水功能；同時，考慮臨時停水或軟化水裝置反沖洗（設定為夜間自動運行）等不確定情況的發(fā)生，增設有效容積1m3的儲水箱進行緩沖。

3 檢測數(shù)據(jù)分析

亦莊文化園站熱環(huán)境改造工程實施后，2022 年8月8 日至9 月6 日進行持續(xù)的數(shù)據(jù)檢測，同時對照站臺結(jié)構(gòu)相似的鄰站（亦莊橋站）進行對比，檢測數(shù)據(jù)達到預計效果。

檢測過程采用兩種方式分別進行：檢測方法一，采用單點對應檢測方式，主要對比環(huán)境溫度與改造后站臺溫度；檢測方法二，采用覆蓋方式進行檢測，再通過匯總平均值反映環(huán)境溫度與改造后站臺溫度差異。

4 結(jié)語

針對軌道交通地面站及高架站的熱環(huán)境，分析其形成的原因，研究現(xiàn)有暖通、通風技術特點，研發(fā)可改善軌道交通地面站及高架站熱環(huán)境的設備。通過項目的實施，使用階段的數(shù)據(jù)檢測分析，驗證了選取合適的送風量、送風距離、風速、供水量可有效改善乘客候車環(huán)境舒適性。送風溫度可調(diào)、自適應選擇送風風速、人工智能技術的采用，是設備未來迭代升級的方向。