雙碳背景下地鐵通風空調風系統設計優化思路再探討

吳 煒 劉伊江 渠永通

（中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031）

0 引言

0.1 傳統設計

目前，大部分城市地鐵車站的通風空調系統根據其服務區域的不同，被分為大系統（服務于車站公共區）、小系統（服務于車站兩端設備管理用房區域）。

圖1給出了典型地鐵車站大系統原理圖，也是采用廣泛的系統形式。

圖1 典型地鐵車站大系統設備組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of a typical subway station Hvac system for public zone

從原理圖中可知，大系統傳統設計方案采用三風機（新風機、回排風機、組空離心風機）一次回風、雙端送風全空氣系統，相關設備設置在車站兩端環控機房內。

圖2給出了典型地鐵車站小系統原理圖，針對設備用房采用的也大多是一次回風空調系統，設置雙風機系統（柜式風機盤管機組、回排風機和部分控制風閥等），房間內管路布置均為典型的一送一回布置形式。

圖2 典型地鐵車站小系統設備組成原理圖Fig.2 Schematic diagram of a typical subway station Hvac system for Equipment management zone

表1將目前地鐵車站通風空調風系統設計形式做了一個歸納和總結，基本各個城市線路地鐵通風空調風系統設計均按此標準設計，一般典型車站系統數量統計：公共區2套空調系統（互為備用）；設備及管理用房區域：車控室一端小系統數量約為7～8個，非車控室一端設備區小系統數量約在3～4個。

表1 傳統設計方案匯總表Table 1 Summary of Traditional Design Schemes

表2 大系統風系統優化思路Table 2 Optimization Schematic Diagram of Typical Metro Station for public zone

0.2 痛點分析

根據實際綜合管線布線設計和既有車站運營部門反饋的弊端，目前面臨的痛點集中在以下方面：

（1）管線密集，運維不便

傳統設計方案思路下，由環控機房內引出的管線大部分穿越設備區房間、走道，充滿整個空間，尤其是設備大端，大、小系統管線、各類水管、各類橋架等上下重疊布置，導致很多閥體、吊裝設備安裝上去后無法接線或無法檢修[1,2]，雖然引入BIM手段建模梳理，但無奈于管線眾多，仍存在此類問題，尤其在有車站控制室一端的設備區，此類問題尤為明顯。

（2）輸配“折返跑”，能耗高

傳統設計方案思路下，地鐵車站“天生”狹長的空間特點決定了空氣輸配能耗所占比例高，車控室一端設置的大系統空調送風，管路空跑長度通常約80m～110m，車站有配線，空跑距離更長[3,4]。圖3給出一典型車站輸配距離示意，可以看出，在車控室一端環控機房設置的系統要單邊空跑105m才能服務44m的公共區部分，輸配能耗浪費嚴重，與國家“雙碳”戰略要求相悖。

圖3 典型地鐵車站風系統輸配距離示意圖Fig.3 Diagram of Distribution Distance of Wind System for public zone in Typical Subway Station

因此，盡量降低輸配能耗也應該成為地鐵暖通節能的重點方向。

而隨著地鐵建設快速發展，通車線路越來越多、運營時間越來越長、設備舊化改造需要運營維保的需求越來越得到重視，傳統設計思路下的地鐵站內的管線密集導致無法檢修和更換、以及地鐵車站通風空調系統能耗居高不下的痛點也越來越凸出，設計回訪中反饋的關于檢修的問題需要得到設計的高度重視，而從設計層面的思考則是解決此類問題的關鍵一步。

1 設計反思

隨著不同城市已通車運營線路公里數不斷增加，上述痛點引發的矛盾不斷涌現，各地運營反饋也越來越多，有必要對傳統設計方案反思：

（1）國家“雙碳”背景下，如何降低占整個地鐵車站能耗50%以上[5]的通風空調系統能耗？

（2）公共區全空氣系統為何一定要按雙端送風模式？

（3）公共區全空氣系統為何一定要按采用三風機系統設計？管路為何一定要一送一回？

（4）設備管理用房區全空氣系統為何必須采用雙風機系統？進入房間的管道必須一送一回？

2 優化思路

沿以上思路，借鑒民建廣闊的設計方案，跳出地鐵通風空調設計固定套路，回歸暖通專業的本源。

《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）其條文7.3.5、7.3.22、7.4.12詳細說明了在空調系統設計時，宜優先采用單風管系統，當阻力不大、密閉性不好時，可不設置回風機、采用集中回風等多種形式，為地鐵通風空調系統設計給出了多種優化思路。

大量調研和理論分析表明，地鐵車站公共區密閉性不好，即便只有2個出入口，自然壓出的阻力不會超過5Pa。回風系統阻力是“人為制造”且“主動選擇”的[6,7]。針對地鐵通風空調風系統的優化改進提出如下新思路：

（1）地鐵車站大系統“4單、4脫離”

（2）小系統“區域內平衡、單系統”

（3）新風優化處理方案

以下詳細就所提出的優化改進思路介紹如下：

2.1 大系統“4單4脫離”

①單端送風、一端脫離

方案要點：鑒于車控室一端環控機房距離服務的公共區較遠，本優化思路提出將傳統車控室一端環控機房內的大系統設備（組合式空調機組、回排風機、新風機各一臺）全部脫離該端，統一集中設置到輸送距離更近的車站小端（非車控室一端）環控機房內，采用單端送風方案。

需注意以下幾點：

采用單端送風方案，需注意管路壓力值按組合式空調機組WS值不超過節能限制反算的機外余壓值，確保機組節能評價值達標；

注意兩臺組合式空調機組并聯后，混風室的斷面面積需滿足在通風季節不出現機組相互干擾的影響，保證斷面風速不大于5m/s；

注意校核站臺層層高是否在采用本方案后滿足裝修方案吊頂所需的高度，可通過采用優化管路布置為同標高平鋪的方式，降低對吊頂標高產生的影響；管路應進行均勻送風校核計算，確保末端風口風量達到設計要求。

②單送新風、末端脫離

方案要點：保留雙端送風型式，針對車控室一端設備區考慮在靠近公共區設備區設置獨立的環控小室，內部設置空氣處理設備，減少輸送半徑，自循環方式、集中回風，脫離大環控機房內新風道設置，而該處的新風可以依靠靠近該端一側的車站出入口吊頂內設置新風處理設備完成對新風的引入，或者統一由車站小端（距離公共區近的）設置單獨新風處理機組承擔整個車站新風引入。

注意事項：

需與土建專業落實環控小室必須緊貼公共區隔墻設置，并注意噪音處理；

出入通道引入新風需考慮通道吊頂上部的高度需滿足新風處理設備的安裝。

③自循環式、管路脫離

方案要點：單風機系統主要包括幾個方面的內容，一是利用連續性調節風閥取代空調小新風機，改為設一大（通斷型）、一小（調節型）兩個新風閥；二是校核管道阻力，取消小端一側（非車控室一端）大系統公共區回排風機，僅設置集中回風管和風口，不再采用回排風管兼排煙的型式。

注意事項：

注意連續量調節型風閥需在設備招標時明確，避免后續招標問題；

取消回排風機，需校核組合式空調機組滿足節能規范相關限制要求，機外余壓（管道阻力）需進一步控制。

④分設系統、廳臺脫離

方案要點：站廳層、站臺層公共區空調系統分開配置，各自服務局部區域。防排煙系統站廳和站臺公共區也分開設置，站臺公共區排煙直接利用車站隧道通風系統兼顧設置，提高排煙效率，減少管路布置。

注意事項：

本方案尤其適用于暗挖車站，走管不方便時采用，應和土建專業配合好環控小室的設置位置，必要時也可考慮在公共區兩端設置土建夾層設置空氣處理設備；

站廳公共區排煙獨立設置排煙系統，站臺層公共區的排煙直接利用軌道排熱系統兼顧，但需要注意排煙風口覆蓋范圍問題，距最遠點不超過30m，層高較高時可如圖4處理方式。

圖4 站臺公共區和軌行區排煙合用系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of smoke exhaust system in public area of platform and rail area

小結：上述“4單4脫離”創新思路，在實際使用時，可依托具體站點建筑方案布局（車站長度、內部層高、地面條件、兩端設備區房間布置、出入口設置等）靈活選用和組合，達到因地制宜、物盡其用、節能低碳的效果。

圖5給出了某城市地鐵線路一地鐵車站采用優化方案①、③、④組合給出的大系統原理圖。

圖5 典型地鐵車站大系統優化原理圖Fig.5 Optimization Schematic Diagram of Typical Metro Station for public zone

為了進一步增進對上述優化方案節能潛力的認識，下面以方案②為例，對其可能創造的節能量進行數量級上相對準確的定性分析。以深圳地鐵在建線路某標準地下車站為例，其大系統大端組合式空調機組的選型參數為：Q=64000m3/h，機外余壓525Pa，N=30kW，回排風機的選型參數為：Q=53200m3/h，HP=450Pa，N=22kW。根據相關統計結論，深圳地鐵車站公共區運行空調模式的空調季長8個月[8]，非空調季4個月，電機平均綜合負載率均以50%計[9]。

采用方案②僅針對車控室一端在靠近公共區處設置空調系統，自循環集中回風。該模式下，組合式空調機組保守可減少125Pa的機外余壓，回排風機取消。可以計算得到包括空調季及非空調季在內，大系統18h運行時間內的全年節能量如下：

即在落實方案②的條件下，縱使不考慮設備大端管路較少為土建規模進一步壓減所創造的投資核減，僅單個標準地下車站通風空調初步衡量的節能量就達105kWh的數量級，節能潛力不容小覷。而以截止至2022年底深圳全市近400座車站計[10]，在國家積極推進“雙碳”戰略，加快優化地鐵建筑用能結構的背景下[11]，大力發展低碳技術、推廣節能創新方案的意義深遠。

2.2 小系統“區域內平衡單風機系統”

針對錯綜復雜的設備區小系統布置，我們提出在設計時，從傳統思維各子系統內送、回（排）風量平衡（簡稱“系統內平衡”）到“區域內平衡”的思維大轉變，即通過區域內平衡+內走道集中回風，全面實現單風機、單管路系統，優化整個設備區管路布置，減少管路交叉，提高運維條件。

具體思路如下：

①管理用房：整體采用風機盤管+新風模式，隔墻上統一設置超壓排風防火閥（嵌墻式），送入的新風統一通過隔墻嵌入式防火閥自然泄入內走道。

②設備用房（27℃空調或36℃冷風降溫）：采用只送、超壓自然排除至內走道，通過內走道集中回風形式，隔墻上設置嵌墻式防火閥（氣體保護用房設置全電動防煙防火閥），考慮設置排風機承擔災后通風的廢氣排除，房間內的送風管兼事故排風管。傳統的回排風機變為事故排風機用，如圖6所示。

圖6 設備區全空氣系統優化示意圖Fig.6 Schematic diagram of equipment area all-air system optimization

③通風用房：全部采用機械排風，自然補入形式，即在房間內僅設置排風支管，補風依靠在房間與內走道隔墻上的嵌入式防火閥通過走道補入。

在采用區域內平衡單風機系統技術時，內走道不必考慮單獨設置平時通風系統，不同性質類房間的進風、排風需考慮統一核算，確保整個區域內風量平衡，實現預設功能。

圖7給出了按照區域內平衡方案思路下的小系統原理圖，管路大大簡化。

圖7 典型地鐵車站小系統優化示意圖Fig.7 Schematic diagram of small system optimization of typical subway station

通過上述方案優化，可在現有小系統設備及管路設置基礎上，減少風機4～5臺（其中大端3臺）、減少回/排風管路4套（其中大端3套），極大程度上降低車站設備大端綜合管線的布置難度，同時可進一步降低設備區通風空調的系統能耗。

2.3 新風井優化思路

新風井的優化是源于對新風品質的質疑，根據對多個城市不同地鐵線路的實際調研和回訪，我們發現新風道內的空氣品質往往由于風道表面粗糙度過高，容易積塵、滋生細菌，室外新風進入風道后，被“二次污染”的幾率很高，進新風道再進入空調柜后的空氣品質會下降很多，即便運營維保人員加大風道清洗和濾網清洗，也于事無補。經過調查，大部分車站的出入口和直出地面的消防專用通道的室外新風空氣品質都高于通過新風道進入空氣處理設備的空氣質量。圖8、圖9是某地鐵站新風道內過濾網及風閥實地照片。

圖8 典型地鐵車站過濾網現場照片Fig.8 Typical Metro Station Filter Screen Photos

圖9 典型地鐵車站風閥現場照片Fig.9 Typical Metro Station Air Valve Site Photos

通過前述大系統4單4脫離創新方案思路，結合相關方案思路，提出優化新風井設置的方案：

①公共區空調系統采用自循環方式，新風利用公共區出入口通道設置新風處理機組引入，減少車站兩端新風井的面積；圖10給出了該方案示意系統原理圖，即在傳統送風距離較遠的車控室一端，將承擔半個車站公共區負荷的空調柜拆分設在靠近公共區的環控小室內，自循環降溫除濕，新風依靠車站出入口設置的新風處理機進行擔負，如圖11所示。

圖10 大系統優化方案原理圖Fig.10 Schematic diagram of large system optimization scheme

圖11 出入口新風示意圖Fig.11 Fresh air schematic diagram from entrance and exit

②車控室一端的消防專用通道往往與新風道或空調機房相鄰，而消防專用通道平時基本不用，完全有條件利用該通道作為新風道，可將標準車站減少1座新風井。如圖12（原方案）、圖13（優化方案）所示。

圖12 新風與專用通道獨立設置示意圖Fig.12 New air and dedicated channel independent setting schematic diagram

圖13 新風與專用通道兼用設置示意圖Fig.13 Schematic diagram of setting up both fresh air and special channel

通過上述方案的設置，以某一城市既有通車線路車站計算反饋的話，落實方案①后，同樣以上述深圳地鐵某一在建線路某車站為例，其大系統單端風量為64000m3/h，按5m/s的斷面推薦風速計[12-14]，A6標準車站新風井面積兩端共可減少約7m2，利用緊急疏散通道兼做新風井，車站原先取消一座風井再減少約6m2，雖然總量不大，但其對地鐵車站尤其是越來越多的大深埋車站的土建規模核減大有裨益，同時對于地鐵車站通風空調傳統設計具有革命性和開創性的指導意義。

成都3號線衣冠廟、磨子橋、新南門、市二醫院、紅星橋等車站試點采用消防專用通道兼作新風道方案。圖14、圖15是磨子橋站消防專用通道兼做新風井現場實拍圖片。

圖14 磨子橋站消防專用通道兼做新風井地下實拍圖Fig.14 Underground Photo of Moziqiao Station Fire Protection Channel and New Air Shaft

圖15 磨子橋站消防專用通道兼做新風井地下實拍圖Fig.15 Ground Photo of Moziqiao Station Fire Protection Channel and New Air Shaft

3 分析結論

在國家雙碳背景的要求下[15]，傳統設計使地鐵通風空調系統在整個車站耗能系統中的占比居高不下，尤其風系統的能耗占比較重，也必須引起設計的高度反思，不能繼續再一成不變地固守傳統的系統設計方案。

通過對地鐵通風空調風系統傳統設計的分析，跳出固定套路，回歸暖通專業的本源，提出的大系統“4單4脫離”、小系統“區域內平衡單系統”、“新風井設置優化思路”為我們打開了設計新思路、因地制宜的根據實際車站建筑布局來采用優化方案，實踐證明從設計源頭上進行變革性的開創設計，要遠比后續在各類讓人眼花繚亂的節能控制策略上的變化帶來的效果要有效的多。

綜合采用上述優化方案，對于標準車站通風空調風系統設計將會大大優化：

①大系統減少風機5臺，風閥若干，標準站全年至少節電約4×104kWh；

②小系統減少風機4～5臺，減少風管50%；

③減少新風井至少1座。

最終使得設備區域管線減少，釋放空間、維保充足，整個系統控制簡單，運行能耗降低，較大程度地減少地鐵車站通風空調系統碳排放。