地铁地面站热环境对运营安全的影响及改进——以北京市亦庄文化园站为例

谭 虓教授级高级工程师 刘 涛工程师 刘 欣高级工程师 彭 李工程师 刘 旭工程师

(1.北京市地铁运营有限公司机电分公司,北京100043;2.北京市轨道交通设计 研究院有限公司 北京市轨道交通工程技术研究中心,北京 100068)

0 引言

北京地铁的地面车站和高架车站站台均采用半开放式设计,大部分站台层长度为120m左右,公共区域未设置通风空调系统[1],仅使用自然通风,纵向自然通风效果较差。在夏季,环境持续高温,为保证车厢内温度适宜,车内空调必须长时间满负荷运行,停靠站台时,会将大量的冷凝热排放于站台,导致站台温度升高。当站台最高气温达到35℃时,为确保列车行车安全,需增加轨温测量次数,防止热胀冷缩引起轨道伸缩变形;从地铁站设备安全运行的角度而言,若设备产生的热量不能及时排除,对通信、供电、机电设备的安全运行也将产生一定的影响;地铁站高峰时人员较多,导致人员热湿负荷较大,从而造成夏季站台闷热的环境,候车时乘客常常发生昏厥。为此,降低轨道交通地面车站温度,保障地面车站的运营安全,提升地铁运营服务品质成为北京市民的焦点问题[2-4]。

半开放式的站台层设置通风空调系统,很难通过传统中央空调系统技术实现对公共区环境的有效调节。目前,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的研究多集中于站台围护结构的优化设计[5-6],如增设屋檐和突出的幕墙等遮光措施,但由于建筑规模和采光需求等,站台温度改善效果不明显。基于此,本文以北京市亦庄文化园站乘客候车区热环境的改善为例,通过分析车站情况和改善要求,提出一套适用于地面及高架车站站台公共区降温的通风空调系统解决方案,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性设备。此方案的实施可提升地铁运营服务品质、保障车站的安全运营。

1 车站概况及改善设计要求

1.1 车站概况

亦庄文化园站是北京地铁亦庄线的一个车站,位于北京市大兴区天华东路和文化园西路的交汇处。亦庄文化园站呈东西走向,为典型的2层地面侧式车站,地面一层为站厅层,二层为站台层(开敞式设计),车站设置半高站台门,如图1。

经现场踏勘测量发现,站台层温度与室外温度相近或略高,如图2。

图1 亦庄文化园站改造前状态Fig.1 Status before improvement of thermal environment of Yizhuang Cultural Park Station

图2 亦庄文化园站站内外温度Fig.2 Temperature inside and outside Yizhuang Cultural Park Station

1.2 热环境改善设计要求

由于国内外规范对地铁站台公共区无具体的设计标准,国内既有站台公共区基本采用自然通风设置。近年来,随着设备精度不断提升及乘客对地铁车站环境的要求日益提高,国内部分地面及高架车站公共区进行了通风空调的改造。如:采用设置摇头风扇或者吊扇的局部通风措施,由于所选摇头风扇风量较小,降温效果并不明显;采用多联机空调系统,由于站台层是开放式设计且建筑物的热辐射严重,致使多联机空调系统制冷效果不明显。

结合现场情况,本文设计目标为:改造后候车区局部室内温度比室外温度低3～5℃,以提升乘客候车的舒适性,改善列车、轨道及车站设备的运行环境,提高运营的安全性。

2 技术方案

亦庄文化园站技术改造采用12台蒸发冷却机组直接送风的方式,利用空气与水直接接触换热,实现蒸发降温效果。首先,在站台南侧和北侧候车区分别设置13个环境检测点,在南侧靠近中间出入口处设置一个环境对比检测点(此处不在蒸发冷却机组的送风范围内),作为热环境改善的对比检测点;然后,对检测点进行连续一个月的温度检测;最后,对比环境检测点和环境对比检测点的日平均温度,同时,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟温度分布和风速等级。

2.1 系统原理

蒸发冷却机组采用逆流湿帘作为降温介质,水从湿帘的顶部沿湿帘的波纹表面均匀地流下,使湿帘从上到下均匀地湿润,冷气机内部的离心风机工作时,抽风产生压力,迫使未饱和的空气流经多孔湿润湿帘表面,空气中大量的显热转化为潜热,迫使进入室内的空气从干球温度降低接近湿球温度,增加了空气的湿度。同时,空气中的水分在蒸发过程中吸收空气中的热量,使干燥的热空气变为洁净湿润的凉爽空气,从而起到降温、增湿的作用。设备参数,见表1。

表1 技术优化设备参数Tab.1 Equipment parameters for technical optimization

2.2 方案布置

蒸发冷却机组布置在站台侧后方,出风口在机组上部,距地面约2m的位置,风成扇形吹向站台门候车区域,每节车厢对应布置一台蒸发冷却机组,如图3。

图3 方案布置Fig.3 Schematic layout

2.3 检测、分析方法

实验中采用温度计、风速仪作为测试仪器。全部蒸发冷却机组运行超过30min后,测量26个环境检测点和环境对比检测点的温度,并计算26个环境检测点的风速平均值。

温度场和风速场的模拟采用ANSYS软件进行CFD建模,以Fluent软件进行计算。模拟过程中遵循质量、动量、能量守恒,由于站台空间较大同时考虑湍动能的变化。

3 数据分析与讨论

3.1 环境检测点温度

26个环境检测点的位置靠近上车点,环境对比检测点在南侧靠近中间出入口处,如图4。进行连续一个月的温度检测,每日平均温度数据,如图5。

由图5可知,环境对比检测点最高温度为35.6℃,站台26个环境检测点最高温度为31.6℃;站台温降最大达到4.76℃(8月13日),站台月平均温度为28.75℃。由此可见,采用蒸发冷却机组进行站台热环境改善具有可行性。

图4 检测点布置Fig.4 Layout of detection points

图5 亦庄文化园站热环境温度改善对比Fig.5 Temperature comparison of Yizhuang Cultural Park Station after improvement of thermal environment

采用蒸发冷却机组直接送风方式对轨道交通地面站进行热环境改善,可使地面站维持在较舒适的温度下,不仅提高了乘客及工作人员的舒适性,也改善了车站行车系统、轨道系统及通信信号等设备系统的运行环境,从而提高车站运营的安全性。

3.2 CFD模拟分析

3.2.1 温度模拟分析

为准确分析整个站台层的温度分布,了解蒸发冷却机组对整个站台温降的影响,对亦庄文化园站进行温度分布分析,选取环境温度为35.6℃进行模型计算。站台1.5m高处温度分布,如图6;最高温日环境检测点温度,见表2。

图6中2条白线代表南北两侧各13处环境检测点所处的位置。环境检测点靠近上车点,其温度即为乘客候车时所处的环境温度。从图6可知,增加蒸发冷却机组后,除车站两端及电梯扶梯口外,整个站台温度都有明显降低,和表2实地检测的温度相符合(平均温度为31.6℃,平均温降4℃),也符合热环境改善设计目标。且现场调研显示,乘客认为体感降温明显,设备报故障率降低。

图6 站台1.5m高处温度分布Fig.6 Temperature distribution at 1.5m above the platform

表2 最高温日环境检测点温度Tab.2 Temperature of environmental detection points on maximum temperature day

3.2.2 风速模拟分析

除站台温度场分布外,站台风速对站台热环境的改善也是一个重要的指标参数。对站台1.5m高处风速场分布进行模拟,计算结果如图7。

从图7可知,增加12台蒸发冷却机组以直接送风的方式可覆盖除站台设备间外的全部空间,在机组风口处直线位置风速明显较高,可以达到3～5m/s,属于3级微风;其他区域风速较低,约为1.8m/s左右,属于2级轻风。从风速等级数据可知,蒸发冷却机组给整个站台带来的是轻微风等级,给乘客提供了舒适的候车体验。

图7 站台1.5m高处风速分布Fig.7 The speed distribution of wind at 1.5m above the platform

综上所述,轨道交通地面站采用蒸发冷却技术,可降低车站的环境温度,且温度、风场覆盖范围较广,让乘客获得更舒适的体验感。不仅改善了乘客的候车环境,提升了地铁的运营服务品质,而且改善了列车、轨道及车站设备的运行环境,降低了地铁设备的故障率,提高了运营的安全性。对轨道交通新线建设、工程改造等均具有较强的技术价值和指导意义。

4 结论

采用蒸发冷却机组直接送风方式对地面站(亦庄文化园站)的热环境进行改善后,通过实测数据及模拟分析可知:

(1)采用蒸发冷却技术,夏季地面站台平均温降接近5℃,提升了乘客候车的舒适性,改善了地铁运营服务品质,也降低了通信信号等设备的故障率,提高了运营的安全性。

(2)通过CFD软件对温度场和风速场的模拟分析,12台蒸发冷却机组带来的温度降低可覆盖除车站两端及电梯扶梯口外的所有空间;同时,还给除车站两端设备外的所有空间营造轻微级的风速场,让乘客获得舒适的体验感。