广州地铁集团有限公司 广州 510330
摘要：本文采用STESS模拟软件模拟计算了广州地铁原二号线隧道排热风机在全开、开启一半、全关三种运行模式下隧道内的温度值，并以二氧化碳浓度计算了隧道内的空气品质情况。计算结果表明，排热风机在开启一半时完全满足远期最热月隧道内空气温度和空气品质的要求。根据此结论，将原两台风机并联全开的运行模式调整为开启一半风机运行的节能模式。运行结果表明，此节能模式不仅减少了设备的维护维修工作量，而且节省了可观的运行电费，创造了良好的经济效益。
关键词：广州地铁；排热风机；节能运行模式；STESS模拟；CO2浓度
Research and Appliance for the Energy-saving Operation Mode of Exhaust Fansin Guangzhou Metro
Zhao Chengjun
(Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou, 510030)
Abstract In the paper, by using STESS（Subway Tunnel Environment Simulation Software）simulates the tunnel temperature in the three mode(both open, half open and off) of the exhaust fans and calculates the concentration of CO2 for evaluating the air quality in the tunnel. The results show that, when the exhaust fans open half, the air temperature and quality meet the requirement in the hottest time. Based on the conclusion, the former exhaust fan operation mode of both open was adjusted to open half. The run results show that the latter mode not only reduces the maintain work of fans, but also saves a considerable electricity charge and creates an economic benefits.
Keywords Guangzhou Metro, exhaust fans ;energy-saving operation mode; STESS Simulation ; concentration of CO2
1 广州地铁原二号线概况
广州地铁原二号线东起海珠区琶洲，西至白云区三元里，共设17座车站，分别为：三元里、广州火车站、越秀公园、纪念堂、公园前(和一号线换乘)、海珠广场、市二宫、江南西、晓港、中大、鹭江、客村（和三号线换乘）、赤岗、磨碟沙、新港东、琶洲、万胜围，全部为地下车站。2002年12月29日，广州地铁原二号线首通段(三元里－晓港)开始营运；2003年6月28日，三元里－琶洲段开始营运；2005年增设万胜围站，与广州地铁四号线换乘；2010年8月25日，原二号线正式拆解为二号线和八号线，分为两条线路独立营运。
图1 隧道通风系统图
2 广州地铁原二号线车站隧道通风系统概况
广州地铁原二号线全线共17个车站，在开通时全线设置有屏蔽门系统。空调系统按站台设置屏蔽门系统进行设计。车站设置有轨道排热风机，其主要作用是排除列车停站期间的空调冷凝器散热和列车刹车散热，保证《地铁设计规范》中规定的隧道内温度不高于40℃的要求［1］，同时改善隧道内的空气质量，使空气品质满足人体卫生要求。
原二号线标准站车站隧道通风系统见附图1，具体设置为：车站以中心线分为两端，每端站台配置两台排热风机并联运行，每个车站共设置4台排热风机［2］。各站排热风机的运行功率见附表1。排热风机开启时间与列车运营时间一致，每日运行时间6:00～23:30，约17.5小时，全年365天运行。由此可见，原二号线排热风机数量较多，运行功率较大，运行时间长，全年的电耗高，具有巨大的节能空间。
本文通过模拟计算和数值分析，研究了排热风机在全开、半开、全关三种不同运行方式下隧道内的温度变化及空气品质情况，进而确定了半开的节能运行模式，并应用到实际中，取得了良好的节能效果和社会效益。
3 排热风机运行方式对隧道内空气温度影响的模拟分析
3.1模拟计算参数设置
排热风机的运行方式会直接影响到隧道内的空气温度，为此采用地铁热环境模拟软件(STESS)对隧道空气温度进行模拟。STESS可应用于各种复杂的地区气象环境，针对不同的列车运行状况、客流情况、站台构造及通风空调方式等因素进行长、短期动态过程的模拟预测；计算各种条件下的地铁站台和隧道内部的风量、风速、温度、列车发热量、空调负荷；模拟环境控制能耗的状况，以及确定区间发生阻塞及火灾事故时的通风方案[3］。
首先，建立了原二号线的计算模型，对排热风机全开、半开和全关三种不同方式下原二号线隧道内温度进行了模拟研究。根据相关资料，明确了以下基本参数[2］：
隧道参数：计算模型中包括了广州地铁原二号线三元里到万胜围所有车站、车站区间距离及坡度等参数和不同隧道形式的断面参数。
列车参数：列车按照6列编组，列车空载总重量为220t，额定载客人数为310人/列，乘客体重按60kg/人，列车最高运行速度按80km/h，启动和制动加速度均为1m/s2，折返初速12m/s。
发车密度：根据广州地铁运行组织时刻表及近、远期规划，明确各个区间运行时间和各个车站的停车时间及初期（2004年）、近期（2014年）、远期（2029年）三个年段的发车密度。
隧道内照明及设备发热量按10w/m设定。
气温参数：室外空气计算参数采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中广州地区设计典型年(气温极高)逐时数据[4］。表2给出了计算采用的气象数据的各月平均干球温度。
3.2模拟计算结果
根据计算结果，排热风机全部运行时，远期隧道内最高温度不会高于40℃，表明可以考虑适当减小排热风量；排热风机全部关闭时，远期隧道内最高温度超过了40℃，表明仅依靠活塞风井进行空气交换，不能够满足隧道内的温度要求。根据上述两种模拟结果，本文重点研究了排热风机开启一半时，隧道内空气温度和品质的情况（由于篇幅有限，本文不再列出全开和全关模式下的模拟计算的具体数值，而重点列出了开启一半排热风机时，隧道内空气的温度的数值模拟计算及结果分析）。
根据表2，选择最不利状况下，即广州市平均温度较高的7月、8月和9月进行模拟，通过输入3.1所列的相关参数，隧道风机半开时的模拟结果如表3、4、5。
表3 排热风机半开工况下远期7月份隧道区间和站台隧道温度模拟结果（℃）
表4 排热风机半开工况下远期8月份隧道区间和站台隧道温度模拟结果（℃）
表5 排热风机半开工况下远期9月份隧道区间和站台隧道温度模拟结果（℃）
从上表可以看出，在只开启一半风机的模式下，最热月7，8，9三个月时间段的上下行区间隧道内空气的日最高小时月平均温度、月平均温度和月最高温度三个衡量值均没有超过40℃，满足《地铁设计规范》要求。
4 排热风机运行方式对隧道内空气品质的计算分析
4.1 活塞风井进、出风量计算
原二号线全部为地下车站，隧道内的空气主要是通过活塞风井与外界进行交换，空气品质的衡量主要是通过计算其内二氧化碳浓度是否超标，来判断是否满足人体卫生要求。
对于全线车站结构类似的地铁线路，排热风机风量主要来自活塞风井进风和屏蔽门漏风，而屏蔽门在运行的多数时间处于关闭状态，因而排热风量主要来自活塞风井。以市二宫站的实测数据为例，分析说明。测试结果表明，不同的排热风机运行方式后，活塞风井的进风量变化较大，表2是不同排热风机运行方式下。
由表6表明，在排热风机开启一半时，从活塞风井进入隧道的新鲜空气的风量为14.5×104m3/h，从隧道排出的风量为9.14×104m3/h。
4.2 隧道内CO2浓度计算
人体呼出气体中CO2浓度约为8×104mg/m3，人的呼吸次数约16次/分钟，每次呼吸空气量约0.5L[5］，室内正常状态下CO2的浓度约为1400 mg/m3，大城市室外空气中CO2浓度约800-1000 mg/m3［6］。列车6列编组的列车每车厢定员人数为310，超员人数为432。
设车厢内CO2浓度处于室内正常状态水平，则每个人CO2的产生量约为（8×104 -1400）×0.5×10-3×16×60=3.77×104 mg/h，车厢定员时整列全部乘员的CO2产生量为3.77×104×310×6=7.01 ×107mg/h。
活塞风将室外新鲜空气吸进隧道，将乘客产生的CO2进行稀释后，再通过活塞风排除。因此根据质量守恒定律，乘客产生的CO2质量与进入隧道的活塞风的CO2质量之和等于排除隧道的CO2质量。假设隧道内空气二氧化碳浓度为Xtunnelmg/ m3，则存在如下关系，Xair?Gair +Mmetro = Xtunnel?Gtunnel。式中，Xair为室外空气中二氧化碳含量，mg/m3，取1000mg/m3；Gair为室外进入隧道的空气流量，m3/h，取14.5×104m3/h；Mmetro为列车内乘客产生的二氧化碳，mg/h，取7.01×104 mg/h；Gtunnel为隧道流到室外的空气流量，m3/h，取9.14×104m3/h。
4.3 计算结果
根据上述公式，求得车厢内定员时隧道内二氧化碳浓度Xtunnel为2353 mg/m3；车厢超员时隧道内空气二氧化碳浓度为2655 mg/m3。参照公共交通等候室卫生标准[7]，要求候车室内二氧化碳浓度≤0.15%（即2950 mg/m3）。
通过对市二宫车站的测试和计算表明，在开启一半排热风机时，原二号线全线通过活塞风井交换的室外空气能够保证隧道内的二氧化碳浓度满足标准要求。
5 广州地铁原二号线隧道通风节能改造实施效果
根据科研成果报告结论，广州地铁对原二号线车站开展了节能模式运行，调整了新港东、磨碟沙、赤岗、客村、鹭江、中大、晓港、江南西、市二宫、公园前、纪念堂、越秀公园、广州火车站、三元里共计14个车站轨顶排热风机的运行模式，即每个车站每侧只开启一半排热风机（海珠广场站和琶洲站因管道系统复杂、万盛围站是新增车站，没有执行节能模式）。节能模式从2010年1月份开始执行，运行情况良好，没有出现异常情况。
5.1 经济效益：
执行节能模式后，原二号线14个改造后的车站风机每年可节约运行电量2981160 Kw?h，电费按0.80元/ Kw?h计算，则每年可节约电费约238万元。
5.2社会效益：
采用排热风机节能模式后，在满足隧道内空气温度和品质要求的前提下，减少了一半风机数量的运行，节省了电耗，减少了设备的维护维修工作量。同时，降低了风机运行噪音对周边环境的影响。
6 小结
6.1 本文仅对隧道排热风机进行数值模拟计算，模拟结果表明排热风机只开一半的运行方式下满足远期隧道内的温度要求。同时，对隧道内的空气品质进行了核算，表明空气品质符合要求，并成功应用。此研究结果对地铁隧道通风系统的设计及运营改造具有很好的借鉴作用。
6.2在实际运行中，隧道内空气温度和空气品质受客流、天气状况和地铁周边环境影响较大。建议在隧道内布置温度探头来检测隧道内的气温变化。布置二氧化碳探测仪器，测试隧道内的空气二氧化碳的浓度值，并根据检测结果及时调整隧道风机运行方式，确保满足空气温度和品质的要求。
6.3 隧道风机平时按照节能方式运行，在隧道和车站发生火灾时，应具备立即转为两台同时运行的模式，配合隧道通风或车站通风，迅速排除烟气，确保人员安全疏散。
参考文献：
[1]（GB50157—2003）《地铁设计规范》[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2]广州市地下铁道总公司，广州市地铁铁道设计研究院．广州地铁二号线设计总结[M].北京：科学出版社，2005：280-281.
[3]广州市地下铁道总公司，清华大学建筑学院．地铁屏蔽门系统的环境控制系统设计与运行优化模式研究[R].广州，2008：226-227.
[4]中国气象局气象信息中心，清华大学建筑科学系.《中国建筑热环境分析专用气象数据集》［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.
[5]http://iask.sina.com.cn/b/8041565.html.
[6]http://forum.xitek.com/forum-viewthread-action-printable-tid-637131.html.
[7]GB9672—1996《公共交通等候室卫生标准》[S].北京：计划出版社.
作者简介：
赵成军，男，通风空调工程师，硕士研究生，从事地铁工程的建设和运营的技术管理及研究方面的工作，zhaochengjun@gzmtr.com。
论文作者:赵成军
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/15
标签：隧道论文; 空气论文; 热风机论文; 温度论文; 车站论文; 二号线论文; 浓度论文; 《基层建设》2016年11期论文;