于秋燕

(北京市市政工程設計研究總院,100082,北京∥工程師)

1 研究背景及意義

地鐵一般深處地下,是一個由多個車站通過隧道連接成的相對封閉空間,因此必須合理設計暖通系統(tǒng)方案,為乘客提供適宜的環(huán)境,并在緊急情況下保證乘客的安全。但是,現(xiàn)在的地下車站設置環(huán)境條件常常很不利,不能按常規(guī)暖通系統(tǒng)方案設計。其中,端進式車站出現(xiàn)的概率比較高,設計難度較大,需要針對具體的土建、規(guī)劃條件,認真研究、分析車站的通風空調及防排煙系統(tǒng)設計特點和難點,在現(xiàn)有的條件下,設計出更合理、更安全、更簡潔、更經濟節(jié)能的暖通系統(tǒng)方案。方案分析方法如下所述:

①結合正在承擔的端進式車站——亦莊火車站的暖通系統(tǒng)設計任務,針對本站現(xiàn)有條件、土建設計方案及規(guī)劃條件,并分析亦莊線暖通專業(yè)總體提供的標準暖通系統(tǒng)布置方案,研究制定本站的暖通系統(tǒng)設計方案。

②制定初步的暖通系統(tǒng)布置方案,從而進一步通過研究車站相鄰區(qū)間隧道通風、公共區(qū)暖通系統(tǒng)、設備管理用房區(qū)暖通系統(tǒng)方案,設計兩個可選的方案。

③采用兩個暖通系統(tǒng)方案分析比較,并與綜合技術比較相結合,對兩種可行的設計方案進行比較,依據亦莊火車站的實際情況,選出適合該站的較優(yōu)方案。

2 端進式地下車站通風空調系統(tǒng)方案研究

2.1 端進式地下車站暖通系統(tǒng)方案研究方法

亦莊線暖通系統(tǒng)是傳統(tǒng)閉式系統(tǒng),站臺設置2.55 m的全高安全門。筆者從該項目的總體設計方案——初步設計——施工圖設計的整個過程中比選方案、研究計算,并確定方案,并且最終在暖通方案評審中得到專家的認同;然后進一步在施工圖設計階段,深化研究暖通設備初投資、安全可靠性及控制難易程度等因素,對兩種可行的設計方案進行綜合比較,確定該站的設計方案。

2.2 端進式地下車站暖通系統(tǒng)設計方案研究

2.2.1 工程概況

亦莊火車站是線路終點站,線路在此與京津城際鐵路亦莊站和規(guī)劃S6線亦莊站換乘;站位呈東北——西南斜向設置,站前設單渡線,站后設交叉渡線。車站中間為單層,單層矩形預埋段(20.1 m×52.2 m)已經施工完畢;兩端為雙層的端頭廳車站,11 m島式站臺[1]。車站總長320.3 m,標準段寬19.7 m,總建筑面積15 466 m2。

2.2.2 建立端進式車站的初步暖通系統(tǒng)布置方案

為了確定較優(yōu)的暖通系統(tǒng)方案,針對亦莊火車站的現(xiàn)況特點進行工程難點分析如下:

1)車站為端進式車站,左、右站廳不連通。車站為地下兩層島式車站,站廳中間是斷開的,站臺層中間是預留預埋段,兩端是地下兩層,中間段為地下一層,左、右站廳不連通。

2)車站站廳層左端寬度上18.35 m完全打開。由于車站站廳左側為了和亦莊火車站—次渠站區(qū)間以及次渠站做到規(guī)劃要求的“兩站一街”方案,左端在寬度方向完全和區(qū)間打通。這就導致常規(guī)設置在站端的由站廳引到站臺層公共區(qū)的2根送風管、2根列車頂部排風兼排煙風管、2根站臺板下排熱風管很難布設。

3)端進式車站中段站臺層單層段為預留段,軌頂標高不能降。由于車站中段站臺層單層段為預留段,軌頂標高不能降,且覆土很淺(只有900 mm),一些管線密集區(qū)空間上下都無法增加層高,勢必為車站內部管線綜合帶來很不利的影響。

分析完車站的工程實際情況和難點,再來研究暖通總體提供的地下車站暖通風系統(tǒng)標準布置圖。原則上大系統(tǒng)通風空調系統(tǒng)單端送、排風。總體方案考慮的是地下車站空間有限,管線綜合很難做到合理地安裝和維檢修條件,大、小系統(tǒng)兩端分開設置,避免大、小系統(tǒng)風管交叉。但是,此站是端進式車站,左、右站廳不連通,單端送、排風方案不可行;且整個車站200多m長,單端大系統(tǒng)送風管和排風兼排煙風管布線太長,末端氣流組織較差。為保證末端風口有最低限的風速,送、排風管只能盡量少變徑,且風速較高,接近9 m/s。風系統(tǒng)阻力增大,從而配套的風機壓頭增大使投資增大,運營費增加。

因此,亦莊火車站不能采用總體制定的標準暖通系統(tǒng)方案,應采用兩端送風、排風兼排煙的暖通系統(tǒng)方案。

2.2.3 可選方案

地鐵暖通系統(tǒng)設計,決定著車站規(guī)模、通風空調設備、運行成本、安全可靠性和控制效果,其系統(tǒng)方案的選擇十分重要。為得出較優(yōu)暖通系統(tǒng)方案,通過分析、對比車站相鄰區(qū)間隧道通風,以及大、小系統(tǒng)暖通方案與暖通系統(tǒng)控制等幾方面情況,設計兩個可選的方案。

1)方案1:車站大系統(tǒng)與區(qū)間隧道的通風空調系統(tǒng)分開獨立設置。該方案車站大系統(tǒng)、小系統(tǒng)及區(qū)間隧道的通風空調系統(tǒng)分開獨立設置,結合建筑布置特點,靈活設計暖通系統(tǒng)。其通風空調系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 亦莊火車站方案1通風空調系統(tǒng)原理圖

由于常規(guī)的暖通系統(tǒng)布置模式都不合適,針對本站的實際土建特點及規(guī)劃要求,對暖通系統(tǒng)仔細研究和分析,確定布置方案:整個車站設置3組風亭;車站站廳層左、右端分別設置一套為區(qū)間服務的隧道通風系統(tǒng),滿足區(qū)間正常通風、夜間通風、事故通風的需要。

全站設有4個暖通專業(yè)機房:1號小系統(tǒng)通風空調機房,位于左端站廳層外掛的設備管理用房區(qū)的左側;2號大系統(tǒng)通風空調機房,位于左端站廳層右側外掛部分;3號大、小系統(tǒng)通風空調機房,位于右端站廳層右側;4號小系統(tǒng)通風空調機房+冷凍機房,設置于站臺層外掛的設備管理用房區(qū)的左側。外掛設備管理用房區(qū),巧妙設置送、排風室,可以節(jié)省空間,簡化管線。

亦莊火車站方案1公共區(qū)暖通系統(tǒng)主要設備和區(qū)間隧道主要設備完全獨立設置。其主要設備參數(shù)見表1。

表1 亦莊火車站大系統(tǒng)及區(qū)間隧道暖通主要設備表(方案1)

暖通系統(tǒng)設備選型之后,方案的優(yōu)劣主要研究各設備在區(qū)間隧道各種工況(火災通風、阻塞通風、夜間通風)和車站公共區(qū)各種工況(正常通風左端站廳火災、右端站廳火災、站臺火災)的運行情況,具體內容見表2。

表2 亦莊火車站大系統(tǒng)及區(qū)間隧道全年暖通系統(tǒng)操作控制表(方案1)

2)方案2:車站及區(qū)間隧道通風空調系統(tǒng)兼用方案。該方案車站大系統(tǒng)和區(qū)間隧道通風系統(tǒng)聯(lián)合設置。其通風空調系統(tǒng)原理圖見圖2。

方案2公共區(qū)暖通系統(tǒng)的排風兼排煙風機和區(qū)間隧道風機兼用,其主要設備參數(shù)見表3。

方案2的暖通系統(tǒng)方案運行情況見表4。

3 暖通系統(tǒng)方案綜合比較

研究分析多方面因素,對亦莊火車站的兩個暖通系統(tǒng)方案進行綜合比較(僅比較車站公共區(qū)和區(qū)間暖通系統(tǒng)設備)。

3.1 運行耗電費用比較表

亦莊火車站暖通空調系統(tǒng)方案1的回、排風機總功率約60 kW,方案2的回、排風機總功率約80 kW。方案1的組合式空調機組總功率約72 kW,方案2的組合式空調機組總功率約86 kW。制冷系統(tǒng)最大耗電功率約420 kW,閉式系統(tǒng)全日平均空調冷負荷一般約為高峰負荷的一半,所以制冷系統(tǒng)耗電功率可按210 kW計算。

圖2 亦莊火車站方案2通風空調系統(tǒng)原理圖

表3 亦莊火車站大系統(tǒng)及區(qū)間隧道暖通系統(tǒng)主要設備表(方案2)

表4 車站大系統(tǒng)及區(qū)間隧道全年暖通系統(tǒng)操作控制表(方案2)

北京地鐵空調季節(jié)約有4個月(6—9月,共122天),按照每天運行18 h計算,則方案1空調季節(jié)總耗電為751 032 kW·h;方案2空調季節(jié)總耗電為825 696 kW·h。

北京地鐵通風季節(jié)約有5個月(3—5月,10—11月,共153天)。通風季節(jié)采取間歇式通風,可以按照70%的運行時間核算耗電功率,因此方案1通風季節(jié)總耗電為254 470 kW·h,方案2通風季節(jié)總耗電為320 015 kW·h。12月到次年2月為冬季運行,通風空調設備停止運行,依靠列車的活塞作用通過出入口通風換氣。

方案1全年運行耗電總計約1 005 502 kW·h,方案2全年運行耗電總計約1 145 711 kW·h。

按照遠期通風空調負荷進行比較,僅比較區(qū)間和公共區(qū)暖通空調系統(tǒng)耗電。其中工業(yè)電價按最新的0.87元/kW·h計算。運行耗電費用比較見表5。

表5 方案1、2運行耗電費用比較表

從分析中可看出,方案1的年運行費用低于方案2。雖然方案1的土建費用略高于方案2,但是按地下車站的土建使用年限100年進行折算,再綜合設備運行費用,還是方案1更經濟、節(jié)能。方案1還有一個明顯的優(yōu)勢,就是區(qū)間通風系統(tǒng)、車站公共區(qū)暖通系統(tǒng)和設備管理用房區(qū)通風系統(tǒng)基本完全獨立。雖然地下車站區(qū)間隧道和大系統(tǒng)暖通系統(tǒng)由中央級控制、車站級控制和就地級控制三級組成[2],小系統(tǒng)暖通系統(tǒng)由車站級控制和就地級控制兩級組成,但是系統(tǒng)劃分明確,各個工況都能保證較好的實現(xiàn),且控制簡便,可操作性強。

3.2 系統(tǒng)功能比較

地下車站公共區(qū)暖通空調系統(tǒng)和區(qū)間通風系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下幾種功能:車站公共區(qū)通風空調,車站公共區(qū)火災排煙,區(qū)間通風,區(qū)間阻塞通風,區(qū)間火災防排煙等。兩個方案各種功能的實現(xiàn)分析見表6。

表6 暖通系統(tǒng)功能比較表

從表6中可以分析出:方案1的綜合暖通系統(tǒng)功能較優(yōu)一些。

3.3 整體優(yōu)化

在為亦莊火車站設計經濟且運行功能好的暖通系統(tǒng)方案的同時,還應從全局出發(fā),做到項目總體效果的利益最大化。由于亦莊火車站、次渠站以及兩站之間的區(qū)間屬于亦莊經濟開發(fā)區(qū)的“兩站一街”規(guī)劃,站廳層左端是完全打開的,這樣方案2就會在左側打開的寬度上最少設置2根為站臺層站臺板下排熱風系統(tǒng)服務的1 500 mm×1 200 mm(寬×高)排風管(如同在左側站廳和開敞街道之間的2根大柱子),寬度上也只能打開原寬度的2/3,建筑、疏散效果都不好。

另一方面,由于是端進式車站,左側站廳公共區(qū)右端是客流不經過的區(qū)域,因此可把2號大系統(tǒng)通風空調機房設在這個位置的上方,把為站臺層服務的2根1 800 mm×800 mm的送風管、2根2 000 mm×1 000 mm的列車頂部排風兼排煙風管、1根2 000 mm×1 600 mm的列車下部排熱風管所形成的5根大柱子巧妙地設置在這個“無人區(qū)”。

同時,地下車站內部管線涉及17個專業(yè),地下車站空間很寶貴、很有限,而方案1機房靈活布置,為車站內部管線的良好實現(xiàn)創(chuàng)造較好的空間條件。

4 結論與建議

地下車站的暖通系統(tǒng)首先是實現(xiàn)整個車站正常通風空調環(huán)境要求以及事故工況下防排煙功能,為安全提供強有力的保證;其次,暖通系統(tǒng)又是地鐵設備系統(tǒng)中的用電大戶,精心設計暖通系統(tǒng),靈活布置方案,可以實現(xiàn)暖通系統(tǒng)的經濟節(jié)能;最后,較優(yōu)的暖通系統(tǒng)設計,還能讓土建達到更好的空間效果。

通過對端進式車站——亦莊火車站的暖通系統(tǒng)方案合理化分析和綜合比較,并綜合土建、預留、規(guī)劃等多種因素,建議采用方案1:車站大系統(tǒng)、小系統(tǒng)及區(qū)間隧道的通風空調系統(tǒng)分開獨立設置,并結合建筑布置特點,靈活設計暖通系統(tǒng)。

[1]北京市市政工程設計研究總院.北京市軌道交通亦莊線工程初步設計[R].2008.

[2]GB 50157—2003 地鐵設計規(guī)范[S].