地铁空调系统负荷如何计算？
地铁空调系统负荷如何计算？
地铁作为城市公共交通的重要组成部分，其空调系统的合理设计和负荷计算对于保障乘客舒适度和安全性至关重要。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。
示意图，不对应文中任何具体信息
地铁空调负荷特点
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。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。
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。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。
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。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。
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。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。
地铁空调通风系统设计
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。
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。
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。
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。
地铁热量来源及负荷分析
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。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。
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。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。
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。
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。
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。
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。
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。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。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。
优化设计与节能分析
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。
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。
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。
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。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。
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。
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。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。