張之啟

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 系統(tǒng)概況

地鐵是指以在地下運(yùn)行為主的城市軌道交通系統(tǒng)，在市區(qū)內(nèi)一般敷設(shè)在道路下，地鐵內(nèi)各種系統(tǒng)設(shè)備眾多、散熱量大、人員密集、空氣潮濕，若不采取措施，將無法保證設(shè)備的正常運(yùn)行、無法保證人員的乘車、工作環(huán)境，因此地鐵需要設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要功能是:在正常運(yùn)行時(shí)為廣大乘客提供舒適的乘車環(huán)境，為地鐵工作人員和系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行提供良好的工作環(huán)境[1]；阻塞運(yùn)行時(shí)保證阻塞區(qū)間內(nèi)阻塞列車上人員新風(fēng)量和阻塞列車空調(diào)器正常工作；火災(zāi)運(yùn)行時(shí)能夠迅速有效排除煙氣，同時(shí)誘導(dǎo)乘客安全撤離到安全區(qū)域內(nèi)[2]。

文獻(xiàn)[3]對(duì)地鐵車站的防排煙系統(tǒng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為防排煙系統(tǒng)應(yīng)盡量做到設(shè)計(jì)合理且符合經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為地鐵能耗巨大，應(yīng)采取相應(yīng)的措施降低能耗。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為車站存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)情況，有較大的節(jié)能潛力。文獻(xiàn)[6-9]認(rèn)為減少地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，應(yīng)充分利用地鐵活塞風(fēng)。因此應(yīng)對(duì)目前的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)。

2 目前系統(tǒng)的應(yīng)用情況

地鐵車站閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要有傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)和集成閉式系統(tǒng)。

2.1 傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)

國內(nèi)建設(shè)較早的地鐵線路主要采用傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)受制于站臺(tái)門技術(shù)的發(fā)展，沒有在站臺(tái)公共區(qū)安裝站臺(tái)門，運(yùn)行方式采取開、閉式運(yùn)行(空調(diào)工況）方式。地鐵車站站臺(tái)公共區(qū)與隧道直接融為一體，完全沒有進(jìn)行有效分割，隧道和車站內(nèi)的空氣利用列車活塞效應(yīng)，通過車站出入口和車站兩端的活塞風(fēng)井與外界室外空氣進(jìn)行互換。

2.2 集成閉式系統(tǒng)

集成閉式是由傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)演變而來，從車站方案來說，取消了車站兩側(cè)的活塞風(fēng)井、增設(shè)了站臺(tái)門，在站臺(tái)門上設(shè)置有百葉風(fēng)口，沒有將區(qū)間隧道與車站公共區(qū)完全分割開；設(shè)備的變化是由大型表冷器取代了組合式空調(diào)器，并且從站內(nèi)挪移到了新風(fēng)道內(nèi)，通過新、排風(fēng)道內(nèi)的送、排風(fēng)機(jī)(相當(dāng)于傳統(tǒng)閉式中的區(qū)間隧道風(fēng)機(jī)）變頻運(yùn)行，滿足車站的環(huán)境要求。集成閉式系統(tǒng)與傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)閉式運(yùn)行的原理相同[10]。

2.3 閉式系統(tǒng)存在的問題

文獻(xiàn)[11]認(rèn)為閉式系統(tǒng)風(fēng)道的土建規(guī)模比較大。目前我國城市道路的主干道為30～40 m，次干道為20～24 m，支路為14～18 m。集成閉式系統(tǒng)的土建風(fēng)道長度多達(dá)六十幾米，因此現(xiàn)有的城市道路下無法布置下該系統(tǒng)風(fēng)道，必然要進(jìn)入道路兩側(cè)的地塊內(nèi)，從而造成了拆遷量增大，施工風(fēng)險(xiǎn)增大，同時(shí)增加工程投資，影響工期；該系統(tǒng)設(shè)置了大量的土建空調(diào)送風(fēng)道，土建送風(fēng)道在施工中，往往密封不嚴(yán)，保溫效果不好，造成了極大的能源浪費(fèi)，而且不滿足節(jié)能的相關(guān)要求[12]。該系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)長期處于低頻運(yùn)行，未在設(shè)備高效區(qū)段內(nèi)運(yùn)行，造成了設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用偏高。

3 新型組合閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

3.1 組合閉式系統(tǒng)組成

在總結(jié)研究國內(nèi)外各城市地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一套更加節(jié)能、更易于實(shí)施的地鐵車站新型組合閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具體布置如圖1所示。

圖1 組合閉式系統(tǒng)布置示意

(1）車站只設(shè)新風(fēng)道、排風(fēng)道，取消目前地鐵車站的活塞風(fēng)道。在新風(fēng)道、排風(fēng)道內(nèi)設(shè)置地鐵隧道事故風(fēng)機(jī)，該事故風(fēng)機(jī)可滿足地鐵隧道的正常、阻塞、火災(zāi)等各項(xiàng)工況的通風(fēng)要求。由于取消了車站的活塞風(fēng)道，大大減小了車站建筑面積，降低了工程造價(jià)。經(jīng)過對(duì)地鐵車站進(jìn)行比較，該系統(tǒng)比集成閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)節(jié)約土建面積200 m2以上，每一座車站可直接節(jié)約土建投資200萬以上。

(2）車站設(shè)置組合式空調(diào)器和回排風(fēng)機(jī)。組合式空調(diào)器和回排風(fēng)機(jī)均屬于成熟產(chǎn)品，易于采購、安裝和運(yùn)營維護(hù)，比特殊產(chǎn)品(比如集成閉式系統(tǒng)的大型表冷器）的造價(jià)要降低很多。

(3）車站空調(diào)采用全金屬風(fēng)管、風(fēng)箱。經(jīng)過冷處理后的空調(diào)風(fēng)全部在經(jīng)過保溫的金屬風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)。

3.2 組合閉式系統(tǒng)操作方式

3.2.1 車站、區(qū)間正常運(yùn)營工況

(1）在空調(diào)小新風(fēng)工況運(yùn)行時(shí):開啟組合式空調(diào)器17、18，開啟小新風(fēng)機(jī)21、22，開啟回排風(fēng)機(jī)19、20，開啟電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 1、2、3、4、5、6、25、26，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥7、8，關(guān)閉隧道上的組合風(fēng)閥10、11、12、13、14，關(guān)閉事故風(fēng)機(jī) 15、16。 組合式空調(diào)器17、18依據(jù)車站客流情況作相應(yīng)的變頻運(yùn)行，向車站公共區(qū)內(nèi)送空調(diào)冷風(fēng)?；嘏棚L(fēng)機(jī)19、20亦作相應(yīng)的變頻進(jìn)行空調(diào)回風(fēng)。

(2）在空調(diào)全新風(fēng)工況運(yùn)行時(shí):開啟組合式空調(diào)器17、18，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī)21、22，開啟回排風(fēng)機(jī)19、20，開啟電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥1、2、3、4、7、8、9，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥5、6、25、26，關(guān)閉隧道上的組合風(fēng)閥10、11、12、13、14，關(guān)閉事故風(fēng)機(jī) 15、16。 組合式空調(diào)器17、18依據(jù)車站客流情況作相應(yīng)的變頻運(yùn)行，向車站公共區(qū)內(nèi)送空調(diào)冷風(fēng)?；嘏棚L(fēng)機(jī)19、20亦作相應(yīng)的變頻進(jìn)行排風(fēng)。

(3）在通風(fēng)季節(jié)運(yùn)行時(shí):關(guān)閉組合式空調(diào)器17、18，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī)21、22，關(guān)閉回排風(fēng)機(jī)19、20，關(guān)閉事故風(fēng)機(jī)15、16，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 1、2、3、4、5、6、7、8、9、25、26，關(guān)閉隧道上的組合風(fēng)閥10、11、12、13、14。

3.2.2 車站火災(zāi)工況

(1）在站廳公共區(qū)火災(zāi)時(shí):關(guān)閉組合式空調(diào)器17、18，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī) 21、22，開啟回排風(fēng)機(jī)(兼排煙）19、20，開啟電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 3、4、7、8，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 1、2、9、5、6、25、26，關(guān)閉隧道上的組合風(fēng)閥 10、11、12、13、14，關(guān)閉事故風(fēng)機(jī) 15、16。 回排風(fēng)機(jī)19、20工頻對(duì)站廳公共區(qū)進(jìn)行排煙，通過車站出入口進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。

(2）在站臺(tái)公共區(qū)火災(zāi)時(shí):關(guān)閉組合式空調(diào)器17、18，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī) 21、22，開啟回排風(fēng)機(jī)(兼排煙）19、20，開啟電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 3、4、7、8，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 1、2、9、5、6、25、26，開啟隧道上的組合風(fēng)閥 10、11、12、14，關(guān)閉隧道上的組合風(fēng)閥 13、開啟事故風(fēng)機(jī)15、16。事故風(fēng)機(jī)15、16和回排風(fēng)機(jī)19、20同時(shí)對(duì)站臺(tái)進(jìn)行排煙，通過車站出入口和車站兩端的隧道進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。

3.2.3 區(qū)間阻塞、火災(zāi)工況

在區(qū)間27阻塞、火災(zāi)時(shí):關(guān)閉組合式空調(diào)器17、18，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī) 21、22，關(guān)閉回排風(fēng)機(jī) 19、20，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 1、2、3、4、5、6、7、8、9、25、26，開啟事故風(fēng)機(jī)15、16，開啟隧道上的組合風(fēng)閥10、11、12、13，關(guān)閉隧道上的組合風(fēng)閥14。通過事故風(fēng)機(jī)15、16對(duì)區(qū)間隧道27進(jìn)行通風(fēng)排煙。

在區(qū)間28阻塞、火災(zāi)時(shí):關(guān)閉組合式空調(diào)器17、18，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī) 21、22，關(guān)閉回排風(fēng)機(jī) 19、20，關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 1、2、3、4、5、6、7、8、9、25、26，開啟事故風(fēng)機(jī)15、16，開啟隧道上的組合風(fēng)閥10、11、13、14，關(guān)閉隧道上的組合風(fēng)閥12。通過事故風(fēng)機(jī)15、16對(duì)區(qū)間隧道28進(jìn)行通風(fēng)排煙。其他區(qū)間火災(zāi)亦可通過調(diào)整相關(guān)閥門實(shí)現(xiàn)。

3.3 組合閉式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1）將車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道和區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)整合在了一起，這樣可以充分利用事故風(fēng)道的頂部空間；同時(shí)將區(qū)間事故風(fēng)機(jī)和車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備分設(shè)，有利于簡化控制系統(tǒng)，便于安裝與調(diào)試，減小運(yùn)營維護(hù)工作量。新型組合閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)不僅完全可以滿足地鐵車站的通風(fēng)、空調(diào)的各項(xiàng)功能，而且還可以滿足區(qū)間隧道正常運(yùn)行、阻塞、火災(zāi)工況的需要。

(2）由于本系統(tǒng)的事故風(fēng)道內(nèi)沒有設(shè)置大型表冷器，相比集成閉式系統(tǒng)，縮短了風(fēng)道長度20 m以上，不僅減小了土建面積，而且大大減小了拆遷工作量。

(3）在組合式空調(diào)器內(nèi)設(shè)置中效及以上過濾器，對(duì)空氣進(jìn)行過濾處理，經(jīng)過過濾和冷處理的空氣，均送入金屬風(fēng)道內(nèi)，避免土建風(fēng)道的二次起灰和污染，使送到地鐵公共區(qū)內(nèi)的空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良狀態(tài)；同時(shí)對(duì)地鐵隧道進(jìn)行排風(fēng)，將隧道內(nèi)的灰塵和金屬粉末直接抽吸走，排出室外或者進(jìn)行有效過濾，大大改善了地鐵車站內(nèi)的空氣品質(zhì)。

(4）回排風(fēng)機(jī)按系統(tǒng)容量配置，避免了大馬拉小車，可以使回排風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)段內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

(5）組成該系統(tǒng)的各種設(shè)備均采用成熟產(chǎn)品，這樣便于設(shè)計(jì)、易于招標(biāo)、便于運(yùn)營維護(hù)，大大降低建設(shè)難度，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。由于處理后的冷空氣均在設(shè)了有效保溫措施的金屬風(fēng)管內(nèi)，沒有進(jìn)入土建風(fēng)道，大大降低了系統(tǒng)的冷損耗，比集成閉式系統(tǒng)可減少90%以上的冷損耗。

(6）對(duì)于南方城市，可以有6個(gè)月左右的時(shí)間利用列車活塞作用進(jìn)行通風(fēng)換氣，而不用開啟任何通風(fēng)空調(diào)設(shè)備；對(duì)于北方城市，可以有8個(gè)月左右的時(shí)間利用列車活塞作用進(jìn)行通風(fēng)換氣，而不用開啟任何通風(fēng)空調(diào)設(shè)備；相比于其他空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。

3.4 組合閉式系統(tǒng)應(yīng)用前景

組合閉式系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，不僅一條線路可以采用本系統(tǒng)，亦可在單獨(dú)的一座車站中采用該系統(tǒng)；不僅應(yīng)用于安全門制式的車站，也可應(yīng)用于屏蔽門制式的車站。由于該系統(tǒng)大大優(yōu)于集成閉式系統(tǒng)，在未來的新線建設(shè)中將完全取代集成閉式系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各地的地鐵建設(shè)中。

安全門制式的車站直接采用該系統(tǒng)即可，無需進(jìn)行任何變動(dòng)。當(dāng)應(yīng)用到屏蔽門系統(tǒng)制式時(shí)，可由如下兩種方式實(shí)現(xiàn):

(1）在屏蔽門系統(tǒng)車站的端部設(shè)置活塞風(fēng)道，將區(qū)間的活塞風(fēng)引至室外。

(2）對(duì)于無法設(shè)置活塞風(fēng)道的屏蔽門系統(tǒng)車站，則由該系統(tǒng)的事故風(fēng)機(jī)對(duì)區(qū)間隧道進(jìn)行通風(fēng)降溫。車站設(shè)置迂回風(fēng)道，將左、右線的列車活塞風(fēng)進(jìn)行迂回，避免沖擊車站的屏蔽門。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)獲得“一種組合閉式地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)”實(shí)用新型專利證書(專利號(hào):ZL2016 2 0079247.1），并且獲得“一種組合閉式地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及應(yīng)用”發(fā)明專利(專利號(hào):ZL2016 1 0054378.9）。

在總結(jié)研究國內(nèi)外各城市地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一套更加節(jié)能、更易于實(shí)施的地鐵車站新型組合閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在南京地鐵7號(hào)線工程中得到一定應(yīng)用，系統(tǒng)具有布置靈活、設(shè)備成熟、簡化了設(shè)備控制系統(tǒng)，減小了車站土建面積，降低了工程造價(jià)，提供了節(jié)能運(yùn)行的方案措施，值得在地鐵設(shè)計(jì)中大力推廣、借鑒和應(yīng)用，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。