上海地鐵M7線車站通風空調系統的比選分析

褚海容

(北京城建設計研究總院有限責任公司,北京 100037)

1 概述

通風空調系統是地鐵內非常重要的設備系統之一,承擔保證乘客相對舒適的環境條件；保證車站、區間和列車設備正常運轉所需的環境條件；保證在列車區間阻塞條件下列車空調正常運轉；保證在車站、區間火災條件下迅速排煙等重要的任務。而通風空調系統又是地鐵內的耗電大戶,其運行能耗問題也日益突出。因此,減少地鐵通風空調系統的全年能耗,具有重要意義。對一個城市而言,確定合理可行而又節能的通風空調系統模式是非常重要的。

目前,采用空調系統的國內地鐵項目,按照站臺邊緣是否設置屏蔽門,可以劃分為兩種系統形式：屏蔽門系統和閉式系統。屏蔽門系統的車站空調不需要承擔區間冷負荷,空調負荷較小；閉式系統的車站空調系統需要同時承擔車站和區間的冷負荷,空調負荷較大。但是就運行模式而言,兩種系統運行起來都要經過空調季節和非空調季節,而空調季節的長短是由地區的氣候特點決定的。什么系統最節能,應進行全年能耗綜合分析。如何選擇一種既適合城市地區氣候特點,又經濟節能的通風空調系統,是本文將要論述的重點。

本文將結合上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站通風空調的設計實例,綜合比較屏蔽門系統和閉式系統的能耗和優缺點,證明上海M7線采用屏蔽門系統是一種合理且節能的空調系統形式。并在此基礎上進一步總結屏蔽門系統的適用性。

2 上海M7線空調系統選擇的背景資料

2.1 上海地區的氣候特點

上海市位于東經120°51′～122°12′,北緯30°40′～31°53′,處于太平洋西岸,亞洲大陸東沿,屬亞熱帶海洋性季風氣候。主要氣候特征是：冬冷夏熱,溫和濕潤,四季分明。

表1為上海與國內一些已有地鐵運營城市的氣候特征比較,由此可以總結出上海地區氣候的幾個特點。

(1)全年平均溫度適中

上海地區的全年平均溫度為16.1 ℃,溫度適中。

(2)全年氣溫變化幅度較大

從表1可以看出,上海市一月份的平均氣溫為4.2 ℃,而七、八月份的平均氣溫則達到27.8 ℃,變化幅度為23.6 ℃。

(3)夏季炎熱且延續時間較長

據統計,上海市超過35 ℃的高溫天數達10 d左右,較為炎熱。由表1可見,上海市的夏季為5月至9月,空調季節長達5個月。氣溫最高的是七、八兩月,其最熱月平均溫度達27.8 ℃,高于25 ℃。

表1 國內一些城市月份溫、濕度比較

2.2 上海M7線的運力分析

上海市軌道交通M7線采用A型車,列車編組輛數初、近、遠期均為6節編組,遠期高峰小時列車對數為30對。

根據《地鐵設計規范》(GB50157—2003)第12.1.5條的規定：夏季當地最熱月平均溫度超過25 ℃,且地下鐵道高峰時間內每小時行車對數和每列車車輛數乘積大于180時,可采用空調系統。對比以上設置空調系統的條件,上海市軌道交通M7線工程應采用空調系統。

3 上海M7線空調系統形式的選擇

3.1 空調系統形式的分類

如上,上海地鐵M7線地下車站應采用空調系統,那么地下車站的通風空調系統可以在屏蔽門系統和閉式系統之間選擇。

由于車站公共區空調負荷是能耗分析的基礎,將從車站公共區空調冷負荷計算入手,分析比較兩種系統的能耗。

3.2 車站公共區空調冷負荷分析

對于設置屏蔽門的地鐵車站,車站公共區空調系統需負擔的負荷只是車站內的負荷,包括：人體散熱負荷、設備散熱負荷、照明散熱負荷、出入口負荷、空調新風負荷、屏蔽門負荷。

對于閉式系統(站臺不設置屏蔽門)的地鐵車站,車站公共區空調系統需負擔的負荷為：人體散熱負荷、設備散熱負荷、照明散熱負荷、出入口負荷、空調新風負荷、列車運行產熱、接觸網散熱負荷。

屏蔽門系統和閉式系統都要計算的負荷為：人體散熱負荷、設備散熱負荷、照明散熱負荷、出入口負荷、空調新風負荷等。由于安裝屏蔽門后,將車站與隧道分隔開來,車站不受區間隧道行車時活塞風的影響,故屏蔽門系統的車站空調不需要承擔區間冷負荷,所以無需計算列車運行產熱,也無需計算區間隧道照明的那部分負荷,只需計算屏蔽門負荷；而閉式系統無需計算屏蔽門產生的那部分負荷,但要計算列車運行產熱、接觸網散熱負荷和人體在列車內的散熱。

下面,將以上海M7線肇嘉浜路站為例,用數值來比較兩種空調系統形式的能耗。

3.3 肇嘉浜路站公共區空調系統的負荷計算結果比較(表2)

表2 肇嘉浜路站兩種系統的負荷計算結果 kW

3.4 負荷計算結果分析

由表2可知,屏蔽門系統的車站空調負荷比閉式系統的小很多,僅為閉式系統的34%. 兩種系統根據負荷計算結果所選的主要設備及功率見表3和表4。

表3 屏蔽門系統主要設備

表4 閉式系統主要設備

通過表2～表4,可以得出以下結論。

(1)列車運行產熱是地鐵得熱的主要來源,約占地鐵得熱的50%左右。由于屏蔽門系統無需計算此項,其車站空調負荷大為減小,所選設備的規格及耗電量也相應減小。

(2)由于屏蔽門系統車站冷負荷小,一個車站通常只需設置2臺組合空調機組和2臺回排風機就可以滿足要求,可大大減小空調系統的初投資。

(3)屏蔽門系統車站的設備尺寸和數量的減小,還可以減少站內空調機房的面積,從而節省土建投資,系統設備的設備費也會有所下降。

(4)同時使用時的最大功率,屏蔽門系統僅為閉式系統的63%,比閉式系統節能37%,大大減小了用電容量。

4 兩種系統形式的比選

對屏蔽門系統和閉式系統進行技術經濟比較。主要從系統功能、系統運行模式、系統運行全年綜合能耗及維修費用、設備初投資、土建造價幾個方面進行綜合比選。

4.1 系統功能

采用這兩種通風空調系統都能夠實現系統的全部功能要求,但由于系統設置的不同,在功能實現效果方面會有所差別。屏蔽門系統在車站公共區的舒適性上和乘客安全上具有優勢；而在區間通風方面,閉式系統可以在夏季利用車站冷氣流冷卻區間,區間通風效果好。

4.2 運行模式

根據表1比較上海各月份平均溫度變化可知,上海的空調季節約為5個月左右,其中,小新風空調運行約3個半月,全新風空調運行約為1個半月；通風運行約7個月,其中過渡季約5個月,冬季約2個月。地鐵的正常運行時間為5點至23點。

下面,對兩種系統的公共區和區間隧道通風系統進行比較。

屏蔽門系統的運營,在3個半月的小新風空調季節和1個半月的全新風空調季節，車站內采用組合式空氣處理機送風、回排風機回風的通風方式。區間隧道采用活塞通風,列車車站停車段采用排熱風機排風,活塞風道自然進風的通風方式；在5個月的過渡季和2個月的冬季，車站內采用空調機組的風機送風、回排風機排風的通風方式。區間隧道采用活塞通風,列車車站停車段采用排熱風機排風,活塞風道自然進風的通風方式。運行初期隧道內的壁面溫度較低,無需夜間通風即可滿足要求,但在遠期則應采用夜間通風方式。冬季利用風閥調節風量以滿足溫度要求。

閉式系統的運營,在3個半月的小新風空調季節和1個半月的全新風空調季節,車站采用組合式空調機組和回排風機送風、回風的通風方式。區間隧道采用閉式運行方式,開啟迂回風道,依靠列車運行從車站攜帶冷風降溫；在5個月的過渡季,車站采用組合式空調機組送風、回排風機排風的通風方式,在室外溫度較低時,采用機械排風、自然進風的通風方式。區間隧道采用開式通風方式,關閉迂回風道；在2個月的冬季,早上5：00～6：00采用閉式運行,其余時段采用與過渡季相同的通風方式。

4.3 運行全年綜合能耗及維修費用

按照以上通風空調系統運行方式,可以得出各系統全年運行電耗,詳見表5。從表5可以看出,采用屏蔽門系統比閉式系統全年可節電169 830 kWh,約占閉式系統全年電耗的11.5%左右,折合人民幣約8.5萬元。

在維修費用方面,對于屏蔽門的日常維護和維修情況,每個車站應該可以控制在6.25萬元/年以內。如果閉式系統安裝了安全門,那么可以認為屏蔽門和安全門的維修費用相當。

表5 肇嘉浜路站全年運行耗電費用比較

4.4 設備初投資

根據表2的計算結果,上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站屏蔽門系統的冷負荷為697.7 kW,閉式系統的冷負荷為2 074.3 kW。以此為基數估算系統設備初投資。

經調查,目前每站的屏蔽門所需費用約為520萬元；若閉式系統采用安裝安全門的形式,安全門的造價約為屏蔽門的70%左右,每站安裝安全門所需的費用約為364萬元。

屏蔽門系統設備容量的下降可以降低供電設備的初期投資,采用屏蔽門系統比閉式系統每座地下站可以降低用電容量約600 kW以上。

系統設備投資比較見表6。

4.5 土建造價

上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站施工方法為明挖法,明挖車站的綜合造價約為7 500元/m2；盾構區間為7萬元/延長米。以上比較按屏蔽門系統設置活塞風道,閉式系統未設置活塞風道考慮。

通風空調設備占用土建面積和土建造價比較見表7。

4.6 綜合比較分析

通過對兩種系統的運行費用比較,由表5可知,由于上海地區空調季節時間較長,空調季屏蔽門系統可比閉式系統節能32%。因此,在空調季運行期間,屏蔽門系統對節省能耗是非常有利的。雖然非空調季節的通風運行期間,屏蔽門系統的耗能比閉式系統的大,但只多16%。綜合全年能耗,屏蔽門系統比閉式系統節能12%。

表7 肇嘉浜路站通風空調機房面積和土建造價比較

同時,由表2可知,屏蔽門系統車站空調負荷僅為閉式系統的1/3左右。而由表6可知，屏蔽門系統設備的初投資比閉式系統節省1.5%,由表7可知，屏蔽門系統的土建費用比閉式系統節省15%。綜上所述,無論是設備初投資,還是土建費用,屏蔽門系統都比閉式系統小,為最優方案。因此,可以認為上海地鐵M7線采用屏蔽門系統是合理的。

5 結論及建議

(1)上海市軌道交通M7線肇嘉浜路車站采用屏蔽門系統是合理可行的、節能的。

(2)一種通風空調系統形式是否節能不能一概而論,而是應看應用在哪個地區、哪條線路上。不同地區的氣候特點不同,空調期的長短不同,運行模式也不同,相應的能耗也會相差很多。屏蔽門系統適用于空調季時間長,過渡季、冬季(即通風季節)時間較短的地區；而閉式系統適用于空調季時間較短,過渡季、冬季時間較長的地區。通風空調系統形式的確定,應進行全年能耗綜合性分析。

(3)既然閉式系統在空調季節運行時耗能大,而屏蔽門系統通風季節運行時耗能大,建議研究制造一種新型的門。這種門,空調季節時起屏蔽門的作用,通風季節能打開足夠的通風百葉窗,增加活塞風的作用。這樣,取這兩種制式的優點,達到全年節能運行的目的。

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