商业建筑和地铁连通道气流节能控制研究
摘? 要：该文针对地铁与商业建筑通道气流往复流动导致空调能耗过高的问题，开发了一种地铁上盖建筑连通道气流节能控制系统（BSAFT），并获得了发明专利授权。该文对该系统的性能进行了理论分析和类比实验。分析和实验结果表明，BSAFT系统节能效果好、智能化程度高，在保证地铁客流高峰期人员的安全通行的情况下可以显著降低地铁上盖商业建筑空调系统能耗，营造高舒适度的室内环境。
关键词：地铁;商业建筑;连通道;智能控制
中图分类号：U231? ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 前言
随着国家领导人在巴黎气候大会上的庄严承诺，我国建筑节能领域迎来了新的发展契机，大量的地铁上盖商业建筑参照LEED、BREEAM或我国绿色建筑星级评定标准进行设计和建造，取得了很好的经济效益、环境效益和社会效益。以中铁建设开发、设计、建造并运营的苹果园地铁交通枢纽商务区J地块——中国铁建耀中心项目为例，该项目在立面效果、节能环保和物业运营等方面已成为局部标志性建筑。然而，由于直接与地铁连通，地铁上盖商业建筑也存在着设计建造难度大、易受地铁振动影响和能耗较大等问题。在消除地铁振动影响方面已有大量相关研究，并提出了改变结构自振频率避免共振等许多行之有效的方案。但是，在控制地铁连通道泄露室内冷热风、降低地铁上盖商业建筑空调能耗方面，鲜有研究。该文提出了一种地铁上盖建筑连通道气流节能控制系统（BSAFT），并对其进行理论分析和类比实验，以证实其节能效果和应用价值。
1 地铁上盖建筑连通道气流节能控制系统（BSAFT）
当前，新型地铁列车经过CFD模拟辅助设计，风阻性能优异，且现代地铁系统的阻塞比和通风系统也经过优化设计，大部分地铁线路都安装了屏蔽门，地铁活塞风现象得到一定程度的缓解。然而，新型列车运行的速度和进出站频次也大大提高，屏蔽门顶与站台顶之间也留有通风空间以北京地铁10号线为例，地铁站台空间的活塞风效应仍然对地铁站台和与其连通的地铁上盖商业建筑的空调舒适度和能耗产生显著影响。列车进站的活塞效应造成地铁站内处于正压状态，隧道内和地铁站内的气流会通过连通道进入地铁上盖建筑。反之，列车出站活塞效应会造成地铁站内处于负压状态，地铁上盖建筑内的气流会通过连通道泄漏入地铁站内。而在人流密度大的各大城市，地铁双向进出站最小间隔可达45 s。与地铁相通的地铁上盖建筑会随着列车的进出站频繁受到气流往复干扰，导致2个问题。1）地铁上盖建筑连通道附近黄金商业区域的空调效果无法保证，过冷或过热的高速气流往复扰动，降低了室内舒适度，严重影响了商业区的环境舒适度。2）大量地铁上盖建筑内的空调冷量或热量流失，造成地铁上盖商业建筑空调系统能耗过高。针对这种情况，笔者开发了一种地铁上盖建筑连通道气流节能控制系统（BSAFT）并获得了发明专利授权。
如图1所示，BSAFT包括电动伸缩门、风幕机、变频控制器、卷帘门、风速风向风温测量仪、系统控制器和压力传感地垫等7个主要部件。BSAFT系统在地铁上盖建筑与地铁的连通道处安装，智能开闭电动伸缩门和风幕机，减少空调能量损耗，显著改变了临近区域的环境温度。由于地铁出站、进站在上下班高峰期存在瞬间高峰人流，为避免电动伸缩门关闭时间与人流高峰时间重合，该系统设有压力传感地垫测量通过的人员密集度，当通过的人员密集度符合高峰期标准时，系统控制器发出指令开启电动伸缩门，优先保证人员安全、快速通行。
BSAFT系统可显著减少地铁上盖建筑物由于地铁通道气流损耗的空调冷量或热量，保证地铁连通道附近黄金商业区域的空调效果，并通过间歇和变频运行减少风幕机的运行能耗。系统节能效果好，智能化程度高，在保证地铁客流高峰期人员的安全通行的情况下可显著减少空调系统能耗，并营造高舒适度的室内环境。
2 BSAFT系统节能理论分析
根据空调系统供冷工况下热力学效率公式（1）和能源损失公式（2）可见，空调区的室内温度tn、送风温度ts和末端送風系统的耗功率W直接影响空调房间空调的效率。供冷工况下，减少送风温差的同时降低空调末端风机能耗，空调效率提高，能源损失减少。
（1）
（2）
式（1）、（2）中，η为供冷热力学效率，Q1为空调系统冷负荷 （kW），Qs为空气处理机组冷负荷 （kW），tdn为室内等效平均温度（℃），tds为送风等效平均温度（℃），to为室外设计温度（℃），W为末端设备功率（kW），△E为能量损耗。
如公式（3）所示，通过表冷器处理的空调系统送风温度直接受室内温度即进风温度的影响。在不考虑往复气流对室内热舒适产生的影响的情况下，室内空调系统的效率可以通过监测室内温度、送风温度等参数进行评估。对于风机盘管和空气处理机组，获得室内温度和送风温度的关系需先计算接触系数ε2。
（3）
式中：A为换热面积（m2），Ay为迎风面积（m2），Vy为迎面风速（m/s），ρ为空气密度（kg/m3），hw为表面传热系数（W/m2·K），Cp为空气比热容（kJ/kg·K）。
（4）
式中：tn、tsn分别为室内平均干湿球温度（℃），ts、tss分别为送风平均干湿球温度（℃）。
在夏季地铁运营高峰期，由于室外气温较高，地铁隧道引入的室外风温度高，地铁站台人员密集且存在灯光发热情况，地铁站台的气温一般高于与其连通的地铁上盖商业建筑。通过地铁通道侵入上盖物业的气流会显著提高连通道附近区域的空气温度。而安装于连通道附近区域的室内末端，例如风机盘管，在同样风量下室内温度即盘管进风温度提高时，风机能耗不变，但由于气流与冷冻水的换热温差增大，所以制冷量增大，且送风温差加大，根据以上各式可以得出，此时空调房间的能源利用效率降低。而增设BSAFT系统后，将显著减少高温站台空气在隧道风的驱动下进入建筑物的情况，降低连通道附近区域的空气温度，使其接近地铁上盖商业建筑空调区的设计温度，从而实现节能效果。
3 实验研究
基于评估分析BSAFT系统在节约空调能耗方面的效果的目的，笔者将一个区域的建筑作为研究对象，利用普通感应开闭门对位于连通道旁的房间的空调能耗进行了测量和分析，以评估BSAFT系统的性能和使用效果。由于7月份一般为每年最热的月份，选择7月份为典型月进行试验研究。此外，根据空调系统负荷模拟计算的结果，地铁连通道附近区域的空调负荷极大值一般出现在下午，但该时段并非地铁通行的高峰时段。所以，本研究选择了负荷较高且地铁发车频次密集、人流量大的晚高峰时段进行研究。
图2是典型月晚高峰时段地铁连通道附近区域的空调累计耗冷量的测量结果。由于新风机组冷冻水单独供给和计量，且地铁连通道附近区域新风需求不稳定，实验主要针对连通道附近区域的室内末端系统的供冷量使用冷量计量表进行测量与记录。由图2可见，未安装BSAFT系统区域的日累计空调耗冷量波动较大，与室外温度变化呈正相关性。而设有BSAFT系统的区域日累计耗冷量相对稳定，波动较小，与室外温度的相关性较低。日累计耗冷量明显少于未设BSAFT系统的区域，平均减少约30%。
以上均是针对屏蔽门未完全封闭、夏季炎热、室内外气温较高地区的地铁站（地铁站台夏季温度过高可能由各种原因导致，例如隧道风量太大影响空调效果、未设站台空调或站台空调系统为省电未满负荷开启）的情况进行的分析。此外，我们需要注意到，地下冬暖夏凉，尤其在深度达10 m，甚至10 m以上的地铁隧道所在深度，地下土壤温度在夏季（供冷季）可能低于18 ℃。考虑地域、隧道埋深、车辆、设备、站台人员及照明散热等情况，在夏季室外气温不高、地铁发车频率低的地区，设有空调供冷的地铁站地铁隧道活塞风到达连通道时的温度可能会保持26 ℃以下，即地铁上盖建筑室内空调温度。且对于没有设空调供冷的地铁站，地铁隧道活塞风到达连通道时的温度在人流高峰期可能大于26 ℃，在人流少、发车间隔大的低谷时段有可能低于26 ℃。也就是说，通过连通道进入地铁上盖建筑的气流温度在不同地区、同一地区的不同站、同一站的不同运行时段，在多参数影响下存在波动，不能单纯认为连通道气流温度高于建筑物室内温度，提高了建筑能耗。在夏季连通道气流温度低于上盖建筑室内空调温度时，连通道气流的进入反而会降低建筑能耗。冬季供暖工况可以进行类似分析。
针对这种情况，BSAFT系统采用多种传感器检测气流的温度和流向，通过智能控制器对系统进行合理控制，对连通道气流去弊存利。以夏季工况为例，忽略风速对舒适度影响的情况下，具体控制策略如下。1）BSAFT的风速风向风温测量仪如果测量到低于26 ℃的气流通过连通道进入地铁上盖建筑，就保持电动伸缩门开启的状态，发出指令关闭风幕机（例如地铁运营单位也有防止地铁内冷风泄露的要求，该项控制要求可根据地铁运营单位要求更改）。2）BSAFT的风速风向风温测量仪如果测量到高于26℃的气流通过连通道进入地铁上盖建筑，就关闭电动伸缩门，发出指令开启风幕机。风幕机运行的频率根据通过的风速大小由系统控制器根据预设的控制程序确定。3）当通过的人员密集度符合高峰期标准时，在风幕控制宽度保持开启的同时，系统控制器发出指令开启电动伸缩门，优先保证人员安全、快速的通行。4）为避免列车双向频繁到站导致气流频繁波动而导致BSAFT在没有形成稳定气流的情况下频繁动作，在BSAFT系统控制器中可预设延时动作程序，例如可设定风幕机延时20 s重新测量确认参数后再动作，电动伸缩门延时10 s重新测量确认参数后再动作。BSAFT系统控制器具有可编程设定功能，具体的设定也可以根据不同地域、不同地铁站和不同上盖物业的情况在现场因地制宜、灵活设定。
5 结论
通过BSAFT系统的理论分析和实验研究，证明该研究提出的BSAFT系统可以应对各种情况，智能化程度高、控制策略科学合理、节能效果好，显著提升了临近区域的舒适度。BSAFT可以在现有的地铁上盖建筑与地铁的联通道加装，可以不增加大型设备、不对地铁站和上盖建筑通风系统进行改动，适用性广，除了可以在新建建筑安装BSAFT外，也可以针对现有建筑进行改造升级。BSAFT系统目前已获发明专利授权。此外，BSAFT虽是针对气流情况比较复杂的地铁上盖商业建筑与地铁的连通道设计，但还可以用在气流情况相对比较简单的大型商业建筑与室外、地下车库或CBD地下车行隧道或综合的连通口处，作为建筑物自然通风或复合式通风系统的可選智慧组件，具有广泛的应用价值。
参考文献
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