端進式車站的通風空調及防排煙系統方案研究

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方案,為乘客提供適宜的環境,并在緊急情況下保證乘客的安全。但是,現在的地下車站設置環境條件常常很不利,不能按常規暖通系統方案設計。其中,端進式車站出現的概率比較高,設計難度較大,需要針對具體的土建、規劃條件,認真研究、分析車站的通風空調及防排煙系統設計特點和難點,在現有的條件下,設計出更合理、更安全、更簡潔、更經濟節能的暖通系統方案。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設計任務,針對本站現有條件、土建設計方案及規劃條件,并分析亦莊線暖通專業總體提供的標準暖通系統布置方案,研究制定本站的暖通系統設計方案。

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

③采用兩個暖通系統方案分析比較,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方案。

2 端進式地下車站通風空調系統方案研究

2.1 端進式地下車站暖通系統方案研究方法

亦莊線暖通系統是傳統閉式系統,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布置方案

為了確定較優的暖通系統方案,針對亦莊火車站的現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—次渠站區間以及次渠站做到規劃要求的“兩站一街”方案,左端在寬度方向完全和區間打通。這就導致常規設置在站端的由站廳引到站臺層公共區的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標準布置圖。原則上大系統通風空調系統單端送、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、小系統兩端分開設置,避免大、小系統風管交叉。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方案,應采用兩端送風、排風兼排煙的暖通系統方案。

2.2.3 可選方案

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

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

圖1 亦莊火車站方案1通風空調系統原理圖

由于常規的暖通系統布置模式都不合適,針對本站的實際土建特點及規劃要求,對暖通系統仔細研究和分析,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間服務的隧道通風系統,滿足區間正常通風、夜間通風、事故通風的需要。

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

亦莊火車站方案1公共區暖通系統主要設備和區間隧道主要設備完全獨立設置。其主要設備參數見表1。

表1 亦莊火車站大系統及區間隧道暖通主要設備表(方案1)

暖通系統設備選型之后,方案的優劣主要研究各設備在區間隧道各種工況(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 亦莊火車站大系統及區間隧道全年暖通系統操作控制表(方案1)

2)方案2:車站及區間隧道通風空調系統兼用方案。該方案車站大系統和區間隧道通風系統聯合設置。其通風空調系統原理圖見圖2。

方案2公共區暖通系統的排風兼排煙風機和區間隧道風機兼用,其主要設備參數見表3。

方案2的暖通系統方案運行情況見表4。

3 暖通系統方案綜合比較

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

3.1 運行耗電費用比較表

亦莊火車站暖通空調系統方案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。制冷系統最大耗電功率約420 kW,閉式系統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通風空調系統原理圖

表3 亦莊火車站大系統及區間隧道暖通系統主要設備表(方案2)

表4 車站大系統及區間隧道全年暖通系統操作控制表(方案2)

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

北京地鐵通風季節約有5個月(3—5月,10—11月,共153天)。通風季節采取間歇式通風,可以按照70%的運行時間核算耗電功率,因此方案1通風季節總耗電為254 470 kW·h,方案2通風季節總耗電為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,僅比較區間和公共區暖通空調系統耗電。其中工業電價按最新的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、節能。方案1還有一個明顯的優勢,就是區間通風系統、車站公共區暖通系統和設備管理用房區通風系統基本完全獨立。雖然地下車站區間隧道和大系統暖通系統由中央級控制、車站級控制和就地級控制三級組成[2],小系統暖通系統由車站級控制和就地級控制兩級組成,但是系統劃分明確,各個工況都能保證較好的實現,且控制簡便,可操作性強。

3.2 系統功能比較

地下車站公共區暖通空調系統和區間通風系統需要實現以下幾種功能:車站公共區通風空調,車站公共區火災排煙,區間通風,區間阻塞通風,區間火災防排煙等。兩個方案各種功能的實現分析見表6。

表6 暖通系統功能比較表

從表6中可以分析出:方案1的綜合暖通系統功能較優一些。

3.3 整體優化

在為亦莊火車站設計經濟且運行功能好的暖通系統方案的同時,還應從全局出發,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間屬于亦莊經濟開發區的“兩站一街”規劃,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,左側站廳公共區右端是客流不經過的區域,因此可把2號大系統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”。

同時,地下車站內部管線涉及17個專業,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創造較好的空間條件。

4 結論與建議

地下車站的暖通系統首先是實現整個車站正常通風空調環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,暖通系統又是地鐵設備系統中的用電大戶,精心設計暖通系統,靈活布置方案,可以實現暖通系統的經濟節能;最后,較優的暖通系統設計,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方案合理化分析和綜合比較,并綜合土建、預留、規劃等多種因素,建議采用方案1:車站大系統、小系統及區間隧道的通風空調系統分開獨立設置,并結合建筑布置特點,靈活設計暖通系統。

[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 地鐵設計規范[S].