屏蔽门漏风量对空调负荷影响的探讨
摘 要：屏蔽门漏风量对公共区空调负荷的影响是地铁通风空调专业面临的难题。本文介绍了数值模拟计算和网络模型法在地铁屏蔽门漏风量计算中的应用，提出了屏蔽门漏风量产生的公共区额外负荷计算方法，对屏蔽门漏风量作为公共区新风量计算评判标准进行了探讨。
关键词：屏蔽门 漏风量 额外负荷 新风量
屏蔽门漏风量对地铁车站公共区空调负荷的影响，是地铁通风空调专业面临的难题，随着轨道交通的空前发展和节能减排政策不断深入，作为轨道交通机电设备能耗大户的通风空调专业更应对该难题进行深入研究。
1 屏蔽门漏风量计算方法综述
目前国内外对屏蔽门漏风量计算方法主要有两种：数值模拟计算和通风网络模型计算。
1.1 数值模拟计算
地铁隧道通风系统设计中各系统单位主要采用地铁环境模拟软件 SES 对隧道内温度场、速度场进行一维数值模拟计算。但受 SES 计算原理的限制，不能准确计算列车停站期间各屏蔽门的漏风量值，对屏蔽门漏风量的确定需要结合工程经验。目前国内外学者在SES基础上结合计算流体力学 CFD 进行模拟计算，用SES 的计算结果作为 CFD 模拟的边界条件，计算列车停站屏蔽门开启时，隧道与站台之间的风量交换[1~2]，图1~2 为笔者采用 CFD 计算方法得出的屏蔽门漏风量模型和气流速度场分布。但这些研究对仍局限于从定性角度上分析。文献[3]利用 SES 及 CFD 计算方法，对广州地铁6A和 4B 编组的列车进行了屏蔽门渗漏风量模拟，除了得出同文献[1]~[2]同样的渗漏风规律外，并对其渗漏风进行了定量的分析，得出模拟线路条件下的从隧道进入站台渗风量约占从站台进入隧道漏风量的 39%。并将通过屏蔽门进、出车站站台的冷热风流量差视局部排风量作为车站新风量的取值，作为高峰小时不超过 3 万人次客流的车站屏蔽门系统新风量的决定因素。然而遗憾的是文献[3]未提及模拟计算结果同实测数据的准确性验证。
1.2 通风网络模型计算
文献[4]~[5]对双活塞风井的地铁屏蔽门系统通风网络模型进行了计算。根据通风网络的串联和并联关系，求解各个支路的阻抗。最后根据屏蔽门所在支路的阻抗和2 个活塞风井支路的阻抗，得出如下计算式：
式中：G 为列车停站时车站隧道排热风量，m3/s；G0为单列列车停站时屏蔽门漏风量，m3/s；S0、Si分别为屏蔽门支路和活塞风井支路阻抗，kg/m7；GT0为屏蔽门开启时间段内漏风量，m3/s；T 为屏蔽门开启时间，s；N 为该时间段内行车对数，列/h。
文献[5]将实测结果同式（1）的估算结果进行对比，得知两者相差不大。这表明采用网络法计算可以得到较准确的屏蔽门漏风量，计算方法能够反映主要影响因素对漏风量的影响。与数值模拟计算相比，网络法具有建模简单、计算成本低、数据后处理方便迅速等优点。
2 屏蔽门漏风量负荷计算
2.1 屏蔽门漏风风量平衡模型
屏蔽门开启时，站台空气被车站隧道排热风机抽进隧道，在正负压作用下站内需要补充这部分空气，所以必然驱动气流经由出入口通道→站厅→站台→开启的屏蔽门活动门→区间轨排风道。图 3 为屏蔽门开启时车站内的风量平衡示意图。
各风量关系用公式表示为式（3）~（4）：
式中：G1为屏蔽门漏风引起从出入口流向站厅的风量，m3/s；G2为屏蔽门漏风引起从站厅流向站台的风量，m3/s；Gp1为站厅层排入出入口风量，m3/s；Gp2为站台层排入出入口风量，m3/s。
2.2 额外空调负荷计算
由于地铁公共区站厅、站台分别按不同设计参数进行设计，屏蔽门开启时产生的气流运动使室外气流同站厅气流、站厅气流同站台气流进行热交换，势必将增加额外的空调负荷。由式（3）~（4）可以得出额外空调负荷主要包括两部分。
1）额外新风负荷：由出入口新风流入站厅产生。
式中：Q1为额外新风负荷，kW；ρ 为空气密度，取 1.2kg/m3；Hw为室外新风焓值，kJ/kg；H1为站厅空气焓值，kJ/kg。
2）额外站台负荷：由于站厅气流流入站台产生。
其计算公式如下：
式中：Q2为额外站台负荷，kW；H2为站台空气焓值，kJ/kg。
另外，由于受流体网络模型原理限制，无法利用网络模型计算在列车刚停站屏蔽门开启时由隧道通过列车末端附近屏蔽门进入车站的渗风量，但据文献[6]的研究结果，渗风量近似为站台进入隧道风量的 3%~7%。由于这部分反向流量引起的负荷在车站额外负荷中所占比例较小，不需要很精确的计算，因此用式（7）来近似计算这部分流量对空调系统负荷的影响。
式中：Q3为额外渗风负荷，kW；HS为车站隧道空气焓值，kJ/kg。
3 新风量计算标准的探讨
3.1 目前新风量计算方法
对于屏蔽门系统的车站，目前车站公共区空调季节小新风运行时新风量确定方法主要有两种。
1） 方法一。取两者中的最大值：每计算人员按12.6m3/(人·h)计；不小于系统总送风量的 10%。
2） 方法二。取三者中的最大值：每计算人员按12.6m3/(人·h)计；不小于系统总送风量的 10%；屏蔽门漏风量。
这两种方法的区别在于屏蔽门漏风量是否作为确定公共区空调机组新风量的因素之一。对于广泛采用屏蔽门系统的南方地区，普遍采用方法二作为新风量计算标准。
3.2 对新风量计算方法二的探讨
根据文献[5]对岛式车站单侧屏蔽门漏风量实测统计结果，平均漏风量约 29.5m3/s，可见屏蔽门开启时的瞬时漏风量远远超过通过早高峰客流计算的人员新风量。若将屏蔽门漏风量直接作为新风量计算标准，这不仅需要耗费大量的新风机能耗，而且在屏蔽门关闭时使得大量站内冷空气被排出站外，导致大量的能源浪费。尽管文献[3]通过 CFD 模拟得出了定量的屏蔽门漏风量，但其数值模拟计算结果未通过实测数据验证且把屏蔽门进、出车站站台的冷热渗漏风流量差视局部排风量作为车站新风量的取值标准同屏蔽门开启时车站风量平衡原理的一致性值得进一步商榷。
由此笔者建议对地铁公共区新风量的计算仍然采用方法一，屏蔽门漏风量对车站公共区负荷的影响则按式（5）~（7），加入空调机组负荷以确定设备的冷却能力。这样一方面避免了列车离站后站内温湿度长时间降不下来，站台人员热舒适性降低，另一方面确保了空调机组配置容量满足远期运营要求。
4 结论及建议
1）屏蔽门漏风量增加了公共区额外空调负荷，主要分为额外新风负荷、额外站台负荷、额外渗风负荷。增加的额外空调负荷用以确定空调设备冷却能力，确保设备选型容量满足远期运营要求。
2）屏蔽门漏风量应根据风量平衡原理对其气流路径进行分析，不建议直接将屏蔽门漏风量作为新风量选取评判标准。
3）车站隧道排热风机是影响屏蔽门漏风量的主要因素，一方面对排热风机采用变频技术在地铁运营的初、近、远期采用不同排热风量，另一方面在出入口设置空气幕均可以在一定程度上减小屏蔽门漏风量。
参考文献
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