地鐵測量方法研究

1、地鐵熱環(huán)境測量方法研究 編輯：凌月仙仙 作者：劉垚 李曉鋒 朱 出處：中國論文下載中心 日期：2005-12-24 劉垚 李曉鋒 朱穎心摘要： 地鐵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗是地鐵總能耗的重要組成部分，研究地鐵熱環(huán)境，分析空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況，對地鐵節(jié)能具有重要意義。現(xiàn)場測量是進(jìn)行地鐵熱環(huán)境研究的一種有效途徑，但是由于地鐵熱環(huán)境的復(fù)雜性，目前沒有較為完整的實(shí)際測量方法。本文主要提出一種適合工程應(yīng)用的測量方法，對地鐵熱環(huán)境的實(shí)際測量工作起到一定的建議與指導(dǎo)作用。地鐵熱環(huán)境的測量主要包括三個方面：（1）地鐵熱環(huán)境參數(shù)的測量；（2）地鐵氣流分布參數(shù)的測量；（3）地鐵設(shè)備運(yùn)行能耗與人員負(fù)荷的測量。通過上述三個方面的

2、測量，建立地鐵站的能量平衡關(guān)系式、風(fēng)量平衡關(guān)系式和空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷平衡關(guān)系式，為合理進(jìn)行地鐵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分析評價地鐵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況，優(yōu)化地鐵環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)行管理等，提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 地鐵 熱環(huán)境 測量方法1 測量背景與目的地鐵具有不同于其他民用建筑設(shè)施的熱環(huán)境特征，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備繁多，建設(shè)資金投入巨大，如何更好的提高地鐵工程的經(jīng)濟(jì)性已成為行業(yè)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)。作為地鐵系統(tǒng)環(huán)境控制核心部分的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著地鐵線路站廳、站臺、隧道正常工況的通風(fēng)、供冷以及事故工況的火災(zāi)通風(fēng)、阻塞通風(fēng)等功能，在地鐵系統(tǒng)中占有重要的位置。地鐵系統(tǒng)運(yùn)行總能耗巨大，其中以通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗為主要組成部分

3、。為了了解地鐵熱環(huán)境的主要特性參數(shù)及空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，分析車站能耗組成，需要進(jìn)行實(shí)際工程測量。目前由于地鐵工程的復(fù)雜性、龐大性，尚無完整、系統(tǒng)、合理的地鐵熱環(huán)境測量方法，因此需要在一定基礎(chǔ)的實(shí)際測量過程中，總結(jié)地鐵熱環(huán)境的特點(diǎn)，分析提煉出簡明、合理、適用于工程應(yīng)用的測量方法，為地鐵實(shí)際工程的熱環(huán)境測量提供指導(dǎo)與幫助。2 測量原理與內(nèi)容2.1 測量原理與模型建立本文采用四出口地下雙層島式車站作為地鐵熱環(huán)境測量標(biāo)準(zhǔn)站，以夏季空調(diào)系統(tǒng)開啟工況作為主要測量環(huán)境。根據(jù)熱力學(xué)基本定律，地鐵標(biāo)準(zhǔn)站能量平衡關(guān)系式與氣體流量平衡關(guān)系式分別如下：式中：通過壁面進(jìn)入車站的熱量；通過壁面流出車站的熱量；出入口進(jìn)風(fēng)焓

4、值：出入口出風(fēng)焓值；隧道列車活塞風(fēng)進(jìn)風(fēng)焓值；隧道列車活塞風(fēng)出風(fēng)焓值；地鐵空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)焓值；地鐵空調(diào)系統(tǒng)回排風(fēng)焓值；列車設(shè)備發(fā)熱量；車站電力設(shè)備發(fā)熱量；車站人員發(fā)熱量；（1.2）式中，出入口進(jìn)風(fēng)量：出入口出風(fēng)量；列車活塞風(fēng)進(jìn)風(fēng)量；列車活塞風(fēng)出風(fēng)量；空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量：空調(diào)系統(tǒng)回排風(fēng)量；在實(shí)際測量中，地鐵車站氣體流量平衡關(guān)系式具有重要意義，是能量平衡關(guān)系式成立必要前提條件，并作為檢驗(yàn)實(shí)際測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要依據(jù)。為了進(jìn)一步詳細(xì)了解地鐵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，根據(jù)熱力學(xué)原理，可得到空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量平衡關(guān)系式、能量平衡關(guān)系式及負(fù)荷平衡關(guān)系式：G回排風(fēng)G新風(fēng)G排風(fēng)G送風(fēng) （1.3）H回排風(fēng)H新風(fēng)H排風(fēng)H送風(fēng)Q冷機(jī)

5、（1.4）綜合地鐵標(biāo)準(zhǔn)站能量平衡關(guān)系式與空調(diào)系統(tǒng)能量平衡關(guān)系式，可以得到地鐵標(biāo)準(zhǔn)站空調(diào)負(fù)荷平衡關(guān)系式，可作為評價空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的依據(jù)。L空調(diào)L人員L設(shè)備L列車L新風(fēng)L活塞風(fēng) （1.5）根據(jù)熱力學(xué)知識，可以將能量平衡關(guān)系式中各種形式的能量計(jì)算式分別寫出：傳熱量計(jì)算公式為。其中，為壁面?zhèn)鳠崃?，為壁面瞬時熱流密度，為壁面?zhèn)鳠崦娣e，為計(jì)算時間步長。這里規(guī)定，取值為正，因此計(jì)算出的與均為正值?？諝忪手涤?jì)算公式為：其中，為流動空氣焓值，為空氣密度，為流動空氣瞬時速度，為計(jì)算時間步長，為流動空氣過流斷面的面積，為空氣比焓。比焓又是空氣溫度與相對濕度的單值函數(shù)。發(fā)熱量函數(shù)關(guān)系式為。其中為總發(fā)熱量，為發(fā)熱單元

6、數(shù)量，為發(fā)熱單元發(fā)熱功率，為發(fā)熱時間。2.2 測量內(nèi)容通過對地鐵車站熱環(huán)境進(jìn)行能量平衡關(guān)系式及拓展關(guān)系式的理論分析，可以得到地鐵熱環(huán)境測量需要獲得的目標(biāo)參數(shù)，主要包括：空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、過流斷面、熱流密度、水溫度、水流量、固定發(fā)熱單元（包括設(shè)備與人員）發(fā)熱量等。在不同的測量參數(shù)中，又分別包含不同位置、不同對象、不同時間的測量，因此地鐵熱環(huán)境的測量是相當(dāng)復(fù)雜的。2.3 測量儀器針對地鐵熱環(huán)境測量的主要參數(shù)，測量使用的儀器一般有溫度計(jì)、濕度計(jì)、熱流板、風(fēng)速儀、流量計(jì)等。為了達(dá)到測量的目的和要求，所用儀器必須符合地鐵系統(tǒng)熱環(huán)境特點(diǎn)，便于實(shí)際工程應(yīng)用，否則不能滿足工程測量的要求。3 測量方

7、法與優(yōu)化3.1 傳統(tǒng)測量方法的局限一般的工程測量，根據(jù)前期理論分析，確定測量的對象及所需儀器，按照常規(guī)測量方法即可獲得預(yù)期參數(shù)。由于地鐵系統(tǒng)自身的復(fù)雜性及特殊性，傳統(tǒng)測量儀器和測量方法在地鐵熱環(huán)境測量中具有很大的局限性，往往不能滿足實(shí)際測量的需要。地鐵熱環(huán)境測量的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在測量空間大、測點(diǎn)布置分散、測量數(shù)據(jù)多、參數(shù)變化頻繁、采集時間長等方面，這就對實(shí)際測量中采用的儀器及方法有很高的要求。地鐵工程實(shí)際測量，測量儀器的布置既不能影響地鐵系統(tǒng)正常運(yùn)行，還需達(dá)到采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的要求。通過多次測量與摸索，不斷研究相應(yīng)測量手段，同時也促進(jìn)了地鐵熱環(huán)境測量儀器的開發(fā)和應(yīng)用。目前適合地鐵熱環(huán)境測量的儀器需具

8、備以下特點(diǎn)：（1）體積小，便于布置，工作穩(wěn)定，抗震性能好；（2）記錄數(shù)據(jù)量大，自動采集數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)啟動時間及采樣步長，具有較高的人工智能性；（3）測量精度高，范圍大，響應(yīng)時間短，適合動態(tài)測量等。儀器的改進(jìn)不能完全滿足實(shí)際測量的要求，因此測量方法也需要進(jìn)行必要的優(yōu)化。這種優(yōu)化是在多次測量基礎(chǔ)上加以總結(jié)所得，更適用于實(shí)際工程測量，滿足準(zhǔn)確性要求。除進(jìn)行一定的優(yōu)化外，也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用、理論計(jì)算、誤差允許等方面的要求對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行合理的簡化。3.2 空氣溫度與濕度的實(shí)際測量空氣溫度與濕度作為地鐵熱環(huán)境的重要參數(shù)，是計(jì)算空氣焓值不可缺少的部分。測量空氣的溫度與濕度，可采用熱電偶溫度自記儀與空氣相對濕度自

9、記儀，自動記錄地鐵全天運(yùn)行期間的各測點(diǎn)的溫度與濕度。地鐵系統(tǒng)各部分空氣狀態(tài)各不相同，分為逐時動態(tài)（如室外氣象參數(shù)）與相對穩(wěn)態(tài)（如空調(diào)送風(fēng)參數(shù)）。對于動態(tài)空氣參數(shù)可采集記錄全天大量數(shù)據(jù)，對于相對穩(wěn)態(tài)空氣參數(shù)可在正常工況下進(jìn)行一定量的數(shù)據(jù)采集，同時也可在誤差允許范圍內(nèi)進(jìn)行合理的近似與簡化。3.2.1 簡化站廳及出入口溫度、濕度的測量通過已進(jìn)行的實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，一般情況下地鐵標(biāo)準(zhǔn)站的各出入口，在全天運(yùn)行期間，進(jìn)出空氣的狀態(tài)接近且變化趨勢近似，因此可減少出入口溫度、濕度測點(diǎn)的數(shù)目，以一個出入口的參數(shù)測量情況代表其他若干出入口空氣的狀態(tài)。若進(jìn)一步簡化，近似認(rèn)為站廳空氣性質(zhì)均一，各個出入口對應(yīng)的室外氣象參數(shù)

10、一致，則可以認(rèn)為由各出入口進(jìn)入的空氣狀態(tài)即為室外氣象參數(shù)，由各出入口流出的空氣狀態(tài)即為站廳空氣參數(shù)。圖3-1為實(shí)際測量獲得的某地鐵站三個出入口的空氣溫度逐時曲線（夏季，午后雨），變化趨勢一致，測量值近似相等；圖3-2為同一車站當(dāng)天站臺、站廳實(shí)際測量結(jié)果曲線，可近似認(rèn)為在空調(diào)季為穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)實(shí)際工程中各出入口土建結(jié)構(gòu)不同，站廳、出入口溫度分布差異較大時，應(yīng)布置不同的溫度、濕度測點(diǎn)，保證測量的準(zhǔn)確性。圖3-1 某地鐵站實(shí)際測量三個出入口空氣溫度測量曲線圖3-2 某地鐵站實(shí)際測量站廳、站臺空氣溫度測量曲線3.2.2 簡化站臺及列車活塞風(fēng)溫度、濕度的測量通過已進(jìn)行的實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，區(qū)間隧道內(nèi)的空氣參數(shù)在

11、地鐵全天運(yùn)行期間較為穩(wěn)定，由列車周期運(yùn)動影響而產(chǎn)生的波動幅度較小，一般溫度波動在0.5，濕度波動在15。列車在進(jìn)站前剎車電阻已啟動，活塞風(fēng)會吸收一部分熱量，引起站端隧道口位置空氣溫度隨列車運(yùn)行呈周期性變化較為明顯。列車在站臺停靠后，由于軌底排風(fēng)系統(tǒng)的作用，剎車電阻剩余發(fā)熱量雖全部釋放，但僅引起站臺軌道兩側(cè)空氣溫度隨列車運(yùn)行呈周期變化（見圖3-7、圖3-8），而站臺空間的空氣狀態(tài)由空調(diào)系統(tǒng)決定。在正常工況下，可近似認(rèn)為站臺空間的溫度參數(shù)相對穩(wěn)定（見圖3-2）。圖3-3為實(shí)際測量獲得的隧道區(qū)間空氣與壁面溫度隨列車周期運(yùn)行的變化情況，圖3-4為站端隧道口位置空氣溫度逐時曲線。圖3-3 地鐵隧道區(qū)間某

12、測點(diǎn)位置壁面與空氣溫度測量曲線 圖3-4 地鐵站端上、下游隧道口位置空氣溫度測量曲線 3.2.3 簡化空調(diào)系統(tǒng)溫度、濕度的測量通過理論分析與實(shí)際情況相結(jié)合，將空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備使用發(fā)熱量記入車站設(shè)備發(fā)熱量，因此不考慮風(fēng)機(jī)溫升對空氣的影響，因此空調(diào)系統(tǒng)中的空氣溫度、濕度測量不必全部測出送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)、新風(fēng)的參數(shù)。新風(fēng)參數(shù)使用室外氣象參數(shù)即可，回風(fēng)參數(shù)與排風(fēng)參數(shù)一致，但需區(qū)分站臺回排風(fēng)與站廳回排風(fēng)。空調(diào)系統(tǒng)全天正常運(yùn)行時送風(fēng)參數(shù)應(yīng)保持不變，站廳、站臺的回排風(fēng)會有一定的波動。實(shí)際測量情況見圖3-5、圖3-6 。 圖3-5 某地鐵站空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)參數(shù)測量曲線 圖3-6 某地鐵站空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)、站廳回排風(fēng)、站臺

13、回排風(fēng)溫度測量曲線3.2.4 簡化壁面?zhèn)鳠岬臏y量為了分析車站與邊界壁面的熱交換情況，以及分析列車?？空九_時剎車電阻發(fā)熱量進(jìn)入車站系統(tǒng)的具體情況，需要對站臺軌道兩側(cè)壁面的熱流密度進(jìn)行測量。使用熱流密度板必須與壁面緊密接觸，但地鐵列車運(yùn)行時產(chǎn)生振動較大，易使熱流密度板脫落，增加了實(shí)際測量的難度。因此可將壁面與空氣間熱交換的測量方法做出修改，通過測量壁面溫度、空氣溫度及空氣綜合溫度，分別獲得壁面與空氣間對流換熱量和輻射換熱量。通過已進(jìn)行的實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，空調(diào)正常運(yùn)行的地鐵標(biāo)準(zhǔn)站，邊界壁面溫度保持穩(wěn)定，波動幅度很小，若認(rèn)為站臺空氣性質(zhì)均一，則車站通過壁面進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱交換。由于列車的運(yùn)行，剎車電阻發(fā)熱量一部

14、分由隧道活塞風(fēng)吸收，其余發(fā)熱量均在列車?？空九_時釋放。這部分釋放的熱量，一部分由車站軌底排風(fēng)系統(tǒng)排出，一部分通過空氣與壁面進(jìn)行周期性熱交換。因此，車站壁面與空氣的動態(tài)熱交換主要集中于軌道兩側(cè)下部，尤其是列車停站時剎車電阻箱位置對應(yīng)的壁面附近為主要動態(tài)熱交換區(qū)域（見圖3-11）。測量結(jié)果顯示，站臺軌道兩側(cè)空氣的溫度波動幅度較大，充分反映出空氣瞬時能量變化的劇烈程度；但軌道兩側(cè)壁面由于熱工性質(zhì)的差異，溫度波動幅度較之空氣顯得很小，且具有一定的遲滯現(xiàn)象（見圖3-7、圖3-8）。為在實(shí)際測量獲得站臺軌道兩側(cè)由列車剎車電阻箱放熱引起的壁面與空氣熱交換情況，需在至少包括一節(jié)完整列車長度停車位置范圍內(nèi)，沿長

15、度方向布置溫度與濕度測點(diǎn)（見圖3-9、圖3-10），沿高度方向只需重點(diǎn)考慮下部壁面與空氣的測點(diǎn)布置（見圖3-11、圖3-12），其余未測車廂段壁面與空氣傳熱情況與測量位置車廂具有相似的變化規(guī)律。圖3-7 站臺軌道內(nèi)側(cè)某測點(diǎn)A位置壁面與空氣溫度測量曲線 圖3-8 站臺軌道內(nèi)側(cè)某測點(diǎn)B位置壁面與空氣溫度測量曲線 圖3-9 某時刻（12：12）站臺軌道外側(cè)下部壁面與空氣溫度水平分布測量曲線圖3-10 站臺軌道外側(cè)下部某測點(diǎn)D（圖3-11中11測點(diǎn)）壁面與空氣溫度測量曲線圖3-11 站臺軌道外側(cè)某測點(diǎn)C位置壁面溫度垂直分布測量曲線 圖3-12 站臺軌道外側(cè)某測點(diǎn)C位置空氣溫度垂直分布測量曲線 3.3

16、空氣流速的實(shí)際測量地鐵系統(tǒng)中風(fēng)速的測量所用方法為使用熱線風(fēng)速自記儀記錄地鐵運(yùn)行周期中某選定過流斷面內(nèi)一點(diǎn)或若干點(diǎn)處的瞬時風(fēng)速，進(jìn)而獲得通過該斷面的風(fēng)量參數(shù)。實(shí)際測量過程中根據(jù)被測風(fēng)速的三種特點(diǎn)，測量方法稍有不同，便于在工程中簡單易行地實(shí)現(xiàn)測量。3.3.1 單向穩(wěn)態(tài)空氣流速的測量地鐵空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)閥開啟狀態(tài)固定，各管道流量基本不變，空氣流動近似為單向穩(wěn)態(tài)流動。實(shí)際測量中可不使用風(fēng)速自記儀記錄全天逐時運(yùn)行數(shù)據(jù)，而使用轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)杯等手持式測量儀器測量空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時各相應(yīng)管道斷面、風(fēng)口等的風(fēng)速。具體測量步驟見圖3-13，測量情況見圖3-14。圖3-13 不同斷面測量風(fēng)速方法示意圖

17、圖3-14 車站空調(diào)系統(tǒng)某風(fēng)口風(fēng)速測量曲線3.3.2 單向動態(tài)空氣流速的測量：根據(jù)Stess模擬、CFD模擬及實(shí)際測量結(jié)果，當(dāng)一列地鐵列車進(jìn)入地鐵標(biāo)準(zhǔn)站時，活塞風(fēng)由上游隧道進(jìn)入車站，并由下游隧道流出車站，而同時引起站臺內(nèi)部空氣由異側(cè)線路隧道流出車站的風(fēng)量較小，因此可認(rèn)為列車活塞風(fēng)在車站四條隧道內(nèi)為單向動態(tài)流動，即車站四條隧道的活塞風(fēng)方向與列車運(yùn)行方向一致。在地鐵標(biāo)準(zhǔn)站活塞風(fēng)測量過程中，選擇無變徑、無彎頭、接近車站的區(qū)間隧道斷面作為測量斷面，將風(fēng)速自記儀布置于隧道壁面，并保證測頭距壁面0.8米以上，且不可超過車輛限界。由于列車運(yùn)行會產(chǎn)生較大的振動，風(fēng)速自記儀必須放置牢固，必要時可布置備用風(fēng)速自記

18、儀，測量情況見圖3-15。圖3-15 列車活塞風(fēng)測量逐時風(fēng)速曲線 圖3-16 某地鐵站兩出入口風(fēng)速測量曲線3.3.3 雙向動態(tài)空氣流速的測量地鐵車站氣流情況中，出入口空氣流動為典型的雙向動態(tài)流動。測量時除了記錄逐時風(fēng)速值外，還需區(qū)分測量風(fēng)速的流動方向。在實(shí)際測量過程中，需獲得列車運(yùn)行一個以上完整周期時出入口進(jìn)出風(fēng)的風(fēng)速，根據(jù)不同時段發(fā)車對數(shù)可計(jì)算該時段通過車站出入口進(jìn)出風(fēng)的總量。由于車站土建結(jié)構(gòu)不同，會影響各出入口空氣流速大小、流動方向，因此一般情況下需測量每個出入口的氣流參數(shù)。實(shí)際測量情況見圖3-16。此外實(shí)際工程中出現(xiàn)的側(cè)式站臺、單洞雙線、迂回風(fēng)道、活塞風(fēng)井等形式，若需測量這些地鐵結(jié)構(gòu)中的

19、氣流情況，一般都作為雙向動態(tài)流動進(jìn)行處理。3.4 統(tǒng)計(jì)參數(shù)的實(shí)際測量3.4.1 人員參數(shù)的測量車站人員分為固定人員（包括車站工作人員、商業(yè)服務(wù)業(yè)人員等）與流動人員（主要為地鐵乘客）。固定人員的數(shù)量全天逐時基本保持穩(wěn)定，發(fā)熱量計(jì)算參考靜坐（或站立）售貨狀態(tài)下人體新陳代謝率，平均停留時間按工作時間計(jì)算；流動人員的數(shù)量全天逐時變化，高峰時段數(shù)量較大，發(fā)熱量計(jì)算參考行走（或站立）狀態(tài)下人體新陳代謝率，在車站的平均停留時間一般按照4分鐘計(jì)算。3.4.2 車站設(shè)備參數(shù)的測量車站各種電力設(shè)備，如電梯、檢票機(jī)、照明等的使用時間、數(shù)量、發(fā)熱情況可根據(jù)統(tǒng)計(jì)或運(yùn)行記錄獲得。3.4.3 列車設(shè)備參數(shù)的測量列車主要發(fā)熱設(shè)備為剎車電阻、列車空調(diào)冷凝器及其他附屬電力系統(tǒng)，列車設(shè)備的使用時間、數(shù)量、發(fā)熱情況可根據(jù)統(tǒng)計(jì)或運(yùn)行記錄獲得。3.5 實(shí)際測量的輔助手段通過一系列的測量方法，針對不同目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測點(diǎn)選擇、儀器布置、數(shù)據(jù)采集，就可以獲得較為翔實(shí)準(zhǔn)確的測量結(jié)果。但常規(guī)測量方法在改進(jìn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上也不能全部滿足測量分析需要，因此需要采用其他特殊方法或相關(guān)模擬軟件作為必要的輔助手段。例如，為驗(yàn)證空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷平衡關(guān)系式，必須計(jì)算列車活塞風(fēng)進(jìn)入站臺部分的負(fù)荷，但這部分負(fù)荷不能直接從活塞風(fēng)進(jìn)出風(fēng)的溫度、濕度、風(fēng)速等測量值求得?？稍谟?jì)算中引入“摻混系數(shù)”理論，通過示蹤氣體實(shí)驗(yàn)或CF