區(qū)域適應性地鐵通風空調系統研究

李國慶，李百戰(zhàn)，孟 鑫，張曉偉，張 領

（1. 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；2. 重慶大學，重慶 400044）

1 研究背景

地鐵具有地面任何交通工具不可比擬的優(yōu)越性：安全、快捷、舒適及環(huán)保。世界各國普遍把地鐵作為解決城市交通問題的根本出路，大力發(fā)展。我國城市軌道交通發(fā)展迅速，截至2018 年底，我國大陸地區(qū)共有35 個城市開通城市軌道交通，運營線路總長度5 761.4 km，其中地鐵線路長度累計達4 354.3 km，約占總長度的75.6%。我國的氣候區(qū)從北向南依次可分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)及溫和地區(qū)5 個氣候區(qū)域。開通地鐵的城市覆蓋了我國的這5 個氣候區(qū)，而地鐵的通風空調系統與每個地區(qū)的氣候密切相關。各個氣候區(qū)的氣候特點不同，各區(qū)域的地鐵通風空調系統制式也不同[1-6]，如表1 所示。

表1 不同氣候區(qū)地鐵車站的通風空調系統制式Tab. 1 Ventilation and air conditioning systems in metro stations in different climatic zones

根據全國各氣候區(qū)地鐵運營的數據統計，通風空調系統的能耗巨大，占地鐵總能耗的30%～40%。通風空調系統的方案對其他專業(yè)的影響比較大，因此如何根據不同氣候區(qū)的氣候特點選取合理的通風空調系統制式，是地鐵線路通風空調系統設計的關鍵點，也是降低通風空調系統運行能耗的重要因素。下面筆者對我國不同氣候區(qū)的通風空調系統進行分析，從實現功能、節(jié)能的角度提出一些觀點。

2 嚴寒地區(qū)的地鐵通風空調系統設計

2.1 地鐵通風空調系統設計

嚴寒地區(qū)的氣候特點鮮明，1 月份平均氣溫均在-10℃以下，極端最低氣溫普遍低于-35℃；7 月份平均氣溫低于25℃。根據《地鐵設計規(guī)范》，嚴寒地區(qū)地下車站公共區(qū)應設置通風系統[7]。

長春地鐵的隧道通風系統與車站公共區(qū)通風系統采用集成方式設置(見圖1)，地下車站每端均設置了排風道，排風道內并聯設置兩臺參數相同的車站通風機SVF。這兩臺風機為可逆轉風機，平時作為車站公共區(qū)的送風機，同時兼作地下車站公共區(qū)排煙風機和區(qū)間隧道事故風機。車站兩端均設置一條活塞風道，并設置了電動組合風閥與兩臺區(qū)間隧道相連接，在不同的季節(jié)開啟對應不同區(qū)間隧道的電動組合風閥，實現區(qū)間隧道活塞通風模式的要求。車站站臺端部設置迂回風道，實現區(qū)間隧道的開式運行和閉式運行。車站兩端與活塞風道并聯設置一臺事故(隧道)風機TVF，該風機為可逆轉軸流風機，平時不投入運行。當區(qū)間隧道發(fā)生阻塞或火災時，TVF 與SVF 同時運行，對事故區(qū)間進行送風或排煙。

哈爾濱地區(qū)的地下車站也采用通風系統，哈爾濱地鐵1 號線采用的是車站兩端設置通風機，為車站公共區(qū)進行機械通風，兼顧地下車站火災排煙通風。隧道通風系統設計為在地下車站兩端分別設置一座機械/活塞風井，內設兩臺區(qū)間隧道風機，上下行線路合用活塞風道，在站臺層兩端區(qū)間與地下車站銜接處設置迂回風道。長春地鐵的集成式機械通風系統與哈爾濱地鐵的分設系統相比，能有效地縮短車站長度、降低土建投資以及設備系統初期投資。

嚴寒地區(qū)冬季室外氣溫很低，再加上列車運行時的活塞效應，室外冷風對地下車站的站廳及出入口附近造成強烈的吹風感，極大地降低了乘客的舒適度。為了改善這個問題，長春地區(qū)采用了可調通風型站臺門[8-9]。嚴寒地區(qū)的可調通風型站臺門與其他氣候區(qū)的運行模式恰恰相反，冬季時關閉轉換裝置，關閉活塞風道，開啟迂回風道，以閉式運行作為常規(guī)模式，切斷活塞風與外界的聯系，開啟車站和區(qū)間的送風機，對車站和區(qū)間送新風。兩臺送風機對公共區(qū)和區(qū)間進行送風，同時配置電加熱裝置，將新風加熱后分別送至車站公共區(qū)和區(qū)間隧道。

呼和浩特及沈陽地鐵的通風系統與上述形式類似。烏魯木齊屬于嚴寒地區(qū)，與嚴寒地區(qū)的其他城市相比，這里氣候干燥，室外濕球溫度低，小于等于18℃，最熱月的平均溫度為23.7℃，全年的平均溫度為7.1℃。按照《地鐵設計規(guī)范》，應設置機械通風系統。結合城市的氣候特點，因其濕球溫度低，相對濕度小，氣候比較干燥，所以車站公共區(qū)采用一級蒸發(fā)冷卻降溫系統。該系統比通風系統具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，無需設置機械冷源，在消耗少許電能的情況下，利用霧化后的水與空氣直接接觸進行熱濕交換。經過蒸發(fā)冷卻處理后的空氣，干球溫度降低，風機的風量能夠大幅下降，有效地降低了機械通風能耗，同時也能夠有效減少土建規(guī)模及占地面積，減少設備容量及通風管道管材等。

烏魯木齊冬季通風室外計算溫度-12.7℃，冬季室外平均風速1.6 m/s。為了減少室外低溫及活塞風的影響，地鐵1 號線的車站站臺設置了全封閉站臺門；為了排除列車停站區(qū)域的熱量，車站兩端分別設置了排熱風機。隧道通風系統采用了雙活塞風道，每條活塞風道分別并聯事故風道，車站兩端分別設置兩臺隧道風機TVF。

2.2 嚴寒地區(qū)的優(yōu)化節(jié)能建議

在哈爾濱地鐵1 號線的可調通風型站臺門上方，轉換裝置與吊頂之間的縫隙過大，沒有達到設計標準。冬季實際運營時，運營人員將活塞風井臨時封堵，以減少室外低溫對公共區(qū)溫濕度的影響。

基于1 號線的運營狀況，為了減少嚴寒低溫的影響，哈爾濱地鐵2、3 號線將可調通風型站臺門調整為全封閉站臺門。但是，該系統與其他氣候區(qū)的全封閉站臺門系統不同，車站公共區(qū)仍采用通風系統，為排除軌行區(qū)列車停站處的熱量，車站兩端設置了排熱風機，同時保留了單活塞風道，每端設置兩臺隧道風機，站臺兩端設置迂回風道。

從全壽命周期的技術經濟分析角度來看，嚴寒地區(qū)地鐵通風系統采用可調通風型站臺門系統制式相對最佳。為了能夠有效地降低系統能耗，結合嚴寒地區(qū)的氣候特點，該地區(qū)可以考慮取消車站兩端的活塞風道，冬季運行時開啟迂回風道，區(qū)間設置新風機，以保證乘客的最小新風量。同時，嚴寒地區(qū)冬季應考慮利用區(qū)間土壤蓄熱及車站的設備發(fā)熱量，供給人員房間熱量，或者為公共區(qū)及區(qū)間新風加熱。例如：區(qū)間隧道內壁處敷設換熱管道，吸收隧道的熱量；供電設備房間發(fā)熱量較大，可采用熱回收裝置將其回收利用，與新風進行熱交換等。

3 寒冷地區(qū)的地鐵通風空調系統設計

寒冷地區(qū)以北京為例。依照《地鐵設計規(guī)范》13.1.5.3，北京的最熱月平均溫度為25.8℃，當高峰時間內每小時行車對數和每列車車輛數的乘積大于180時，依照規(guī)范應采用空調系統。北京地鐵目前運營線路的通風空調系統有兩種制式，分別為全封閉站臺門系統和集成閉式系統。

地鐵線路具體采用哪種制式，應根據該條線路的全壽命周期的技術經濟分析得出。集成閉式系統是在傳統的無站臺門系統(上海地鐵2 號線及廣州地鐵1 號線)的基礎上提出的(見圖2)，它將隧道通風系統與車站公共區(qū)通風空調系統有機地結合在一起。車站兩端分別設置一條送風道及一條排風道。每端的送風道內設置電動可開啟的表冷器、過濾器、送風機、消聲器及電動風閥，排風道內設置排風機、消聲器及電動風閥等，共同組成地下車站公共區(qū)空氣處理系統。公共區(qū)通風空調系統兼作站廳、站臺的排煙系統。送排風道內的風機均為耐高溫的軸流變頻風機，同時兼作區(qū)間隧道的事故風機。

圖2 集成閉式空調系統原理Fig. 2 Schematic diagram of integrated closed air conditioning system

該系統車站公共區(qū)與軌行區(qū)是相通的，站臺處設置非全封閉站臺門，站臺門高度一般不超過2.5 m。車站端部不設置活塞風道。該系統通過可開啟式換熱器、可逆轉軸流風機等新型設備，有機地將車站公共區(qū)通風空調系統和區(qū)間隧道通風排煙系統合二為一地集成在一起，極大地減少了通風空調機房的占地面積，縮短了車站長度；同時采用變頻風機適應運營初、近遠期的不同負荷變化，變頻調速可以保證在較低的輸出功率時有較高的電機效率。電動可開啟式換熱器在空調季節(jié)時對空氣進行降溫除濕，在通風季節(jié)時將其電動打開，減少阻力約200 Pa，約占風系統阻力的20%，有效地降低了通風空調系統的運行能耗。

以石家莊地區(qū)為例，該市最熱月的月平均溫度為26.7℃，高于25℃；遠期高峰小時對數為30 對，列車為6 節(jié)編組，兩者乘積為180，所以石家莊地鐵應采用空調系統。經過全壽命周期的技術經濟比較后，石家莊地鐵1、2 號線采用了全封閉站臺門系統。隧道通風系統與車站公共區(qū)通風空調系統分開設置，隧道通風系統如圖3 所示，車站公共區(qū)通風空調系統如圖4所示。該系統的特點是站臺公共區(qū)與隧道軌行區(qū)完全分開，車站公共區(qū)通風空調系統不負擔軌行區(qū)的通風排熱，需要單獨設置排熱風機。

車站公共區(qū)通風空調系統為一次回風的全空氣系統，隧道通風系統采用雙活塞風道，車站每端活塞風道并聯2 臺事故風機。由于全封閉站臺門的設置，車站公共區(qū)的空調冷負荷大約減少35%。

該系統在空調季節(jié)運行時能夠有效降低運營能耗。寒冷地區(qū)空調季節(jié)大約為4 個月，相對較短。全封閉站臺門系統在非空調季節(jié)時無法利用列車活塞效應產生活塞風，只能通過機械通風方式實現車站內部與外界的通風換氣，機械通風能耗增大。因此，降低非空調季節(jié)通風系統能耗是寒冷地區(qū)系統節(jié)能的重點。

從運營節(jié)能降耗的角度來看，全封閉站臺門系統在寒冷地區(qū)沒有明顯的優(yōu)勢。寒冷地區(qū)建議采用可調通風型站臺門，這種系統能夠將上述兩個系統有機地結合在一起：空調季節(jié)關閉可調門上方的轉換裝置，可以達到全封閉站臺門系統的運營模式；過渡季節(jié)及冬季開啟可調門上方的轉換裝置，可以充分利用活塞風為車站公共區(qū)通風換氣，以節(jié)約車站公共區(qū)機械風機的運行能耗。根據濟南地鐵的相關運營資料，這種系統的耗電量約為集成閉式系統的60%[10]。

4 夏熱冬冷地區(qū)的通風空調系統設計

圖3 雙活塞隧道通風系統原理Fig. 3 Twin-piston tunnel ventilation system

圖4 全封閉站臺門的車站通風空調系統Fig. 4 Station ventilation and air-conditioning system for fully closed platform doors

夏熱冬冷地區(qū)的最冷月平均溫度為-10～0℃。以杭州地區(qū)為例，最熱月的平均溫度為28.4℃；遠期高峰小時對數為30 對，列車為6 節(jié)編組，兩者乘積為180，依照《地鐵設計規(guī)范》13.1.5.3，應采用空調系統。該地區(qū)的車站公共區(qū)空調系統運行時間為5 月1日—10 月1 日，共5 個月，比寒冷地區(qū)長1 個月。該地區(qū)可采用寒冷地區(qū)的閉式系統(如南京地鐵1、2、3、5、S8 線及上海地鐵1 號線)，也可采用全封閉站臺門系統。實際運營線路的統計表明，大部分城市采用全封閉站臺門系統。

全封閉站臺門系統可參考集成閉式系統的理念，設置為集成全封閉站臺門系統，如圖5 所示。車站兩端分別設置1 條送風道及1 條排風道。每端的送風道內設置電動可開啟的換熱器、過濾器、2 臺送風機、消聲器及電動風閥，排風道內設置1 臺排風機、2 臺排熱風機、消聲器及電動風閥等，共同組成地下車站公共區(qū)空氣處理系統。公共區(qū)通風空調系統兼作站廳、站臺的排煙系統。送排風道內的風機均為耐高溫的軸流變頻風機，并兼作區(qū)間隧道的事故風機。同時，車站兩端設置活塞風道。

從運營的實際情況來看，夏熱冬冷地區(qū)運營能耗應重點關注空調季節(jié)制冷以及非空調季節(jié)通風工況能耗，建議考慮采用可調通風型站臺門系統。

5 夏熱冬暖地區(qū)的通風空調系統設計

夏熱冬暖地區(qū)的最冷月平均溫度大于10℃，最熱月平均溫度為25～29℃；遠期高峰小時對數為30 對，列車為6 輛編組，兩者乘積為180，依照《地鐵設計規(guī)范》13.1.5.3，應采用空調系統。以深圳為例，其地鐵車站空調季節(jié)的運營時間一般為7 個月，空調季節(jié)在各氣候區(qū)內是最長的。由于該地區(qū)空調季節(jié)運營時間為全年的83%，因此其地鐵節(jié)能設計應重點關注空調季節(jié)的能耗。該地區(qū)的地鐵通風空調系統制式大多為全封閉站臺門系統，詳見前面石家莊地鐵的系統制式描述。

空調季節(jié)的節(jié)能降耗措施可以從以下兩點考慮。第一，該系統控制模式應根據初、近、遠期空調系統的負荷變化進行調節(jié)，降低運營能耗。在進行系統模式(空調模式、機械通風模式、車站公共區(qū)自然通風模式)的切換中，不應只基于空氣狀態(tài)，還應基于系統能耗最小進行轉換。第二，針對不同模式下的空調負荷及室內外參數，實現該模式的最優(yōu)控制：一種是空調模式，通過風系統變風量、水系統變水量、冷水機組開啟臺數進行控制；另一種是機械通風模式，通過風系統變風量、風機開啟及關閉的時間進行控制。

圖5 集成全封閉站臺門車站公共區(qū)通風空調系統Fig. 5 Ventilation and air conditioning system for the common area of a station with integrated closed platform doors

6 溫和地區(qū)的通風空調系統設計

溫和地區(qū)的最熱月平均溫度為18～23℃，未超過25℃(如昆明地區(qū))，最熱月的月平均溫度為19.7℃，因此這類地區(qū)可本著節(jié)約能源的原則，地鐵車站公共區(qū)采用通風系統。溫和地區(qū)冬季氣溫的最冷月平均溫度為0～13℃，因此應采用軌行區(qū)與公共區(qū)連通的安全門系統制式。如圖6 所示，車站公共區(qū)采用機械送風、出入口和區(qū)間采用自然排風的系統，公共區(qū)的送風管道兼作排煙管道，車站兩端分別單獨設置送風機和排煙風機。

如圖7 所示，車站隧道通風系統采用列車出站端的單活塞風道系統，車站兩端分別設置兩臺耐高溫可逆轉的軸流隧道風機，事故風機在運營時間正常工況下不運行，隧道風機只在區(qū)間隧道排煙工況下運行。

從節(jié)能降耗角度出發(fā)，結合該地區(qū)的氣候特點，地鐵車站站臺應采用非封閉型站臺門。建議取消車站端部設置的活塞風道，利用列車活塞作用，由車站出入口與室外的新鮮空氣進行直接交換，節(jié)省土建及設備投資。運營能耗應重點關注機械通風能耗，可采用車站機械排風、出入口自然補風的模式。同時，結合車站公共區(qū)的CO2濃度，可關閉公共區(qū)機械通風，采用出入口自然通風換氣模式。

圖6 溫和地區(qū)車站公共區(qū)的通風系統Fig. 6 Ventilation system of common areas in stations in moderate area climatic zones

圖7 溫和地區(qū)的隧道通風系統Fig. 7 Tunnel ventilation system of common areas in stations in moderate climatic zones

7 結論

綜上所述，不同氣候區(qū)地鐵車站對應的通風空調系統制式不同。嚴寒地區(qū)的地鐵車站系統方案相對較多，目前沒有形成統一的做法，以集成通風系統+可調通風型站臺門方案為相對最優(yōu)方案。對于氣候干燥的地區(qū)，在水源充足的條件下，車站公共區(qū)采用蒸發(fā)冷卻降溫系統相對比較節(jié)能。

寒冷地區(qū)及夏熱冬冷地區(qū)目前運營的地鐵線路，車站公共區(qū)在夏季均設置了空調系統，通風空調系統的能耗應重點關注系統全年的設備運行狀態(tài)，特別是非空調季節(jié)的通風工況下的運行能耗。夏熱冬暖地區(qū)應重點關注空調季節(jié)的節(jié)能運行。溫和地區(qū)的站臺應設置非封閉型站臺門，車站公共區(qū)應采用通風系統。嚴寒地區(qū)和溫和地區(qū)建議取消活塞風道，利用出入口作為活塞風道，為車站及區(qū)間進行通風降溫。

在嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬暖及夏熱冬冷地區(qū)，地鐵車站的站臺皆可設置可調通風型站臺門。可調通風型站臺門能夠滿足這4 個氣候區(qū)地下車站節(jié)能運行的需求，同時避免了站臺公共區(qū)發(fā)生火災時開啟滑動門帶來的安全隱患。行業(yè)內應在各城市地鐵建設中大力推廣，站臺門設備生產企業(yè)應加大研發(fā)力度。