天津地鐵4號線環控系統優化設計

□文/陳 娟

1 概述

天津地鐵4號線全長41.4 km，35個地下站，其中7個換乘站。

環控系統制式為地下車站及區間隧道通風、空調系統按車站設置屏蔽門系統設計。預留列車8B編組。

2 系統方案

車站兩端對稱設置環控機房與風道，每端環控機房與風道各承擔車站一半負荷與相應區間負荷，見圖1。

圖1 優化前環控系統機房平面

1）全線車站均采用單活塞風井。

2）區間與車站公共區設備相互兼用。

（1）軌行區。排熱風機“TUO/A”估算風量 70 m3/s，采用正反轉軸流風機，平時工況為軌行區排熱，同時采用風閥切換兼用于區間內阻塞、火災事故送風、排煙與正常工況通風。

（2）車站公共區。回排風機“HPF/A”40 m3/s；送風機“SF/A”40 m3/s，其回排風機與送風機高出空調箱45%的風量，正常工況利用變頻與空調箱配用。

（3）區間內阻塞、火災事故送風、排煙采用軌行區排熱風機“TUO/A”和車站公共區回排風機“HPF/A”、送風機“SF/A”三機并聯工作。

3）車站公共區與管理用房兩系統分設冷水機組，管理用房獨立設室外風冷機組。

3 優化方案

3.1 主要思路

1）本線35個地下站，全線環控設計需要根據不同的站位、客流、與建筑內外條件分別采用不完全相同的適實且滿足全面要求的系統與設備選型方案。

2）系統方案、設備匹配、機房面積等力求達到技術先進、接口合理、控制可行、經濟節能、低碳環保、機房最小且用修方便。

3.2 環控系統重點方案優化論述

1)區間與車站公共區系統設備分開各自獨立設置。車站兩端各設2臺區間獨立使用的機械/事故風機，風量為60～66 m3/h；各設1臺區間獨立使用的軌行區排熱風機；車站公共區依據負荷計算獨立設置2臺空調箱與對應回排風機，擔負其夏季空調；設置1臺送風機，擔負其他季通風；車站公共區排煙依據排煙量計算獨立設排煙風機或兼用回排風機。

（1）對屏蔽門環控系統，區間阻塞與事故模擬計算的風量約是車站公共區系統風量的3倍之多。區間風量約240～264 m3/s；公共區系統送回風設備風量之合約78～88 m3/s且因兩系統不同，其壓頭也不一定能匹配，這樣采取任何方式將車站公共區與區間風量差異3倍的設備切換并聯，兼用于區間阻塞和火災事故工況均是不合理的。

（2）不同型號（不同壓頭、風量）軸流風機并聯匹配使用是不合理的。其一，參閱天津地鐵5號線環控系統計算（6B編組），大多車站區間阻塞與火災事故工況的送排風量為60 m3/s+30 m3/s+30 m3/s?，F4號線按8B編組，其估算風量為70 m3/s+40 m3/s+40 m3/s，若通過不同型號風機并聯工作特性見圖2和圖3。

圖2 不同型號軸流風機并聯性能曲線1

圖3 不同型號軸流風機并聯性能曲線2

由圖2和圖3可知，風量分別為70、40、40 m3/s的三臺風機并聯工作，其管網特性曲線如可能與三臺并聯風機特性曲線的“馬鞍形”避開相交，則風量要小于3臺之和，既風機并聯的風量不是“1+1+1=3”；相反，其管網特性曲線如不能與3臺并聯風機特性曲線的“馬鞍形”避開相交或兩曲線不能相交，則并聯風量有可能還不足于其中一臺風機的風量。顯然，這兩種工況3臺風機并聯工作的實際風量，均不能滿足系統計算的風量。另外，不同型號軸流風機并聯，由于風機結構、功率等不同，加之系統切換連接沒有迂回條件，大小風機于出口氣流垂直合流等問題，造成小號風機啟動喘振，一旦喘振強烈會出現風機葉根斷裂、葉片飛出、電機燒毀的可能。

（3）排熱風機兼用區間風機是不合理的。工藝要求區間風機為正反轉使用，它是全對稱葉片的低效風機（75%），其用于區間早晚換氣和阻塞、火災事故是可以的；排熱風機是用于站臺軌行區列車排熱，特點是長時用、單向轉，它的葉片是不對稱的高效風機（85%以上），如排熱風機兼用區間風機，則需將風機改為全對稱葉片，長時正常使用是非常不節能的。另外，當排熱風機正常工作時，區間出現事故火災需要馬上切換風機轉向、轉速和相關系統風閥，此時必須考慮救災的時間滯后與可控問題，同時對設備使用年限內的機械損衰質量要有可靠保證。

（4）車站公共區送排風機、站臺軌行區排熱風機兼用為區間風機，當區間出現事故火災與阻塞時，需要馬上切換停止車站的正常送、排風運行，這勢必影響車站的運營環境。

（5）區間與車站公共區系統設備在風道內合設兼用，應有必備條件。除其設備費節省7.2%外，對車站環控系統的機房占地、運行能耗、土建成本等的評價結論，應該是一個綜合概念，不是任何一種環控系統方案、機房風道形式、控制運行模式決定的，而是技術合理的環控系統與全線每一個不同車站建筑功能形式最佳靈活、適實、綜合、合理結合實現的。對環控設備的運行能耗，同樣是設計計算、設備選型、系統匹配、合理變頻、運行工況等經濟合理的集成。

2）活塞風井的設置。車站于有條件的情況下設置雙活塞風井；設置風亭較困難的地段，在滿足換氣和溫度條件下設置單活塞風井；設置交錯布置的單雙風活塞風井；帶配線的車站盡量設置雙活塞風井；對于超長區間隧道，設置中間風井。車站兩端與中間風井內各設2臺同型號正反轉機械風機，火災事故與阻塞工況時按兩者模擬最大風量選型并聯2臺區間風機使用，該風機不變頻。通過成熟的區間模擬計算可知，雙活塞風井較單活塞風井的設置有利于改善區間環境狀況，節省區間通風換氣電耗。

天津地鐵5號線可研評審意見已經明確：全線地下車站兩端活塞風井采用單井還是雙井方案需因地制宜，有條件設置雙井的地區盡量采用雙井方案，以充分發揮活塞效能。4號線35個地下站除中間部分車站在市區，兩端在全線2/3部分的車站在市邊和郊外，因此不應“一刀切”的設置單活塞風井。

3）設備選型。原則上要求根據車站近期（2025）至遠期（2040）預測的客流量和最大通過能力配置，分期實施。

（1）對遠期（2040）客流負荷增長較大的車站，可以按初期（2018）～近期（2025）負荷與客流計算進行設備選型，合理預留遠期設備條件與安裝空間。

（2）土建預留遠期（2040）后的列車8B節編組條件，但環控各系統設備建議不按此選型，環控機房與土建風道建議不按當今的條件（除6乘8）的估算預留。因為依據《城市軌道交通工程項目建設標準》環控設備使用淘汰周期最大20 a，任何設備全面技術換代的速度飛快，按照當今低碳環保的大勢，依現在標準設計的環控設備與風道空間，應該可以保證30 a后增加列車2節編組的設計條件與更新設備的安裝和使用空間，否則，將會給現在設計帶來很大的難點。

4）冷源與冷水機組選型。車站公共區與管理用房兩系統冷源集中。根據計算的負荷比例合理的選用2臺或3臺容量相等并可互為備用的冷水機組。當管理用房冷負荷占兩系統總冷負荷的比例＞30%時，選用2臺相同容量的冷水機組；當管理用房冷負荷占兩系統總冷負荷的比例＜30%時，選用3臺相同容量的冷水機組，其冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔與冷水機組一一對應設置。兩系統具有聯合與各自獨立使用的切換功能，必須滿足管理用房空調期提前和夜間獨立使用的需要。平行換乘站和站距較近的地段繁華站，充分考慮綜合合理的冷水系統資源共享利用。

車站管理用房不獨立設風冷冷水機組，其理由：

（1）正常使用兩系統集中冷源符合GB50189—2005《公共建筑節能設計標準》5.4.1要求；

（2）風冷冷水機組COP能效系數遠小于水冷機組；

（3）室外設風冷機組占地、噪聲與運行管理均不利于設冷卻塔。

5）氣流組織。

（1）管網氣流組織（管道氣流分配）的概念與合理設計，是不能忽視的，不同管網系統的氣流垂直合流不要采用。超大的土建送風小室、超大低速的土建風道不符合GB 50189—20055.3.17要求，不要采用。

（2）環控設備與風道的連接，建議依據計算采用鐵皮風道與靜壓箱，不用土建小室。其優點是節省地方、便于維修、便于施工、漏風量少、冷量損失少、壓力損失少、氣流組織好。

6）設備并聯、變頻。

（1）不采用不同型號的軸流風機并聯匹配運行方案。

（2）采用變頻風機時，要充分分析保證其風機選用的最佳工況點用于最大工作時間，不可以將長時的正常運行工況于低頻下運行，這是非常不合理不節能的。

7）區間自然排煙、自然通風。小街—科技園段為地下一層側式站，建議充分結合室外綠化帶的利用可能，地下區間在滿足規范要求的前提下，力求采用自然排煙、自然通風設計方案。這樣可以給區間一個低碳節能和較舒適的采光與空氣環境，還給施工回填帶來很大便利。

8）車站內、外環控設備設置。

（1）積極配合建筑，將室外風亭、冷卻塔設置方案達最佳，即環控系統最合理，室外建筑綜合布局與景觀效果統一并最優化。

（2）環控機房與相關風道的設置為達到設計方案最佳的目的，一定要密切結合建筑站位的內外條件靈活機動多樣化。如：內嵌機房與風井；外掛機房與風井；雙層機房與風道；機房風井于車站兩端分設；機房風井于車站中部合設；風道長短的利用、機房空間的利用、維修操作空間等等。總之，35個地下車站和區間的環控系統與布置形式不能“一刀切”，而應該在一個技術合理的環控系統基本標準模式下，進行逐站分析合理結合，不應為某唯一的方案，而是集設計計算、設備選型、設備布置、設備匹配、操作運行、經濟節能、專業接口等的設計合理、運營便利為最佳。

4 結語

對于區間與車站兩系統設備各自獨立設置還是合設兼用；車站采用單活塞風井還是雙活塞風井；車站公共區與管理用房兩系統合設切換使用冷水機組還是管理用房獨立設室外風冷機組；不同型號的軸流風機并聯工作、風機變頻的合理采用等，應該以專業基礎理論與設計規范為指導，結合車站建筑與結構條件，詳細分析其技術與接口、操作與控制、造價與能耗，從而合理的確定環控方案，使設計達到綜合最佳。

［1］王弈然.新型通風空調集成系統在北京地鐵中的應用[J].都市快軌交通，2010，23（6）：93-97.

［2］GB 50189—2005，公共建筑節能設計標準［S］.

［3］建標104—2008，城市軌道交通工程項目建設標準［S］.