地面站热环境控制技术研究

刘涛、郭宏巍、刘旭、肖杰、黄涛

（1.北京市地铁运营有限公司机电分公司技术部，北京 100043；2.北京市地铁运营有限公司机电分公司第一项目部，北京 100079；3.北京市地铁运营有限公司机电分公司安全质量部，北京 100043；4.北京金淏源净化技术有限公司，北京 100070）

1 研究背景

随着我国经济的高速发展，城市化、区域化进程的加快，城市轨道交通成为市民出行首选的交通出行方式。北京是我国最早修建轨道交通的城市，经过多年的发展，目前已开通运营的轨道交通线路18 条，总运营里程超过554km。城市轨道交通在设计、建设阶段，综合线路地质、经济等因素，北京建设了地面站、高架车站共70 余座。大部分地面站或高架站站台层长度为120m 左右，此类型车站站厅一般位于地面层，站台位于高架层或站厅及站台均位于高架层。地面站及高架车站在建设时期，车站公共区域未设置通风空调系统，车站公共区域仅考虑自然通风、排烟。而纵向自然通风效果较差，且轨道交通站高峰时人员较多，导致人员热湿负荷较大，从而造成夏季站台闷热的环境。地面站及高架车站在夏季站台及站厅温度相对较高，站台温度常达到35℃以上，个别车站甚至超过40℃。满足乘客对轨道交通站候车环境舒适性的需求，改善轨道交通站乘客候车区的候车环境成为工程技术人员必须面对的课题。

地面站及高架站公共区室内热源较多，人员密度比较大，其热环境很难通过传统中央空调系统实现公共区环境的有效调节，同时传统中央空调系统在开放式空间能耗较大。改善室内空气流动，特别是自然、新鲜空气的流动，是室内热环境改善的途径。自然通风是暖通空调行业利用自然资源最直接的方式之一，其具有建筑运行能耗低、提高建筑室内空气等特点。国内外的轨道交通地面站及高架站公共区建设初期基本是采取自然通风的措施，但自然通风受室外环境包括但不限于室外温度、相对湿度及空气质量等影响，无法进行有针对性的合理空气调节，普遍存在夏季站内闷热的现象。国内外轨道交通针对地面及高架站特别是站台层夏季降温，尚未有成熟的技术方案和产品支持。综上所述都为本课题的研发提供大量的基础数据和实际需求，为本课题研发成果的落地示范提供了广阔的平台。

2 亦庄文化园站试点分析

研究实施亦庄文化园站乘客候车区热环境改善的方案，以站内温湿度+能效比为双核心监控指标提出通风空调系统的节能运行方案、策略及关键指标的控制参数十分必要。通过此次试点站研究将获得地面站乘客候车区热环境方案的梳理，研发一套适用于地面及高架车站站台公共区降温的智能高效关键性组合空调设备及监控系统，实现智能运维。

2.1 亦庄文化园站改造前状况

亦庄文化园站整体呈东西走向，东西长124.6m，南北宽23.1m，围护结构至候车屏蔽门7.1m；建筑整体采用钢结构框架基础，南北两侧外围护结构为全玻璃幕墙结构，轨行区上顶两侧为自然采光结构；整体站内结构热负荷大，受室外环境空气质量影响大，经现场测试站内温度与室外温度接近，而在夏季日照强烈时间段，站内温度受阳光辐射影响，高于室外空气温度。

2.2 热环境改造方案概述

2.2.1 方案论证

北京的气候为暖温带半湿润半干旱季风气候，同时根据上述北京地区历史气象参数进行分析，可以判断每年5 月下旬至9 月中旬是气温比较高的时间段，日照强度及时间长均较高（见图1）。

图1 北京四季天气

根据北京地区历史气象参数分析，该时间段平均温度为22～28℃，相对湿度为43%～62%。站台空间属于比较炎热干燥的环境，考虑节能因素，湿度＜60%时可采用“等焓降温”方式，而湿度＞60% 时可采用“等湿降温”方式。

状态点计算：由空气焓湿图2 计算。

图2 空气焓湿图

（1）当初始状态点相对湿度＜60%时：

状态点A——干球温度：26℃。相对湿度：56%。

对应焓值为：56.4kJ/kg。

状态点B——干球温度：22.1℃。相对湿度：80%。

对应焓值固定（等焓）：56.4kJ/kg。

（2）当初始状态点相对湿度＞60%时：

状态点C——干球温度：28℃。相对湿度：68%。露点温度：21.4℃。

状态点D——干球温度：21.1℃。相对湿度：68%。露点温度：15℃。

由计算数值可以看出，两种方式在不同状态下可降温4～7℃，满足设计需求，因此可以采用直接蒸发式冷风机作为降温系统的主要设备，而夏季温度较高时需要配置空气源冷水机组控制水温（确保在空气露点温度以下）[1]。

2.2.2 方案概述

专用直接蒸发式冷风机组设备布置于站台侧后方，出风口在设备上部，距地面约2m 的位置，由4 个球形喷口形成扇形吹向列车靠站方向，间隔约20m 放置一台，让候车人群得到设备送风。列车通过站台产生的活塞风成为设备的进风来源，同时也成为环境的自然排风。《蒸发冷却通风空调系统设计与安装》图集，对于这样的非潮湿（中等湿度）环境，人流量密集的公共场所取换气次数30～35 次/h，取值30 次/h，则单侧站台冷风送风量应为9000m3/h；两侧站台供选用12 台蒸发冷却机组（见图3）。

图3 蒸发冷却机组覆盖区域示意图

2.3 专用蒸发冷却机组

亦庄文化园站热环境改造工程采用专用蒸发冷却机组，有别于市场上常规蒸发式冷风机：第一，该设备采用无极变频离心风机，在确保风量的同时可保持一定的风压，从而提高有效的送风距离。第二，该设备采用球形喷口式风口，不仅设备美观且送风角度调节灵活，便于送风角度及辐射范围的调整。第三，具备完善的自控控制系统和全面的安全保护措施，有别于常规设备的简单启停控制，更节能更安全。第四，采用环保高分子纤维湿帘，蒸发面积更大，布水更均匀。第五，设备自带储水箱具有自动补水、溢水保护等多重功能，减少人员工作量，提升系统运行安全。

专用蒸发冷机组外形尺寸：1500mm×530mm×2150mm，单台循环风量为6000～9000m3，单侧站台可安装6 台设备。地铁专用蒸发冷机组送风口采用4 组球形喷嘴风口，层两侧风口采用直径180mm 球形喷嘴，下层中间位置两个风口采用直径250mm 球形喷嘴。

2.3.1 标准工况风量及风口风速计算

（1）标准工况设定基础：蒸发冷机组中间6.5m 处风速1.5m/s。

（2）中间风口计算：

中间风口风速：11～12m/s（参考现有样机测试数据）。

中间单位风口风量：

（3）两侧风口计算：

两侧单位风口风量：2030m3/h（通过导流尽可能保证4 个风口风量一致）。

两侧风口风速：

（4）标准工况下总结：

设备总风量：8000m3/h。

风感：正面6.5m 处风感2 级（风速1.5m/s）；两侧13m 处 风 感0～1 级。

推算两侧13m 距离处风速：参考现有样机测试数据，同时简化气流损失曲线为线性关系，每米距离风速降低1.87～1.55m/s；因此，两侧13m 处风速估算0.2～0.5m/s，存在微风感觉[2]。

2.3.2 最大运行工况下风量及风口风速计算

（1）最大运行工况设定基础：蒸发冷机组两侧13m 处风速1.5m/s。

（2）两侧风口计算：

两侧风口风速：26m/s（参考现有样机测试数据）。

两侧风口风量：

（3）中间风口计算：

中间风口风速：

推算中间6.5m 距离处风速：参考现有样机测试数据，同时简化气流损失曲线为线性关系，每米距离风速降低1.87～1.55m/s；因此中间6.5m 处风速估算1.5～3.2m/s，风感较大。

（4）最大运行工况下总结：

设备总风量：9400m3/h。

风感：两侧13m 处风感1 级（风速1.5m/s）；中间6.5m 处风感2～3 级（风速1.5～3.2m/s）。

2.3.3 框架与面板

（1）框架采用不锈钢材质，防腐性高，强度高。

（2）面板采用镀锌钢板材质，内外喷塑工艺，外观美观；边角采用倒角形式，更美观；面板整体成型，结构更坚固，整体设备重量更小。

（3）结构采用侧回风结构，保证回风效果；正面检修门，便于设备检修；球形喷口式风口确保有效送风距离。

2.3.4 变频离心风机

（1）主要参数

额定电压：380V。额定频率：50Hz。额定功率：1.8kW。转数：1350r/min。

（2）性能指标

电机防护等级：IP55。电机工作制：S1 级。

2.3.5 控制系统

当地控制器自带12 个物理按键操控；自带红外遥控接收；LCD 液晶屏蓝色背光动态显示；标准485 通信；默认12 档风速调节；通风、制冷、自动及定时开关机功能；预留BAS 接口，可与站内原有BAS 系统对接。

2.3.6 湿帘

主要性能指标为展开面积：45m2。环氧指数：27.4%。防火等级：B1 级。

2.3.7 储水箱

设备自带不锈钢储水箱，水箱压制成型，具有自动补水、溢水保护、排水等功能。自带溢水报警功能，当发生溢水故障时，报警功能进行提示，同时自动关闭补水系统，防止水源浪费。

2.4 水路系统

亦庄文化园站经现场查勘及测算，冷源直接采用自来水，但考虑北京地区自来水水质较硬，会对湿帘换热产生不利影响，因此每侧系统增加一套独立的软化水系统。专用蒸发冷却机组采用浮球阀装置实现自动补水及水位控制，因此水路系统增加定压变频水泵作为补水动力，实现自动补水功能；同时，考虑临时停水或软化水装置反冲洗（设定为夜间自动运行）等不确定情况的发生，增设有效容积1m³的储水箱进行缓冲。

3 检测数据分析

亦庄文化园站热环境改造工程实施后，2022 年8月8 日至9 月6 日进行持续的数据检测，同时对照站台结构相似的邻站（亦庄桥站）进行对比，检测数据达到预计效果。

检测过程采用两种方式分别进行：检测方法一，采用单点对应检测方式，主要对比环境温度与改造后站台温度；检测方法二，采用覆盖方式进行检测，再通过汇总平均值反映环境温度与改造后站台温度差异。

4 结语

针对轨道交通地面站及高架站的热环境，分析其形成的原因，研究现有暖通、通风技术特点，研发可改善轨道交通地面站及高架站热环境的设备。通过项目的实施，使用阶段的数据检测分析，验证了选取合适的送风量、送风距离、风速、供水量可有效改善乘客候车环境舒适性。送风温度可调、自适应选择送风风速、人工智能技术的采用，是设备未来迭代升级的方向。