地铁空调系统负荷如何计算？

    与普通建筑环境相比,地铁运行环境具有显著的特殊性,对空调系统的要求也更高。为了确保地铁车厢内环境的舒适性和安全性,需要对地铁空调系统进行精确的负荷计算和分析。本文将从地铁空调负荷特点、热量来源、防排烟设计等方面,深入探讨地铁空调系统的设计要点。

1、 地铁空调负荷特点

   

1.1 负荷变化大  
地铁空调负荷具有显著的动态特性,主要受客流量和列车运行状态的影响。在早晚高峰时段,大量乘客进出车厢,造成空调负荷急剧变化。此外,列车启动、加速、制动等过程也会引起空调负荷的波动[1]。因此,地铁空调系统必须具有良好的动态响应能力,以适应负荷的快速变化。

1.2 隧道环境影响大  
地铁隧道内温度、湿度较高,显热和潜热负荷都较大。特别是在夏季,隧道温度可达35℃以上,相对湿度也在60%以上[2]。这种高温高湿的环境会显著增加空调系统的制冷负荷。此外,隧道压力波动也会对车厢环境产生影响,需要在空调系统设计中予以考虑。

1.3 设备发热量大  
地铁车辆中的牵引电机、制动电阻等设备在运行过程中会产生大量的发热,这些发热会直接进入车厢,增加空调系统的冷却负荷。根据实测数据,设备发热量可达车厢总冷负荷的30%以上[3]。合理评估和控制设备发热,是地铁空调系统设计的重要考量因素。

1.4 新风负荷大  
为了保证乘客的舒适性和车厢空气品质,地铁空调系统需要引入大量新风。新风不仅会带来显热负荷,还会带来大量的潜热负荷。据测算,新风负荷可占总冷负荷的20%以上[4]。如何在满足新风需求的同时,减小新风负荷对制冷系统的影响,是地铁空调设计需要解决的问题。

 

2、地铁空调通风系统设计

         

2.1 机械通风    

 

当活塞式通风不能满足地铁除余热与余湿的要求时，要设置机械通风系统。根据地铁系统的实际情况，可在车站与区间隧道分别设置独立的通风系统。车站通风一般为横向的送排风系统；区间隧道一般为纵向的送排风系统。这些系统应同时具备排烟功能。区间隧道较长时，宜在区间隧道中部设中间风井。对于当地气温不高，运量不大的地铁系统，可设置车站与区间连成一起的纵向通风系统，一般在区间隧道中部设中间风井，但应通过计算确定。  

 

2.2 闭式系统  

 

闭式系统使地铁内部基本上与外界大气隔断，仅供给满足乘客所需的新鲜空气量。车站一般采用空调系统，而区间隧道的冷却是借助于列车运行的“活塞效应”携带一部分车站空调冷风来实现。这种系统多用于当地最热月的月平均温度高于25℃、且运量较大、高峰时间内每小时的列车运行对数和每列车车辆数的乘积大于180的地铁系统。  

 

2.3 屏蔽门系统  

 

在车站的站台与行车隧道间安装屏蔽门，将其分隔开，车站安装空调系统，隧道用通风系统(机械通风或活塞通风，或两者兼用)。若通风系统不能将区间隧道的温度控制在允许值以内时，应采用空调或其他有效的降温方法。安装屏蔽门后，车站成为单一的建筑物，它不受区间隧道行车时活塞风的影响。车站的空调冷负荷只需计算车站本身设备、乘客、广告、照明等发热体的散热，及区间隧道与车站间通过屏蔽门的传热和屏蔽门开启时的对流换热。  

 

2.4 此时屏蔽门系统  

 

车站空调冷负荷仅为闭式系统的22%～28%，且由于车站与行车隧道隔开，减少了运行噪声对车站的干扰，不仅使车站环境较安静、舒适，也使旅客更为安全。地铁环控系统一般采用屏蔽门制式环控系统或闭式环控系统。屏蔽门制式系统即：站台和轨行区分开，车站为独立的制冷、除湿区、因此有安全、节能和美观等优点。由于屏蔽门的隔断，屏蔽门制式环控系统形成了两个相对独立的系统——车站空调通风系统和隧道通风系统。  

 

优缺点对比：

 

 

3、 地铁热量来源及负荷分析      

         

3.1 乘客散热  
乘客散热是地铁空调负荷的主要来源之一。成年乘客的显热散热量为155W,潜热散热量为105W[5]。假设某地铁车厢高峰期乘客数量为250人,则乘客散热产生的冷负荷为:
显热负荷:250×155=38750W=38.75kW
潜热负荷:250×105=26250W=26.25kW
需要注意的是,乘客散热量会随着车厢拥挤度、乘客活动状态等因素而变化。在负荷计算中,应考虑一定的裕量,以应对乘客散热的波动。

3.2 设备发热  
牵引电机、辅助设备、照明等是地铁车厢内的主要发热设备。以某型号地铁列车为例,牵引电机和辅助设备的总发热量约为150kW[6]。车厢照明按每节车厢50只21W荧光灯计算,照明发热负荷为1.05kW。
设备发热量还与列车的运行工况有关。在加速、爬坡等工况下,牵引电机的发热量会显著增大。因此,在进行空调负荷计算时,需要针对不同工况下的设备发热量进行分析。

3.3 围护结构传热  
车厢围护结构(车体、车窗、地板等)与外界环境存在温差,会通过传热方式增加空调负荷。以某地铁车厢为例,围护结构总面积为230m2,传热系数为1.3W/(m2·K),车厢内外温差按20℃计算,则围护结构传热负荷为:
230×1.3×20=5980W=5.98kW
实际运行中,车厢内外温差会随环境条件和空调系统运行状态而变化。在进行负荷计算时,应选取合理的设计工况,并预留一定的调节裕量。

3.4 新风负荷  
引入新风会给空调系统带来显热和潜热负荷。以某地铁车厢为例,新风量为5000m3/h,外界空气温度35℃,相对湿度70%,车内目标温度27℃,相对湿度60%,则新风显热负荷为23.25kW,潜热负荷为20.31kW[7]。
新风负荷还受到隧道环境、列车速度等因素的影响。例如,当列车高速运行时,车厢与隧道之间的压差会导致新风量增大,进而增加新风负荷。因此,在进行新风负荷计算时,需要综合考虑各种影响因素。

3.5 总负荷分析  
综合以上各项负荷,并考虑一定的裕量,某地铁列车的空调系统总冷负荷约为:
38.75+26.25+150+1.05+5.98+23.25+20.31≈265kW
相当于75RT(1RT=3.517kW)的制冷量。
在实际工程设计中,还需进一步考虑列车披载、隧道环境、运行工况等因素的影响,以及系统能效比、经济性等指标,来最终确定空调系统的装机容量和配置方案。

 

 

4、 地铁防排烟设计      

         

地铁防排烟设计是保障乘客安全的关键环节。一旦发生火灾,需要及时启动防排烟系统,控制烟雾蔓延,为乘客疏散创造条件。地铁防排烟系统通常由排烟风机、排烟阀、防火阀等组成[8]。其中,排烟风机是防排烟系统的核心设备,其可靠性直接影响到整个系统的性能。
值得一提的是,丹佛斯变频器采用了独特的"火灾模式",能够显著提升防排烟系统的可靠性。当变频器检测到火灾信号时,会自动切换到特定的控制策略,强制启动排烟风机,并能在600℃高温下连续工作120分钟[9]。这种"火灾模式"的设计,大大提高了地铁防排烟系统的可靠性和安全性,为乘客提供了更加可靠的安全保障。

5. 优化设计与节能分析      

         

5.1 空调系统形式优化  
地铁空调系统的形式选择,对系统性能和节能效果有重要影响。目前,地铁空调系统主要有集中式和分布式两种形式。集中式空调系统将制冷机组集中布置在列车端部,通过风管将冷风输送到各节车厢。这种形式布局紧凑,维护方便,但存在冷量输送损失大、系统灵活性差等问题。分布式空调系统则将制冷机组分散布置在各节车厢,每节车厢独立控制。这种形式可根据各车厢的实际负荷需求进行独立调节,具有更高的灵活性和节能潜力[10]。
因此,在地铁空调系统设计中,应根据实际情况,合理选择集中式或分布式形式,以达到最佳的性能和节能效果。

5.2 变频控制策略优化  
变频控制是提高地铁空调系统节能效果的重要手段。传统的定频控制方式下,空调系统无法根据负荷变化进行调节,导致能耗浪费。采用变频控制后,可以根据车厢温度、乘客数量等参数,实时调节压缩机和风机的运行频率,使制冷量与负荷需求相匹配,从而达到节能目的[11]。
在变频控制策略优化中,可采用模糊控制、预测控制等智能算法,根据历史数据和实时监测数据,预测未来一段时间的负荷变化,提前调整压缩机和风机频率,实现更加精准和高效的控制[12]。同时,还可结合乘客舒适度评价模型,在满足舒适性要求的前提下,进一步优化变频控制策略,最大限度地减少能耗。

5.3 新风系统优化  
优化新风系统是减小地铁空调负荷、提高节能效果的另一个重要方面。传统的新风系统全新风运行,能耗较高。采用新风热回收技术,可以显著降低新风负荷。例如,使用转轮式热回收装置,可以将排风中的热量和湿气转移到新风中,从而减小新风的显热和潜热负荷[13]。
另一种优化方式是采用变新风量控制策略。根据车厢CO2浓度、乘客数量等参数,动态调节新风量,在满足车厢空气品质要求的同时,最小化新风负荷[14]。这种策略可以在高峰期适当减小新风量,在客流较少时增大新风量,从而在保证乘客舒适度的同时,达到节能目的。

参考文献:
[1] 陈阳,李明.地铁环境控制系统设计探讨[J].制冷与空调,2015,29(2):51-55.
[2] 徐大鹏.地铁车辆空调系统设计与控制策略研究[D].西南交通大学,2018.
[3] 蒋兆贤.地铁车辆牵引与辅助系统[M].北京:中国铁道出版社,2013:162-165.
[4] 陈福泉.地铁空调系统设计及节能分析[J].制冷与空调,2014,28(6):31-35.
[5] 李娜.地铁车辆空调系统的设计与节能研究[D].西安交通大学,2016.
[6] 王鹏,张永清.某型地铁车辆空调系统设计[J].客车技术与研究,2012(4):20-24.
[7] 马鸿雁.地铁车辆空调系统负荷计算及节能分析[D].北京交通大学,2019.
[8] 孙明哲.地铁防排烟系统设计与优化[J].消防科学与技术,2018,37(8):1099-1102.
[9] 丹佛斯.VACON 100 FLOW变频器选型手册[EB/OL]. 
[10] 姚志刚,刘加平,黄晶晶.地铁车辆空调系统形式及节能分析[J].制冷与空调,2016,30(2):130-134.
[11] 张永清,王鹏.地铁车辆空调系统的变频节能控制[J].城市轨道交通研究,2015,18(9):71-74.
[12] 刘俊杰.地铁车辆空调系统节能控制策略研究[D].西南交通大学,2017.
[13] 李三民,吴亚非,柳贺楠.地铁车辆空调系统新风热回收技术应用[J].制冷与空调,2021,35(2):209-214.
[14] 马庆龙,汪之江.地铁车辆空调系统新风量优化控制研究[J].城市轨道交通研究,2020,23(10):24-27.

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