地铁安全门系统和屏蔽门系统舒适性与能耗性研究

刘宏声

摘    要：地铁的快捷和方便，使得其成为我国大型城市解决日益紧张的交通问题的主要方式。本文对安全门系统和屏蔽门系统舒适性和能耗性的研究采用的是模拟计算的方法。首先，针对两种系统的不同特点建立了两种系统的热湿负荷计算模型。然后，针对我国北方地区天津地铁一号线下瓦房站，以本课题组所建立的并已经实验验证合理有效的CFD模型，分别进行夏季空调工况和冬季工况舒适性的模拟计算。舒适性的研究主要通过车站站厅层、站台层站台区域不同断面的温度场、速度场、PMV、PPD等指标对比分析与研究。

关键词：安全门系统;屏蔽门系统;舒适性;能耗性;CFD模拟;能耗模拟

1  国内外发展与研究现状

我国的地铁环控研究始于20世纪80年代，清华大学在90年代后期对北京和上海地铁进行了长期现场测试，主要包括温度分布、列车散热量、壁面热流量、风速分布的24小时连续变化，以及站台空间气流场等。以此为实验基础，加上对流体网络非稳态流动、地下空间和非均质土壤层不稳定传热过程进行了深入的理论分析，开发了一套地铁热环境模拟分析软件STESS，对天津地铁，深圳拟建地铁进行数值模拟，对地铁车站和隧道热环境控制系统的可行性研究、方案比选和技术经济分析、设计咨询，以及对环控系统进行改造、自动控制系统设计指导等提供技术支持。

2  地铁环控的重要性

地铁一般都深处地下，车站和列车行车隧道被数米至数十米厚的土层覆盖，与外界的空气交换只能通过车站的出入口和有限的隧道风井来进行。同时列车运行、设备运转和乘客等会发出大量的热量;列车刹车时产生大量粉尘，乘客和工作人员的新陈代谢也产生大量的热湿负荷和CO2流体;同时由于地铁周围土壤通过地铁围护结构的渗湿量也很大。仅靠空气的自然流动和扩散，是无法排除如此巨大的热湿负荷和污染物，从而难以保持地铁内部环境的舒适性。据广东省疾病控制中心提供的资料显示，纽约地铁里的金属钢尘是铬、锰、铁的重要污染源。

3  地铁安屏蔽门系统与安全门系统

地铁屏蔽门系统为从上到下的一道玻璃隔墙与活动门，设置方式是沿着车站站台边缘与两端头，将站台乘客候车区与列车进站停靠区区分开，具有较高的安全性，并且系统运行时所需能耗较少。而安全门系统与屏蔽门系统相比，结构方式更为简单，也可以起到对乘客的安全保护作用，同时还具有降噪作用。但是安全门系统并不能起到节能作用，车站通风空调系统能耗比较高，并且在前期设备投运所需成本较高。地铁交通位于地下环境，车站与区间隧道设计为长條形地下建筑，除出入口、通风亭以及隧道洞口可以与室外环境沟通外，其余部门基本上与大气环境隔绝，必须要设置环控系统来保证乘客的安全性与舒适性，并在保证系统正常运行的同时降低能耗。屏蔽门系统通过将车站空间与列车运行空间区分开，可以减少车站空调冷气进入到隧道内，且减少了列车刹车时产生的热量进入到候车区，同时还可以减少出入口因列车活塞作用吸入大量新风形成的冷负荷，所需能耗更低。

4  安全门系统和屏蔽门系统优缺点分析

4.1  安全门系统优缺点分析

4.1.1  安全门系统优点

①安全性地铁列车在隧道内运行时产生强烈的活塞效应，这样当列车进入站台时将会给站台候车的乘客带来被活塞风吹吸的危险。装设安全门后，由于站台与隧道空间有有一定的隔挡，避免了活塞风对站在的直接影响。

②节省初投资。安全门系统相比屏蔽门体统优势是安全门系统可以节省初投资。在有些地区和同一地区的不同线路当受到初投资费用过高困扰时安全门系统在环控系统中便发挥了其优势。

4.1.2  安全门系统缺点

安全门系统的缺点是其不能起到节能的作用，不能有效减少车站通风空调系统的能耗，并且设备初投资要高于屏蔽门系统，运行和维修费用也高于屏蔽门系统。

4.2  屏蔽门系统优缺点分析

4.2.1  屏蔽门系统优点

①安全性。地铁列车在隧道内运行时产生强烈的活塞效应，这样当列车进入站台时将会给站台候车的乘客带来被活塞风吹吸的危险。装设屏蔽门后，由于站台与隧道空间有屏蔽门隔离开来。只有当列车停靠站台，并且列车门与屏蔽门完全对正时，屏蔽门才同时打开，以便乘客上下车，从而避免了乘客探头张望和随车奔跑的现象，也避免了候车人员及物跌落站台轨道的危险。另外，屏蔽门上还安装了探测各种障碍物的传感器，一旦有障碍物存在，传感器发出的信息将使屏蔽门再开闭机构动作，这样可有效地减少车门挟人、挟物的事故。

②节能。由于地下车站和区间隧道是长条形的地下建筑，除车站的出人口、通风亭和隧道洞口与室外沟通外，基本上与大气隔离，因此需要环控系统来保证乘客安全、舒适和确保设备使用寿命。设置第一种类型屏蔽门系统后，车站空间与列车运行空间完全隔开，避免了大量空调冷气进入隧道，减少了列车刹车时所散发出的热量进入候车区，并减少站台出入口由于列车活塞作用吸人大量新风所形成的冷负荷。这样首先是减少了冷量消耗，达到空调节能的目的，其次是减少空调设备容量，相应地减少了空调机房土建面积与投资。

5  地铁屏蔽门系统与安全门系统全面能耗模拟对比

5.1  EnergyPlus模拟计算机程序

EnergyPlus模拟计算过程主要可以分为三个步骤，即数据输入、数据计算以及结果输出。以天津市下瓦房站为例，其为双层岛式站台结构，模拟车站分区与各区设计温度如表1所示。车站维护结构不考虑对站厅顶与站厅底，四周维护结构其中外层为钢筋混凝土衬砌，设计厚度为350～600mm。结构内层为土壤，厚度设计为3m。另外，利用程序来模拟下瓦房车站屏蔽门系统与安全门系统夏季均选择用全空气空调系统，且在过渡季节与冬季阶段，安全门系统选择用自然通风方式，而屏蔽门系统在过渡季节选择用新风机供给新风与排风机排风，冬季则只有新风机提供新风。

5.2  系统通风运行模式

第一，屏蔽门系统。夏季空调通风运行，在室外空气焓值大于回风焓值时，选择用最小新风量工况;当室外焓值小于或等于回风焓值时，选择全新风工况。在过渡季节，关闭空调水系统提供供冷，仅开启新风机供给新风。冬季隧道区通风，活塞风井自然进风，对隧道进行冷却。第二，安全门系统。夏季空调运行模式与屏蔽门系统相同。过渡季阶段，地铁运行时间段为开式运行，关闭制冷系统进入通风运作模式，活塞风井自然通风，实现隧道的冷却。冬季通风运行方式为闭式运行，仅仅维持乘客舒适度最小新风量。且出入口进口供给新风。

5.2  模拟结果分析

空调季空调通风系统运行能耗主要为制冷机、空气处理机组、泵、风机以及冷却塔等部分，在整个阶段内制冷机能耗存在一定差异，在外界温度最高的7、8月份能耗最高，屏蔽门系统制冷机能能耗大约为安全门系统的40%。且就空调季各时间段系统泵能耗进行分析，可以确定屏蔽门能耗大约为安全门系统的1/3。而冬季能耗分析，安全门系统通风能耗为零，屏蔽门系统需运行新风机补充乘客所需新风量，存在一定的能耗。安全门系统空调能耗要远大于屏蔽门系统，而屏蔽门系统通风能耗要高于安全门系统，综合分析全年屏蔽门系统运行能耗更具优势。

6  结束语

地铁安全门系统要比屏蔽门系统更为简单，且同样具有安全性特点，但是在实际运行中，对两种系统运行能耗进行对比分析，可以确定屏蔽门系统运行所需能耗更低，更符合低碳发展理念，具有更广阔的发展空间。

参考文献：

[1] 徐波.地铁安全门系统和屏蔽门系统舒适性与能耗性研究[D].天津：天津大学，2007.

[2] 李曦.地铁环控系统能耗对比分析与研究[D].南昌：华东交通大学，2014.