中铁四院集团西南勘察设计有限公司 张雄
重庆大学 胡梦强 刘猛
摘 要：昆明地区轨道交通站多设置半高屏蔽门（安全门），环控系统采用开式系统，利用列车运动产生的活塞风以及通风系统调节车站公共区的热湿环境。于2017年1月对昆明市两个地铁站进行热湿环境实测，测试结果表明，车站公共区的空气温度分布符合站台层＞站厅层＞出入口通道的特点；关闭车站机械通风系统后，站内空气温度升幅不超过1.0℃，CO2浓度升幅不超过100ppm，未超出规范要求；若今后在运行车站的环控系统时，能够根据车站的热湿环境与CO2浓度情况合理确定运行模式，则将大大降低其运行能耗。
关键词：温和地区；轨道交通站；热湿环境
0 引言
近年来，由于城镇化速度加快，城市人口增长以及人们生活水平的提高，城市交通拥堵问题日益严重。国内城市轨道交通行业迅速发展，许多城市新建或增建轨道交通运营线路，根据城市轨道交通协会统计，截至2017年6月底，我国内地共31个城市开通运营城市轨道交通，共计133条线路，运营线路总长度达4400公里[1]。根据相关规划，未来全国79个城市的地铁总里程将达到13385公里。城市轨道交通的迅速发展导致我国能源消耗迅速增加，2014年，我国轨道交通总耗电94亿kW·h，占全国总耗电的1.7‰[2]。
根据耗电设备的不同可将轨道交通站用能分为以下六个方面：列车牵引用能，环控系统用能，电扶梯用能，照明用能给排水用能和其他用能。其中，根据所处地理位置的不同，环控系统能耗约占1/3~1/2[3]。根据轨道交通隧道通风换气的形式以及隧道与车站站台层的连通关系，轨道交通的环控系统可分为开式环控系统，闭式环控系统和屏蔽门式系统[4]，各城市根据该地的气候条件以及相关规范选择相应的环控系统。
昆明市属于温和地区，室外自然环境优越，气温波动小，对于营造室内的舒适环境十分有利。目前昆明地区的轨道交通站多采用通风系统，包括区间隧道通风系统、车站隧道通风系统、车站公共区通风系统和车站设备管理用房通风系统四部分。为了充分利用室外自然冷源，降低轨道交通站能耗，昆明地区轨道交通站多设置半高屏蔽门（安全门），利用列车运动产生的活塞风，调节车站公共区的热湿环境，改善乘客的热舒适情况。
本文根据冬季于昆明市两个地铁站所进行的现场实测，分析了不同运行工况下的热湿环境差异，同一车站不同位置的热湿环境差异以及活塞风对车站公共区热湿环境的影响。
1 测试车站介绍
目前昆明市在运营的轨道交通线路共5条，分别为1号线南段、1号线支线、2号线、3号线以及6号线，见图1，本次测试车站属于2号线，由于昆明市轨道交通分期建设，当前2号线与1号线贯通运营，待二期工程建设完成后，再拆分运营。昆明市地铁1、2号线首期工程全长42.1公里，从呈贡大学城南站至北部汽车站，全线设置31个车站（2号线14个），2014年4月底，30座车站（火车北站除外）载客试运营。
图1 昆明市在运营的轨道交通线路
测试的两个车站为非换乘车站，两车站相邻，为了方便表述，用车站A和车站B来指代两个车站，车站A为北部汽车站向环城南路站方向上位于前方的车站。两个车站均为地下二层明挖岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。从建筑结构方面看，两车站极为相似，站厅层和站台层由两个电梯和两个楼梯连通，车站隧道与活塞风道通过活塞风孔相连；目前可供使用的出入口均为3个，车站A的3个出入口和车站B的2个出入口设置有顶棚；两车站建筑结构上最大的不同是车站B的一端设置有渡线，上行隧道和下行隧道由其相互连接。
两车站均设置有区间隧道通风系统、车站隧道通风系统、车站公共区通风系统和车站设备管理用房通风空调系统；在车站的两端，均设置有活塞风井，使列车的运动可将室外新鲜空气带入隧道内，将隧道内的污浊空气排出室外。车站公共区通风系统仅设置有送风系统和排烟系统，车站设备管理用房通风系统设置有送风系统，排风系统（兼做排烟系统）和VRV系统，由于这两部分在相关文献[2,5]中介绍的已经很多，且差异很小，故在此不再赘述。车站区间隧道通风系统和车站隧道通风系统示意图见图2。
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| （a）A隧道通风系统 | （b）B隧道通风系统 |
图2 车站A、B隧道通风系统示意图
从图2中可以看出，两车站的隧道通风系统相似，由于车站B渡线侧隧道较长，故设置有2组4台射流风机，且活塞风道内设置有2台隧道风机。根据向车站机电管理人员了解，由于当前车站运营处于初期，行车对数在7~14对之间，在日常运营中（冬季），开启车站公共区送风系统（送风机变频运行），车站隧道轨行区两端的排热风机各开启1台（工频）。根据隧道通风系统运行模式表，在冬季运营中，应开启出站端活塞风孔处的电动风阀，关闭进站端处风阀，即开启图3中的电动风阀1和电动风阀7，关闭电动风阀2和电动风阀6。
2 车站A、B冬季热湿环境测试
为研究车站A、B在活塞风作用下的站内热湿环境，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日分别对车站A和车站B的站内热湿环境开展测试，测试参数包括空气温度，相对湿度和CO2浓度。
2.1 测试仪器与测点布置
本次测试选用的温湿度自记仪具体参数如下：温度量程-20℃~70℃，精度±0.21℃（0℃~50℃）；相对湿度量程15%~95%，精度±3.5%（25%~85%），CO2浓度测试仪参数如下：量程0ppm-4000ppm，精度±40ppm（≤1000ppm），读数的5%（1000ppm~3000ppm）；温湿度自记仪的记录间隔设定为10s，CO2浓度测试仪的记录间隔设定为30s。
在车站的站厅层、站台层、出入口以及区间隧道内分别布置了温湿度测点，由于仪器的布置不能影响乘客的正常出行，故在车站公共区将其吊装在天花板下，距离天花板约30cm，为保证测量的准确性，布置时远离了灯具及出风口；在区间隧道内，将其布置在检修通道旁的管道支架上；站厅层的二氧化碳测点布置在自动售票机后方，站台层布置在三角机房旁，仪器距地高度为1.2m。两车站的测点布置示意图见图3。
图3 车站温湿度测点布置示意图
测点1~6位于站台层，7~8位于区间隧道内，9~11位于站厅层，12~14分别位于出入口1~3内，室外温湿度测点布置在活塞风井出口背阴处。区间隧道内的测点布置在从车站A至车站B的隧道一侧，其中7号测点靠近车站A，8号测点约在两车站中间位置。
2.2 测试工况及安排
车站B的一侧设置有渡线，两隧道间相互连通，在实际测试中，将其另一侧的活塞风孔处的电动阀门（即图2中车站B内的电动阀门1和2）开启，利用活塞风孔实现另一侧隧道的连通，其他阀门的开闭状态保持日常运行状态。
根据送风机、排热风机的启停状况不同，每个车站进行3个工况的测试，具体的测试工况及相应的工况说明见下表。
表1 测试工况及说明
3 测试结果分析
3.1 车站不同区域热湿环境对比分析
工况1及工况3分别是车站A、B目前冬季运营时环控系统的运行方案，故取两次测试数据来研究当前车站的热湿环境。
在工况1和工况3的测试期间，室外空气温度平均值分别为16.7℃，17.4℃。车站A在工况1下，站台层，站厅层，出入口通道的平均温度分别为20.4℃，19.0℃，18.3℃，波动范围分别为19.6℃~20.8℃，17.8℃~19.9℃，16.3℃~19.6℃，平均相对湿度分别为35%，29%，30%；车站B在工况3下，站台层，站厅层，出入口通道的平均温度分别为20.0℃，19.3℃，18.7℃，分别处于19.5℃~20.5℃，18.0℃~20.0℃，17.0℃~19.6℃范围内，平均相对湿度分别为36%，32%，31%。可以看出，温度分布均符合站台层＞站厅层＞出入口通道的特点，具体的温度分布见图4和图5。
根据图4、图5可知，由于冬季室外空气温度较低，站厅层与外界通过出入口连接，换气量较大，故空气温度相对较低，出入口的分布不均导致站厅层不同位置空气温度相差较大，出入口数量多的一侧温度较低；由于人员集中，列车刹车散热等原因，站台层的温度相对较高，且较为稳定；出入口与室外相连，列车的进出站导致站厅内空气与室外空气通过出入口通道进行交换，故出入口通道内的空气温度变化较大，且数值上为所有区域中最低的。
图4 车站A工况1不同区域的空气温度与相对湿度
图5 车站B工况3不同区域的空气温度与相对湿度
工况1与工况3期间，区间隧道内测点7、8的温度变化见图6。
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| （a）工况1 | （b）工况3 |
图6 工况1和工况3期间测点7、8的温度变化情况
由图6可见，相较于车站公共区域，区间隧道内的空气温度变化较小。在工况1，测点7的平均温度为19.0℃，测点8为18.9℃；工况3测点7的平均温度为18.9℃，测点8的平均温度为18.9℃。
3.2 不同工况下车站热环境的对比分析
在冬季，由于室外气温较低，车站的环控系统的主要目的是为乘客提供新鲜空气以及防止隧道内空气温度超标[4, 7]，而列车的运动会使室内外空气不断交换，尤其在昆明地区，站台屏蔽门采用半高屏蔽门，上方的缝隙使得活塞风作用更加明显，通过对比关闭机械通风系统前后车站内的热湿环境，可初步确定活塞风带来的空气交换是否能满足站内需要。为了方便处理，对所采集的温湿度、CO2数据每5min取一次平均，并按照不同区域（站台层、站厅层、出入口）取平均，车站A、B不同区域在不同工况下的空气温度变化情况见图7。工况1~工况4测试期间，室外空气温度的均值分别为16.7℃，15.5℃，17.4℃，17.7℃。
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| （a）车站A | （b）车站B |
图7 车站A、B不同工况下不同区域的空气温度变化
由图7可知，在关闭车站A的送风系统、排热系统后，站台层、站厅层的空气温度均有所上升，其中站厅层上升最高，平均温度从19.0℃上升至19.8℃，其次是站台层，从20.4℃上升至20.7℃，出入口通道内的空气温度变化不明显；而工况3和工况4的对比可以看出，车站B在关闭机械通风系统后，各区域的温度均有所上升，站台层平均温度从20.0℃上升至20.2℃，站厅层平均温度从19.3℃上升至19.8℃，出入口通道从18.7℃上升至19.3℃。由此可见，在关闭车站的机械通风系统后，车站公共区域的空气温度上升幅度很小，基本在1.0℃以内。由于区间隧道内的测点布置在从车站A到车站B的隧道一侧，故其温度变化受车站A环控系统变化的影响较大，工况1和工况2测点7、8的温度变化情况见图8。
图8 工况1和工况2期间测点7、8的温度变化情况
在工况1测试期间，测点7、8的平均温度分别为19.0℃，18.9℃，在关闭车站的机械通风系统后，即工况2期间，两点的平均温度分别上升0.2℃，0.5℃。
车站内的CO2浓度可作为新风量是否满足需求的标志，车站公共区的CO2日平均浓度应低于1500ppm[6]。车站A在工况1期间，站台层的CO2平均浓度为442ppm，站厅层为406ppm，工况2期间，站台层为487ppm，站厅层为481ppm；而车站B在工况3期间站台层CO2平均浓度为452ppm，站厅层为449ppm，工况4期间，站台层为473ppm，站厅层为482ppm。可见，在车站A，站台层的CO2浓度高于站厅层，在开启机械通风系统的工况1更明显，而在车站B，站台与站厅的CO2浓度相差不大。
通过对比不同工况下车站公共区的CO2浓度变化情况可知，在关闭车站送风系统以及排热系统后，车站公共区CO2浓度有小幅上升，上升幅度在20~80ppm之间，但均未超过规范要求的1500ppm。
4 结论
昆明地区地铁站多采用半高屏蔽门，环控系统采用开式系统。由于车站目前处于运行初期，不同的运行工况将导致能耗的巨大差异，于2018年1月对两个地铁站的热湿环境进行现场实测，测试结果表明：
（1）在目前运营方式下，车站A站台层、站厅层的平均温度分别为20.4℃，19.0℃，平均相对湿度为35%，29%；车站B站台层、站厅层的平均温度分别为20.0℃，19.3℃，平均相对湿度为36%，32%。温度分布均符合站台层高于站厅层高于出入口通道的特点，且出入口通道的空气温度变化最大，站台层变化最小。
（2）在关闭两车站的机械通风系统后，车站内不同区域的空气温度有小幅上升，车站A的站厅层从19.0℃提高至19.8℃，站台层从20.4℃提高至20.7℃，出入口通道的空气温度变化不明显；车站B的站台层从20.0℃提高至20.2℃，站厅层从19.3℃提高至19.8℃，出入口通道从18.7℃提高至19.3℃；隧道内的空气温度升幅在1.0℃以内；车站公共区CO2浓度升幅在100ppm以内，未超过规范要求。在当前运营水平下，可间歇运行车站的机械通风系统，既不会导致车站公共区的温度失控，又能最大程度降低运行能耗。
参考文献
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[2] Yang Le, Zhang Yichi, Xia Jianjun. Case study of train-induced airflow inside underground subway stations with simplified field test methods[J]. Sustainable Cities and Society, 2018, 37:275–287.
[3] Li, G. Q. Present status and development trend of ventilation and air conditioning system for urban rail transportation[J]. HV&AC, 41(6):1–6.
[4] 王艳辉, 祝凌曦. 城市轨道交通运营安全管理方法与技术[M]. 北京: 北京交通大学出版社, 2011: 42.
[5] 王春, 李楠, 刘志军等. 重庆地铁站通风空调系统节能改造[J]. 暖通空调, 2017, 47(01):91–96.
[6] 中华人名共和国住房和城乡建设部. 地铁设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013:121.
[7] 齐江浩, 赵蕾, 王君等. 西安地铁车站环境实测及公共区空调负荷计算分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(06):1206–1211.
注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年10月刊总第26期。
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