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北方城市地铁站台屏蔽门系统节能分析

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发表于 2017-6-30 15:10:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
摘要活塞风通过隧道和出入口引起地铁环境的变化,是地铁能耗的重要影响因素。 在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进_步节能的有效措施。屏蔽门系统可有效利用活塞风,因其兼具安全、舒适的特点,较之传统的半高安全门系统具有许多优点。 本文重点研究活塞风的有效利用对地铁通风空调系统能耗的影响和屏蔽门系统在北方城市的适用性。
利用费用年值和价值工程方法对屏蔽门系统、半高安全门系统和带风口屏蔽门系统[1] 进行了技术经济性分析。结果发现在北方地区,从降低初投资、节约能耗的角度考虑,半高安全门系统优于屏蔽门系统。
本文主要探讨了一种新的屏蔽门形式——带风口屏蔽门。带风口屏蔽门系统综合了屏蔽 门系统和半高安全门系统的优势,可为北方城市地铁提供更安全、更舒适和更节能的站台门系统,将为站台门系统的改进和通风空调能耗的降低提供一项新的技术。
关键词 活塞风 屏蔽门系统 地铁通风空调 系统节能
1 概述
21世纪是中国城市轨道交通的新纪元,我国已将未来城市交通轨道化发展列为今后 30〜50年内的重点,计划将在多座城市建设地铁和轻轨等轨道交通系统,我国轨道交通事 业已经进入了一个迅速发展的新时期。尤其是位于北方地区的北京、天津、哈尔滨、沈阳、大连、西安等大城市,都在建设和规划地铁或轻轨项目。
随着城市地铁的迅速发展,地铁环境控制问题也愈来愈引起人们的关注。地铁列车的 运动引起的活塞风使车站通道和站台上的乘客要忍受较高风速的干扰。列车产生的大量散热以及客流量增高使地铁内温度逐年升高[2]。单纯依靠地铁活塞风的自然通风和隧道土壤的蓄 热来吸收热量已不能有效地达到排热目的,必须采用合适的通风空调方式和设备,将这些热量及时带走,以保证地铁内乘客的舒适和地铁的正常运营[3]。据纽约城市运输当局所说,地 下铁路系统的运营可以产生足够的热量使得隧道和站台的温度升高,比环境温度差不多能高出8-11°C。在伦敦,夏季环境温度可以达到30°C甚至更高,而在伦敦地下隧道网络系统中 部分列车上有高于37°C的纪录[4]。因此很明显,在这种情况下,乘客的热舒适很难达到。
地铁系统本身是投资巨大,运行成本很高的设施,而通风空调系统又是地铁系统中耗 资巨大的环节。地铁站台的通风空调系统设备功率大,运行时间长,运行能耗大。如何在保证满足站厅和站台的舒适度要求的前提下,尽可能的节约能耗,降低运行费用,是地铁通风 空调系统必须考虑的问题。
地铁通风空调系统的目的就是要把站台、站厅和区间隧道的热环境维持在舒适范围内。 然而站台、站厅和区间隧道对环境的要求是不同的,站台和站厅对环境的舒适度要求比较高,在区间隧道中,由于乘客都在列车中,对区间隧道的环境要求比较低。而影响站台和站厅环 境的主要因素,活塞风、列车产热、颗粒物等污染、噪声主要来自隧道。
越来越高的空调通风耗电量和频频发生的乘客利用站台卧轨自杀或意外跌落发生危险 的事件,促使生产厂商为此订造了站台门系统。站台门,又称站台幕门、月台幕门,英文名称为Platform doors或Platform-edge doors,是指在站台上以玻璃幕墙的方式隔断铁路 站台与列车运行空间。列车到达时,在开启玻璃幕墙上的电动门供乘客上下列车。站台门主要目的一方面是保证安全,防止乘客利用站台卧轨自杀或跌落发生意外;一方面是节约能源, 防止站台空调冷量流失,保证站台温度。站台门根据其封闭情况可分为安全门和屏蔽门,英文名称分别为 Automatic platform gates (APG)和 Platform screen doors (PSD),而安
全门根据高度的不同又可分为半高安全门和全高安全门。
2分析比较
地铁站台门以其安全、舒适、节能三大优点在亚洲乃至世界迅速推广,为乘客提供了舒适、卫生、安全的候车环境的同时,也给地铁通风空调系统提出了新的课题。
地铁中建设屏蔽门系统具有如下优点:
(1) 屏蔽门系统安装在站台边缘,将站台公共区与隧道轨行区完全屏蔽,减少站台区与 轨行区之间冷热气流的交换,降低了环控系统的运营能耗;
(2) 屏蔽门系统的设置防止乘客因特殊情况(包括意外事件、自杀、他杀)掉下站台;
(3) 减小了噪声及活塞风对站台候车乘客的影响,减少了站台空气含尘量,改善了乘客 候车环境;
(4) 屏蔽门系统为轨道交通实现无人驾驶创造了先决条件;
(5) 加装屏蔽门系统后使地铁的正常运营得到了保证,不再因车站站台事故而延误运营。
[5]
屏蔽门系统将地铁环境分成两个区,地铁的通风空调系统也相应的分成两个部分,其 运行方案也将与通常的开式系统不同。由于季节的变换、列车的密度和乘客客流量的变化,地铁内产生的热量、湿量和所需的新风量是变化的。因此,在不同情况下需要地铁通风空调 系统以不同的方式来运行。如何合理有效地控制地铁通风空调系统的运行,制定出最优的系统运行方案,从而既满足地铁内乘客舒适度要求,保证地铁系统正常运营,又能使系统的运 行费用降到最低,这是一个需要解决的重要课题。
在夏季站台公共区与停车区域设置一道屏蔽门可把大量的列车产热量阻挡在屏蔽门之 外,可以大大降低车站公共区的空调负荷。一般来讲,屏蔽门系统的夏季空调负荷大约只占 不设置站台屏蔽门时空调负荷的三分之一,减小了空调设备的容量降低了初投资,同时夏季空调的运行费用也大大降低[5]。
然而,有研究表明由于安装屏蔽门之后,隧道机械通风兼排烟系统,即TVF系统和车 站范围内、屏蔽门外站台下排热和车行道顶部排热兼排烟系统,即UPE/OTE系统,两个系 统的风量需增加,从全部的电耗来看,在台北市屏蔽门系统的电耗略高于没有屏蔽门的系统。
[5] 对于北方城市夏季持续高温时间比南方城市短,在较长的过渡季节和冬季期间屏蔽门系统起不到很好的节能效果。过渡季节和冬季活塞风温度不高,引入站台可补充新风量,节省机 械通风耗能。在北方城市地铁中采用屏蔽门系统后,过渡季节和冬季工况站台公共区必须增加机械通风以满足站台对新风量和舒适度的要求,与常用的不采用屏蔽门的开式系统相比不 节能,因此全年的节能效果不明显。
由于人们对环境的舒适度和安全性要求越来越高,很多城市的新建地铁在安装或者计 划安装屏蔽门系统,以隔断热、噪声和尘菌等污染物。然而目前的研究中对北方城市屏蔽门系统的适用性研究还比较少,缺少对不同站台门系统空调通风系统的能耗分析和经济性比 较。目前也存在安装屏蔽门系统就是节能措施的错误观点,夸大了屏蔽门系统在夏季的节能措施,忽略了过渡季节和冬季由于没有利用活塞风而增加的通风能耗。屏蔽门系统是否适用 于北方城市?究竟哪一种站台门系统更适合北方城市?这是本文探讨的主要问题。
本文将针对通风能耗在全年能耗中的所占的比例,提出对于过渡季节和冬季比较长夏 季比较短的北方城市,有效利用活塞风将是进一步节能的措施。探讨了一种新的站台门系统:带风口屏蔽门系统,即在屏蔽门上增加可控风口,夏季关闭,过渡季节和冬季打开,综合了 屏蔽门系统和半高安全门系统的优势,可有效利用活塞风。


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 楼主| 发表于 2017-6-30 15:10:43 | 显示全部楼层
活塞风对地铁环境的影响规律非常复杂,通过站台和出入口引起地铁能耗的变化,是地 铁能耗的重要影响因素。在过渡季节和冬季充分利用活塞风是实现地铁通风系统进一步节能 的有效措施。本文结合现场实测、EnergyPlus能耗模拟方法、技术经济性分析和CFD数值 模拟方法四种研究方法,对活塞风对地铁环境的影响规律进行了研究分析,并探讨了能够有 效利用活塞风的带风口屏蔽门系统在北方城市地铁中的应用前景。
(1) 利用Fluke多通道数据采集器监测地铁站台温度场变化,得到了因列车运行而形 成的波动温度场。在列车的影响下单层站台受活塞风的影响比较大,因此受室外气温变化影 响比较大,夏季双层站台比单层站台低:3~4°C,秋季双层站台比单层站台高2~3°C,冬季双 层站台比单层站台高4~8°C。由站台温度的变化规律可以发现,由于列车的活塞作用,可将 室外空气吸入室内,当室外焓值低于室内焓值时,可带走站台的余热,有效降低站台温度。
(2) 分析了地铁环境动态条件下和瞬变条件下的舒适性。在列车运行的影响下站台温 度场呈周期性波动,根据动态条件下的舒适性评价,部分点不满足舒适性要求,但考虑到乘 客在站台站厅停留的时间比较短,周期性波动的温度场不会引起乘客的严重不满。由于在瞬 变条件下人体热反应会出现"超前"或"滞后”,乘客出入地铁站过程中的舒适性应当用"暂 时舒适性"来评价,即利用相对热指标RWI的差值来评价地铁环境的暂时舒适性。根据RWI 差值发现乘客夏季进入测试的地铁站有凉爽的感觉,秋冬季进入测试的地铁站有温暖的感 觉,测试的两个典型站均可满足暂时舒适性要求。根据本章的分析可以发现,由于活塞风的 作用,列车进站和出站可以带来一定量的室外新风,满足车站公共区的卫生要求。活塞风带 来的部分尘粒和列车带来的噪声对车站的环境影响不大。因此在过渡季节和冬季有活塞通风 的情况可得到较好的舒适度,舒适性分析和可吸入颗粒物、噪声的测试表明半高安全门系统 可满足规范中的设计要求。
(3) 将地铁按照地下室考虑,应用EnergyPlus能耗分析软件,在周详的负荷计算基础 上,以典型年的气候条件计算分析了屏蔽门系统、半高安全门系统和带风口屏蔽门系统的能 耗。通过合理的参数设置和模块选择提高了 EnergyPlus能耗分析软件应用于地铁系统的精 确性和便捷性。模拟分析中根据天津典型年气温划分夏季、过渡季和冬季三个季节,避免了 由于根据月份简单划分带来的误差。对于夏季比较短,冬季比较长的北方城市通风能耗占有 比较大的比例,因此通风系统的节能效果也将关系到全年通风空调节能效果。通过全年能耗 分析发现带风口屏蔽门系统全年通风空调能耗最低,可比半高安全门系统减少18.2%,比 屏蔽门系统减少电耗23.4%。可见过渡季节能耗的降低也可实现全年能耗大幅度的降低,因 此是否充分利用了活塞风也应当是地铁环控系统节能效果的评价指标。
(4) 利用费用年值和价值工程方法对屏蔽门系统、半高安全门系统和带风口屏蔽门系 统进行了技术经济性分析。半高安全门和带风口屏蔽门系统的全寿命周期成本较低,而功能 评价总分以屏蔽门系统和带风口屏蔽门系统为最优。结果表明在北方地区,从降低初投资、 节约能耗的角度考虑,半高安全门系统优于屏蔽门系统;而从既可降低初投资、节约能耗, 又可实现舒适和安全环境的最优方案是带风口屏蔽门系统,该结论为工程设计提供了必要的 依据。
(5) 为了得到更精确的站台的温度场和速度场的波动情况,利用动态模拟分析活塞风 的作用。在模型中根据实测数据将活塞风速设置为分段函数,用变化的边界条件模拟了列车 进站、停车、出站三个过程中活塞风的变化规律,以及活塞风影响下每个时刻站台和站厅温 度、风速变化情况。这是与以往研究的不同之处,应该说用比较简单的方法获得了比稳态模 拟精确和丰富的模拟数据。为地铁活塞风和通风空调系统的数值模拟研究提供了一种可行的 研究方法。
(6) 在屏蔽门上加装可控风口从而在过渡季和冬季有效利用活塞风降低通风能耗是一 个创新的尝试。可控风口夏季关闭隔断列车产生的热量,过渡季节和冬季打开利用活塞风作 用由出入口吸入新风带走室内余热,综合了屏蔽门系统和半高安全门系统的优势,可为北方 城市地铁提供更安全、更舒适和更节能的站台门系统,将为站台门系统的改进和通风空调能 耗的降低提供一项新的技术。
(7) 利用带风口屏蔽门的可控风口实现火灾工况下的排烟,保证站台乘客的安全撤离, 这在国内尚无先例。由于屏蔽门上方风口有利于火灾工况下的排烟,带风口屏蔽门系统的高 温区域发展略慢于屏蔽门系统,这就为火灾事故情况下乘客的顺利疏散争取了时间。
通过以上分析最后得出,半高安全门和带风口屏蔽门系统的全寿命周期成本较低,而 功能评价总分以屏蔽门系统和带风口屏蔽门系统为最优,可以得出如下结论:
(1) 根据天津地区的气候环境条件,在过渡季和冬季可以有效的利用活塞风对车站和区 间降温,从降低初投资、节约能耗的角度考虑,半高安全门系统优于屏蔽门系统。
(2) 采用屏蔽门主要可以减少列车运行产生的噪声、热量、尘粒、细菌等对车站的影响, 改善乘车环境,提高空气质量水平。从更舒适和更安全的角度考虑,屏蔽门系统是最优方案。
⑶带风口屏蔽门系统由于过渡季节和冬季引入活塞风,噪声、尘粒和细菌等影响将略 高于屏蔽门系统,空气质量水平在过渡季节和冬季将有所下降,但由于车站公共区属于乘客 短暂停留区域,根据实测发现半高安全门的车站公共区可以满足乘客暂时舒适性的要求。带 风口屏蔽门系统将风口设在2m〜2.5m的位置,从而比半高安全门更安全。因此,从舒适和 安全的角度考虑,带风口屏蔽门系统将是较优方案。
(4)通过方案价值系数分析可综合评价方案的优劣,带风口屏蔽门系统全寿命周期成本 最低,功能评分最高,由价值系数可知带风口屏蔽门系统的综合价值最高,对于过渡季和冬 季比较长的北方城市带风口屏蔽门系统将是最优方案。
3研究展望
随着地铁建设的迅速发展,地铁通风空调系统的节能有更广阔的发展前景和空间。目前 带风口屏蔽门系统未能在实际工程中试验和应用,只进行了理论上的分析研究。将带风口屏 蔽门系统应用到实际的地铁车站进行实测,尤其是我国的北方地区是下一步应该进行的工
作。
天津大学环境科学与工程学院由世俊 刘运雷 张欢
参考文献
[1]   董书芸.北方城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律及其有效利用:[博士学位论文]天 津,天津大学,2008
[2]   Underground railway environment in the UK Part 2: Investigation of heat load F. Ampofo *, G. Maidment, J. Missenden Applied Thermal Engineering 24 (2004) 633 -645
[3]   拉金采夫.地铁隧道通风技术水平及其提高的方法,《地下工程与隧道》,1991,第3期
[4]   刘承东.屏蔽门系统在地铁中的应用[J].城市轨道交通研究,2000, (1): 31-33.
孙增田.屏蔽门系统在地铁中的应用前景.都市快轨交通.第18卷第2期2005年4月 4-7
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发表于 2017-6-30 20:38:45 | 显示全部楼层
通风风阀并不好用。。。火灾时没法有效及时关闭。
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