地铁测量方法研究

1、地铁热环境测量方法研究 编辑：凌月仙仙 作者：刘垚 李晓锋 朱 出处：中国论文下载中心 日期：2005-12-24 刘垚 李晓锋 朱颖心摘要： 地铁空调系统运行能耗是地铁总能耗的重要组成部分，研究地铁热环境，分析空调系统运行情况，对地铁节能具有重要意义。现场测量是进行地铁热环境研究的一种有效途径，但是由于地铁热环境的复杂性，目前没有较为完整的实际测量方法。本文主要提出一种适合工程应用的测量方法，对地铁热环境的实际测量工作起到一定的建议与指导作用。地铁热环境的测量主要包括三个方面：（1）地铁热环境参数的测量；（2）地铁气流分布参数的测量；（3）地铁设备运行能耗与人员负荷的测量。通过上述三个方面的

2、测量，建立地铁站的能量平衡关系式、风量平衡关系式和空调系统的负荷平衡关系式，为合理进行地铁空调系统的设计，分析评价地铁空调系统运行情况，优化地铁环控系统运行管理等，提供必要的数据基础。 关键词： 地铁 热环境 测量方法1 测量背景与目的地铁具有不同于其他民用建筑设施的热环境特征，其结构复杂，设备繁多，建设资金投入巨大，如何更好的提高地铁工程的经济性已成为行业发展关注的焦点。作为地铁系统环境控制核心部分的通风空调系统，担负着地铁线路站厅、站台、隧道正常工况的通风、供冷以及事故工况的火灾通风、阻塞通风等功能，在地铁系统中占有重要的位置。地铁系统运行总能耗巨大，其中以通风空调系统的能耗为主要组成部分

3、。为了了解地铁热环境的主要特性参数及空调系统的运行情况，分析车站能耗组成，需要进行实际工程测量。目前由于地铁工程的复杂性、庞大性，尚无完整、系统、合理的地铁热环境测量方法，因此需要在一定基础的实际测量过程中，总结地铁热环境的特点，分析提炼出简明、合理、适用于工程应用的测量方法，为地铁实际工程的热环境测量提供指导与帮助。2 测量原理与内容2.1 测量原理与模型建立本文采用四出口地下双层岛式车站作为地铁热环境测量标准站，以夏季空调系统开启工况作为主要测量环境。根据热力学基本定律，地铁标准站能量平衡关系式与气体流量平衡关系式分别如下：式中：通过壁面进入车站的热量；通过壁面流出车站的热量；出入口进风焓

4、值：出入口出风焓值；隧道列车活塞风进风焓值；隧道列车活塞风出风焓值；地铁空调系统送风焓值；地铁空调系统回排风焓值；列车设备发热量；车站电力设备发热量；车站人员发热量；（1.2）式中，出入口进风量：出入口出风量；列车活塞风进风量；列车活塞风出风量；空调系统送风量：空调系统回排风量；在实际测量中，地铁车站气体流量平衡关系式具有重要意义，是能量平衡关系式成立必要前提条件，并作为检验实际测量数据准确性的重要依据。为了进一步详细了解地铁空调系统的运行情况，根据热力学原理，可得到空调系统风量平衡关系式、能量平衡关系式及负荷平衡关系式：G回排风G新风G排风G送风 （1.3）H回排风H新风H排风H送风Q冷机

5、（1.4）综合地铁标准站能量平衡关系式与空调系统能量平衡关系式，可以得到地铁标准站空调负荷平衡关系式，可作为评价空调系统运行状况的依据。L空调L人员L设备L列车L新风L活塞风 （1.5）根据热力学知识，可以将能量平衡关系式中各种形式的能量计算式分别写出：传热量计算公式为。其中，为壁面传热量，为壁面瞬时热流密度，为壁面传热面积，为计算时间步长。这里规定，取值为正，因此计算出的与均为正值。空气焓值计算公式为：其中，为流动空气焓值，为空气密度，为流动空气瞬时速度，为计算时间步长，为流动空气过流断面的面积，为空气比焓。比焓又是空气温度与相对湿度的单值函数。发热量函数关系式为。其中为总发热量，为发热单元

6、数量，为发热单元发热功率，为发热时间。2.2 测量内容通过对地铁车站热环境进行能量平衡关系式及拓展关系式的理论分析，可以得到地铁热环境测量需要获得的目标参数，主要包括：空气温度、空气湿度、空气流速、过流断面、热流密度、水温度、水流量、固定发热单元（包括设备与人员）发热量等。在不同的测量参数中，又分别包含不同位置、不同对象、不同时间的测量，因此地铁热环境的测量是相当复杂的。2.3 测量仪器针对地铁热环境测量的主要参数，测量使用的仪器一般有温度计、湿度计、热流板、风速仪、流量计等。为了达到测量的目的和要求，所用仪器必须符合地铁系统热环境特点，便于实际工程应用，否则不能满足工程测量的要求。3 测量方

7、法与优化3.1 传统测量方法的局限一般的工程测量，根据前期理论分析，确定测量的对象及所需仪器，按照常规测量方法即可获得预期参数。由于地铁系统自身的复杂性及特殊性，传统测量仪器和测量方法在地铁热环境测量中具有很大的局限性，往往不能满足实际测量的需要。地铁热环境测量的特点主要表现在测量空间大、测点布置分散、测量数据多、参数变化频繁、采集时间长等方面，这就对实际测量中采用的仪器及方法有很高的要求。地铁工程实际测量，测量仪器的布置既不能影响地铁系统正常运行，还需达到采集准确数据的要求。通过多次测量与摸索，不断研究相应测量手段，同时也促进了地铁热环境测量仪器的开发和应用。目前适合地铁热环境测量的仪器需具

8、备以下特点：（1）体积小，便于布置，工作稳定，抗震性能好；（2）记录数据量大，自动采集数据，预设启动时间及采样步长，具有较高的人工智能性；（3）测量精度高，范围大，响应时间短，适合动态测量等。仪器的改进不能完全满足实际测量的要求，因此测量方法也需要进行必要的优化。这种优化是在多次测量基础上加以总结所得，更适用于实际工程测量，满足准确性要求。除进行一定的优化外，也可以根据实际应用、理论计算、误差允许等方面的要求对数据结果进行合理的简化。3.2 空气温度与湿度的实际测量空气温度与湿度作为地铁热环境的重要参数，是计算空气焓值不可缺少的部分。测量空气的温度与湿度，可采用热电偶温度自记仪与空气相对湿度自

9、记仪，自动记录地铁全天运行期间的各测点的温度与湿度。地铁系统各部分空气状态各不相同，分为逐时动态（如室外气象参数）与相对稳态（如空调送风参数）。对于动态空气参数可采集记录全天大量数据，对于相对稳态空气参数可在正常工况下进行一定量的数据采集，同时也可在误差允许范围内进行合理的近似与简化。3.2.1 简化站厅及出入口温度、湿度的测量通过已进行的实际测量发现，一般情况下地铁标准站的各出入口，在全天运行期间，进出空气的状态接近且变化趋势近似，因此可减少出入口温度、湿度测点的数目，以一个出入口的参数测量情况代表其他若干出入口空气的状态。若进一步简化，近似认为站厅空气性质均一，各个出入口对应的室外气象参数

10、一致，则可以认为由各出入口进入的空气状态即为室外气象参数，由各出入口流出的空气状态即为站厅空气参数。图3-1为实际测量获得的某地铁站三个出入口的空气温度逐时曲线（夏季，午后雨），变化趋势一致，测量值近似相等；图3-2为同一车站当天站台、站厅实际测量结果曲线，可近似认为在空调季为稳定状态。当实际工程中各出入口土建结构不同，站厅、出入口温度分布差异较大时，应布置不同的温度、湿度测点，保证测量的准确性。图3-1 某地铁站实际测量三个出入口空气温度测量曲线图3-2 某地铁站实际测量站厅、站台空气温度测量曲线3.2.2 简化站台及列车活塞风温度、湿度的测量通过已进行的实际测量发现，区间隧道内的空气参数在

11、地铁全天运行期间较为稳定，由列车周期运动影响而产生的波动幅度较小，一般温度波动在0.5，湿度波动在15。列车在进站前刹车电阻已启动，活塞风会吸收一部分热量，引起站端隧道口位置空气温度随列车运行呈周期性变化较为明显。列车在站台停靠后，由于轨底排风系统的作用，刹车电阻剩余发热量虽全部释放，但仅引起站台轨道两侧空气温度随列车运行呈周期变化（见图3-7、图3-8），而站台空间的空气状态由空调系统决定。在正常工况下，可近似认为站台空间的温度参数相对稳定（见图3-2）。图3-3为实际测量获得的隧道区间空气与壁面温度随列车周期运行的变化情况，图3-4为站端隧道口位置空气温度逐时曲线。图3-3 地铁隧道区间某

12、测点位置壁面与空气温度测量曲线 图3-4 地铁站端上、下游隧道口位置空气温度测量曲线 3.2.3 简化空调系统温度、湿度的测量通过理论分析与实际情况相结合，将空调系统设备使用发热量记入车站设备发热量，因此不考虑风机温升对空气的影响，因此空调系统中的空气温度、湿度测量不必全部测出送风、回风、排风、新风的参数。新风参数使用室外气象参数即可，回风参数与排风参数一致，但需区分站台回排风与站厅回排风。空调系统全天正常运行时送风参数应保持不变，站厅、站台的回排风会有一定的波动。实际测量情况见图3-5、图3-6 。 图3-5 某地铁站空调系统新风参数测量曲线 图3-6 某地铁站空调系统送风、站厅回排风、站台

13、回排风温度测量曲线3.2.4 简化壁面传热的测量为了分析车站与边界壁面的热交换情况，以及分析列车停靠站台时刹车电阻发热量进入车站系统的具体情况，需要对站台轨道两侧壁面的热流密度进行测量。使用热流密度板必须与壁面紧密接触，但地铁列车运行时产生振动较大，易使热流密度板脱落，增加了实际测量的难度。因此可将壁面与空气间热交换的测量方法做出修改，通过测量壁面温度、空气温度及空气综合温度，分别获得壁面与空气间对流换热量和辐射换热量。通过已进行的实际测量发现，空调正常运行的地铁标准站，边界壁面温度保持稳定，波动幅度很小，若认为站台空气性质均一，则车站通过壁面进行稳态热交换。由于列车的运行，刹车电阻发热量一部

14、分由隧道活塞风吸收，其余发热量均在列车停靠站台时释放。这部分释放的热量，一部分由车站轨底排风系统排出，一部分通过空气与壁面进行周期性热交换。因此，车站壁面与空气的动态热交换主要集中于轨道两侧下部，尤其是列车停站时刹车电阻箱位置对应的壁面附近为主要动态热交换区域（见图3-11）。测量结果显示，站台轨道两侧空气的温度波动幅度较大，充分反映出空气瞬时能量变化的剧烈程度；但轨道两侧壁面由于热工性质的差异，温度波动幅度较之空气显得很小，且具有一定的迟滞现象（见图3-7、图3-8）。为在实际测量获得站台轨道两侧由列车刹车电阻箱放热引起的壁面与空气热交换情况，需在至少包括一节完整列车长度停车位置范围内，沿长

15、度方向布置温度与湿度测点（见图3-9、图3-10），沿高度方向只需重点考虑下部壁面与空气的测点布置（见图3-11、图3-12），其余未测车厢段壁面与空气传热情况与测量位置车厢具有相似的变化规律。图3-7 站台轨道内侧某测点A位置壁面与空气温度测量曲线 图3-8 站台轨道内侧某测点B位置壁面与空气温度测量曲线 图3-9 某时刻（12：12）站台轨道外侧下部壁面与空气温度水平分布测量曲线图3-10 站台轨道外侧下部某测点D（图3-11中11测点）壁面与空气温度测量曲线图3-11 站台轨道外侧某测点C位置壁面温度垂直分布测量曲线 图3-12 站台轨道外侧某测点C位置空气温度垂直分布测量曲线 3.3

16、空气流速的实际测量地铁系统中风速的测量所用方法为使用热线风速自记仪记录地铁运行周期中某选定过流断面内一点或若干点处的瞬时风速，进而获得通过该断面的风量参数。实际测量过程中根据被测风速的三种特点，测量方法稍有不同，便于在工程中简单易行地实现测量。3.3.1 单向稳态空气流速的测量地铁空调系统正常运行时，风机风量、风阀开启状态固定，各管道流量基本不变，空气流动近似为单向稳态流动。实际测量中可不使用风速自记仪记录全天逐时运行数据，而使用转轮、转杯等手持式测量仪器测量空调系统正常运行时各相应管道断面、风口等的风速。具体测量步骤见图3-13，测量情况见图3-14。图3-13 不同断面测量风速方法示意图

17、图3-14 车站空调系统某风口风速测量曲线3.3.2 单向动态空气流速的测量：根据Stess模拟、CFD模拟及实际测量结果，当一列地铁列车进入地铁标准站时，活塞风由上游隧道进入车站，并由下游隧道流出车站，而同时引起站台内部空气由异侧线路隧道流出车站的风量较小，因此可认为列车活塞风在车站四条隧道内为单向动态流动，即车站四条隧道的活塞风方向与列车运行方向一致。在地铁标准站活塞风测量过程中，选择无变径、无弯头、接近车站的区间隧道断面作为测量断面，将风速自记仪布置于隧道壁面，并保证测头距壁面0.8米以上，且不可超过车辆限界。由于列车运行会产生较大的振动，风速自记仪必须放置牢固，必要时可布置备用风速自记

18、仪，测量情况见图3-15。图3-15 列车活塞风测量逐时风速曲线 图3-16 某地铁站两出入口风速测量曲线3.3.3 双向动态空气流速的测量地铁车站气流情况中，出入口空气流动为典型的双向动态流动。测量时除了记录逐时风速值外，还需区分测量风速的流动方向。在实际测量过程中，需获得列车运行一个以上完整周期时出入口进出风的风速，根据不同时段发车对数可计算该时段通过车站出入口进出风的总量。由于车站土建结构不同，会影响各出入口空气流速大小、流动方向，因此一般情况下需测量每个出入口的气流参数。实际测量情况见图3-16。此外实际工程中出现的侧式站台、单洞双线、迂回风道、活塞风井等形式，若需测量这些地铁结构中的

19、气流情况，一般都作为双向动态流动进行处理。3.4 统计参数的实际测量3.4.1 人员参数的测量车站人员分为固定人员（包括车站工作人员、商业服务业人员等）与流动人员（主要为地铁乘客）。固定人员的数量全天逐时基本保持稳定，发热量计算参考静坐（或站立）售货状态下人体新陈代谢率，平均停留时间按工作时间计算；流动人员的数量全天逐时变化，高峰时段数量较大，发热量计算参考行走（或站立）状态下人体新陈代谢率，在车站的平均停留时间一般按照4分钟计算。3.4.2 车站设备参数的测量车站各种电力设备，如电梯、检票机、照明等的使用时间、数量、发热情况可根据统计或运行记录获得。3.4.3 列车设备参数的测量列车主要发热设备为刹车电阻、列车空调冷凝器及其他附属电力系统，列车设备的使用时间、数量、发热情况可根据统计或运行记录获得。3.5 实际测量的辅助手段通过一系列的测量方法，针对不同目标参数进行测点选择、仪器布置、数据采集，就可以获得较为翔实准确的测量结果。但常规测量方法在改进优化的基础上也不能全部满足测量分析需要，因此需要采用其他特殊方法或相关模拟软件作为必要的辅助手段。例如，为验证空调系统负荷平衡关系式，必须计算列车活塞风进入站台部分的负荷，但这部分负荷不能直接从活塞风进出风的温度、湿度、风速等测量值求得。可在计算中引入“掺混系数”理论，通过示踪气体实验或CF