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地铁安全门对环境控制系统的能源消耗的影响：台北地铁系统个案研究
Shih-Cheng Hu , Jen-Ho Lee
（空调和制冷工程部，台湾省 台北市 10608；台北国立科技大学，台北 10608）
摘要：本次研究主题为安全门（PSD）对台北的大众捷运系统（MRT）能量消耗的影响。研究过程主要使用地铁环境模拟程序（SES）和冷负荷计算程序E20-Ⅱ。结果显示安全门可以有效降低制冷系统的平均负荷和高峰负荷。但是当使用安全门时，地下站台排气系统（UPE）的风扇增大了耗电量。最终结果显示有无地下站台排气系统，对能源的消耗差距不大。
关键词：大众捷运，安全门，电力消耗，空气流通
- 绪言
地铁的环境控制系统比商业大厦的还要复杂，是因为地铁的控制系统在设计时需要考虑隧道通风、烟雾排放和空调制冷等多种元素，要如何控制好地铁系统的温度又不消耗过多能量，是近两年被提出的一个新问题，通过对安全门的设置，使得问题有了研究方向。
安装安全门的好处是阻止热量和轨道产生的灰尘到达站台，但是，阻止热量的同时也要控制好环境温度。考虑到温度控制和能量节约两方面，最优方案应是对隧道空气排放量进行设计。
有安全门的地铁系统，其供热通风和空调系统（HVAC）是一个“开放式循环”，这种情况下隧道内产生的大部分热量能被地下站台排气系统带走。相反的，无安全门地铁系统的HVAC是一个“闭合式循环”。在夏天，隧道的制冷负荷被站台的空调制冷负荷取代，冬天的时候制冷负荷则会被活塞效应传到室外。
目前世界上只有少部分国家和城市的地铁系统安装了安全门，其中包括新加坡、香港和北京。在安全门控制系统方面，对能量消耗这一项内容的研究资料是很少的。 Zhu et al[2]对北京地铁系统安装了安全门之后的热量环境控制系统做了经济方面的分析。Wang et al[3]提供了火车车厢活塞效应的测量结果。
台北市相关部门计划在台北地铁的新东阳线安装安全门，这篇文章的目的就是模拟和比较台北市地铁系统有无安全门情况下的能量消耗，同时测定地下站台排气系统的最小排气量。
2、电脑仿真程序
2.1 地铁环境仿真程序
地铁环境仿真程序（SES）是安纳海姆区域交通联运中心设计的。此程序具有预测空气流动、温度、湿度和空调需求量的功能。蒙特利尔、匹兹堡、旧金山、多伦多和华盛顿都借助了SES来控制和安排地下轨道交通系统。目前，这套程序已经被运用到了40多个城市[1]，香港和新加坡这样的热带地区也投入了SES的使用。下表为SES的工作原理。
表1 SES的工作原理
火车运行子程序
位置 车辆热量值 能量需要
速度 牵引力 线流量
加速度 热量排出值 能量消耗
输入
总系统数据：
线路长度，横截面积和周长；通气阀的位置、长度、横截面积和周长；程序控制参数。
火车运行数据：
火车车厢数据：等级、曲率、速度限制。
火车物理特性数据：牵引力安培速度曲线，断电器/凸轮控制器
空气动力数据：
线段和排气阀：达西公式摩擦因数，头部损失系数，风扇位置，运行曲线和延迟特性
温度/湿度数据：
温度和湿度源和接收器的位置，结构和周围环境系统的热量特性
温度/湿度子程序
计算每条线排气阀的温度，湿度率，
热能量子程序
（可以用来决定能量的合适值）计算隧道内的浮力，热量面的节流作用，粘滞流量损失，墙面温度，辐射作用
空气动力学子程序
计算每条线排气阀的空气流量，空气速度，火车、风扇在通气阀的压力改变
短期
作用
热量积累/环境控制程序：
计算每个线路段的地铁周围环境土壤长期热量传导；对于短期热量积淀的计算值修订墙表面温度、需要的热量和冷气容量
输出选项：
- 详细列出具体时间距离的动力参数
- 详细时间距离的最大和平均量
- 火车运行数据
2.2 E20-Ⅱ程序
装有安全门的车站制冷系统是类似于商业大厦的，不同之处在于车站的制冷负荷可以用程序计算出来。这篇研究文章主要使用Carrier公司的carrier E20-Ⅱ程序计算车站高峰期和平均每小时的空调制冷负荷。
3、模拟参数
3.1 地铁的几何模型
图1显示了三个车站（001，060，059）地铁通风系统的高度和倾斜度。每个车站由广场和站台混合组成，一个站台有六节车厢，一个车厢有四个门。
表2列出了每个车站的几何尺寸。车站和广场、站台轨道垂直连接，形成了一个两层的地下建筑。排气、进气系统和释放井被安装在车站的边上，每个释放井的截面面积都是8m2，这些设备连接着环境控制室和外界空气。在安装了安全门的情况下，地下站台排气系统即可排出隧道里的热量。UPE的功率（Eupe）被定义为Eupe=UPE排出的热量/车辆释放的热量，根据实际运行经验Eupe=65%。
图1 车站间隧道通风系统的长度和倾斜度
表2 车站尺寸
|
车站(单位：m) |
O01 |
O60 |
O59 |
|
车站区长度 |
194 |
153 |
203.3 |
|
广场区高度 |
4.15 |
4.15 |
4.15 |
|
轨道区高度 |
6.21 |
6.21 |
6.15 |
|
轨道区宽度 |
16.55 |
16.55 |
16.55 |
|
站台区长度 |
141 |
141 |
141 |
|
站台区宽度 |
8.7 |
8.7 |
8.7 |
3.2 环境条件
表3-5分别列出了外界空气，车站和隧道区域的设计条件。
表3 外门的设计条件
|
夏季 |
冬季 |
|
|
干空气温度（℃） |
34.4 |
6.7 |
|
湿空气温度（℃） |
26.5 |
6.0 |
|
大气压力（kPa） |
101.3 |
101.3 |
表4 车站面积的设计条件
|
面基 |
夏季（17:00） |
冬季（17:00） |
|
室外 |
30℃/65%RH |
9.7℃/676%RH |
|
站台 |
28℃/65%RH |
16℃/50%RH |
表5 隧道的设计条件
|
正常状态 |
堵塞状态 |
|
|
温度（℃） |
lt;37℃（DB） |
lt;43℃（DB） |
3．3 火车车厢性能和运行条件
表6列出了火车车厢性能和运行条件。
表6 火车车厢性能和运行条件
|
火车速度 最大速度 80km/h 加速度 初加速度 1.0m/s2 最大加速度和减速度 0.8m/s2 制动率 正常 1.0 m/s2 紧急 1.3 m/s2 火车车厢的尺寸和重量 长度 2350mm 宽度 3180mm 重量（空载） 113吨 满载 275人/每节车厢 热源 辅助系统产生的热量 97723Btu/h(每节车厢) 每位乘客产生的热量（显热） 460Btu/h(每位乘客) 每位乘客产生的热量（隐热） 231Btu/h(每位乘客) 加速、减速和刹车产生的热量 SES中得到的模拟数据 |
3.4 典型的乘客数据
在乘客高峰运载期间，火车每2分钟发一班，每个站停25秒。表7记录并列出了3个车站的乘客高峰数值，图2记录每个小时客流量的变化。[4]
表7 高峰期乘客数量
|
乘客数量 |
车站 |
|||
|
O01 |
O60 |
O59 |
||
|
上行线 |
上车 |
30 |
25 |
|
|
下车 |
115 |
195 |
276 |
|
|
下行线 |
上车 |
110 |
130 |
166 |
|
下车 |
15 |
20 |
||
图2 每小时乘客数量变化曲线图
3.5 空调系统的安排
每边（上行线终点和下行线终点）都有环境控制室，每个控制室有两个冷却单元和两个冷却塔。主冷却单元（MCHU）可以在轨道交通正常运行期间提供冷气，副冷却单元（ACHU）负责特殊情况下的冷气提供。但是，安装了安全门的情况下，制冷效果也不足以保持隧道内的设计限定温度（也就是37。C）。
因此，需要借助UPE系统排放隧道内的热量。在站台下面设置排放管，排放管的终端安装排放杆，每个终端的排放杆有两个风扇来排放热
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