上海地鐵M7線車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的比選分析

褚海容

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司,北京 100037)

1 概述

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地鐵內(nèi)非常重要的設(shè)備系統(tǒng)之一,承擔(dān)保證乘客相對(duì)舒適的環(huán)境條件；保證車(chē)站、區(qū)間和列車(chē)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的環(huán)境條件；保證在列車(chē)區(qū)間阻塞條件下列車(chē)空調(diào)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；保證在車(chē)站、區(qū)間火災(zāi)條件下迅速排煙等重要的任務(wù)。而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)又是地鐵內(nèi)的耗電大戶,其運(yùn)行能耗問(wèn)題也日益突出。因此,減少地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗,具有重要意義。對(duì)一個(gè)城市而言,確定合理可行而又節(jié)能的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模式是非常重要的。

目前,采用空調(diào)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目,按照站臺(tái)邊緣是否設(shè)置屏蔽門(mén),可以劃分為兩種系統(tǒng)形式：屏蔽門(mén)系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。屏蔽門(mén)系統(tǒng)的車(chē)站空調(diào)不需要承擔(dān)區(qū)間冷負(fù)荷,空調(diào)負(fù)荷較?。婚]式系統(tǒng)的車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)需要同時(shí)承擔(dān)車(chē)站和區(qū)間的冷負(fù)荷,空調(diào)負(fù)荷較大。但是就運(yùn)行模式而言,兩種系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)都要經(jīng)過(guò)空調(diào)季節(jié)和非空調(diào)季節(jié),而空調(diào)季節(jié)的長(zhǎng)短是由地區(qū)的氣候特點(diǎn)決定的。什么系統(tǒng)最節(jié)能,應(yīng)進(jìn)行全年能耗綜合分析。如何選擇一種既適合城市地區(qū)氣候特點(diǎn),又經(jīng)濟(jì)節(jié)能的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),是本文將要論述的重點(diǎn)。

本文將結(jié)合上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)實(shí)例,綜合比較屏蔽門(mén)系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的能耗和優(yōu)缺點(diǎn),證明上海M7線采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)是一種合理且節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)形式。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)屏蔽門(mén)系統(tǒng)的適用性。

2 上海M7線空調(diào)系統(tǒng)選擇的背景資料

2.1 上海地區(qū)的氣候特點(diǎn)

上海市位于東經(jīng)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(fēng)氣候。主要?dú)夂蛱卣魇牵憾湎臒?溫和濕潤(rùn),四季分明。

表1為上海與國(guó)內(nèi)一些已有地鐵運(yùn)營(yíng)城市的氣候特征比較,由此可以總結(jié)出上海地區(qū)氣候的幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)全年平均溫度適中

上海地區(qū)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(dá)到27.8 ℃,變化幅度為23.6 ℃。

(3)夏季炎熱且延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)

據(jù)統(tǒng)計(jì),上海市超過(guò)35 ℃的高溫天數(shù)達(dá)10 d左右,較為炎熱。由表1可見(jiàn),上海市的夏季為5月至9月,空調(diào)季節(jié)長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月。氣溫最高的是七、八兩月,其最熱月平均溫度達(dá)27.8 ℃,高于25 ℃。

表1 國(guó)內(nèi)一些城市月份溫、濕度比較

2.2 上海M7線的運(yùn)力分析

上海市軌道交通M7線采用A型車(chē),列車(chē)編組輛數(shù)初、近、遠(yuǎn)期均為6節(jié)編組,遠(yuǎn)期高峰小時(shí)列車(chē)對(duì)數(shù)為30對(duì)。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003)第12.1.5條的規(guī)定：夏季當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鶞囟瘸^(guò)25 ℃,且地下鐵道高峰時(shí)間內(nèi)每小時(shí)行車(chē)對(duì)數(shù)和每列車(chē)車(chē)輛數(shù)乘積大于180時(shí),可采用空調(diào)系統(tǒng)。對(duì)比以上設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的條件,上海市軌道交通M7線工程應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng)。

3 上海M7線空調(diào)系統(tǒng)形式的選擇

3.1 空調(diào)系統(tǒng)形式的分類(lèi)

如上,上海地鐵M7線地下車(chē)站應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng),那么地下車(chē)站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可以在屏蔽門(mén)系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)之間選擇。

由于車(chē)站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷是能耗分析的基礎(chǔ),將從車(chē)站公共區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算入手,分析比較兩種系統(tǒng)的能耗。

3.2 車(chē)站公共區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷分析

對(duì)于設(shè)置屏蔽門(mén)的地鐵車(chē)站,車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)需負(fù)擔(dān)的負(fù)荷只是車(chē)站內(nèi)的負(fù)荷,包括：人體散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、照明散熱負(fù)荷、出入口負(fù)荷、空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷、屏蔽門(mén)負(fù)荷。

對(duì)于閉式系統(tǒng)(站臺(tái)不設(shè)置屏蔽門(mén))的地鐵車(chē)站,車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)需負(fù)擔(dān)的負(fù)荷為：人體散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、照明散熱負(fù)荷、出入口負(fù)荷、空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷、列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)熱、接觸網(wǎng)散熱負(fù)荷。

屏蔽門(mén)系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)都要計(jì)算的負(fù)荷為：人體散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、照明散熱負(fù)荷、出入口負(fù)荷、空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷等。由于安裝屏蔽門(mén)后,將車(chē)站與隧道分隔開(kāi)來(lái),車(chē)站不受區(qū)間隧道行車(chē)時(shí)活塞風(fēng)的影響,故屏蔽門(mén)系統(tǒng)的車(chē)站空調(diào)不需要承擔(dān)區(qū)間冷負(fù)荷,所以無(wú)需計(jì)算列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)熱,也無(wú)需計(jì)算區(qū)間隧道照明的那部分負(fù)荷,只需計(jì)算屏蔽門(mén)負(fù)荷；而閉式系統(tǒng)無(wú)需計(jì)算屏蔽門(mén)產(chǎn)生的那部分負(fù)荷,但要計(jì)算列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)熱、接觸網(wǎng)散熱負(fù)荷和人體在列車(chē)內(nèi)的散熱。

下面,將以上海M7線肇嘉浜路站為例,用數(shù)值來(lái)比較兩種空調(diào)系統(tǒng)形式的能耗。

3.3 肇嘉浜路站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果比較(表2)

表2 肇嘉浜路站兩種系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果 kW

3.4 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果分析

由表2可知,屏蔽門(mén)系統(tǒng)的車(chē)站空調(diào)負(fù)荷比閉式系統(tǒng)的小很多,僅為閉式系統(tǒng)的34%. 兩種系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果所選的主要設(shè)備及功率見(jiàn)表3和表4。

表3 屏蔽門(mén)系統(tǒng)主要設(shè)備

表4 閉式系統(tǒng)主要設(shè)備

通過(guò)表2～表4,可以得出以下結(jié)論。

(1)列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)熱是地鐵得熱的主要來(lái)源,約占地鐵得熱的50%左右。由于屏蔽門(mén)系統(tǒng)無(wú)需計(jì)算此項(xiàng),其車(chē)站空調(diào)負(fù)荷大為減小,所選設(shè)備的規(guī)格及耗電量也相應(yīng)減小。

(2)由于屏蔽門(mén)系統(tǒng)車(chē)站冷負(fù)荷小,一個(gè)車(chē)站通常只需設(shè)置2臺(tái)組合空調(diào)機(jī)組和2臺(tái)回排風(fēng)機(jī)就可以滿足要求,可大大減小空調(diào)系統(tǒng)的初投資。

(3)屏蔽門(mén)系統(tǒng)車(chē)站的設(shè)備尺寸和數(shù)量的減小,還可以減少站內(nèi)空調(diào)機(jī)房的面積,從而節(jié)省土建投資,系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)備費(fèi)也會(huì)有所下降。

(4)同時(shí)使用時(shí)的最大功率,屏蔽門(mén)系統(tǒng)僅為閉式系統(tǒng)的63%,比閉式系統(tǒng)節(jié)能37%,大大減小了用電容量。

4 兩種系統(tǒng)形式的比選

對(duì)屏蔽門(mén)系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。主要從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)運(yùn)行模式、系統(tǒng)運(yùn)行全年綜合能耗及維修費(fèi)用、設(shè)備初投資、土建造價(jià)幾個(gè)方面進(jìn)行綜合比選。

4.1 系統(tǒng)功能

采用這兩種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的全部功能要求,但由于系統(tǒng)設(shè)置的不同,在功能實(shí)現(xiàn)效果方面會(huì)有所差別。屏蔽門(mén)系統(tǒng)在車(chē)站公共區(qū)的舒適性上和乘客安全上具有優(yōu)勢(shì)；而在區(qū)間通風(fēng)方面,閉式系統(tǒng)可以在夏季利用車(chē)站冷氣流冷卻區(qū)間,區(qū)間通風(fēng)效果好。

4.2 運(yùn)行模式

根據(jù)表1比較上海各月份平均溫度變化可知,上海的空調(diào)季節(jié)約為5個(gè)月左右,其中,小新風(fēng)空調(diào)運(yùn)行約3個(gè)半月,全新風(fēng)空調(diào)運(yùn)行約為1個(gè)半月；通風(fēng)運(yùn)行約7個(gè)月,其中過(guò)渡季約5個(gè)月,冬季約2個(gè)月。地鐵的正常運(yùn)行時(shí)間為5點(diǎn)至23點(diǎn)。

下面,對(duì)兩種系統(tǒng)的公共區(qū)和區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行比較。

屏蔽門(mén)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng),在3個(gè)半月的小新風(fēng)空調(diào)季節(jié)和1個(gè)半月的全新風(fēng)空調(diào)季節(jié)，車(chē)站內(nèi)采用組合式空氣處理機(jī)送風(fēng)、回排風(fēng)機(jī)回風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用活塞通風(fēng),列車(chē)車(chē)站停車(chē)段采用排熱風(fēng)機(jī)排風(fēng),活塞風(fēng)道自然進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方式；在5個(gè)月的過(guò)渡季和2個(gè)月的冬季，車(chē)站內(nèi)采用空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)送風(fēng)、回排風(fēng)機(jī)排風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用活塞通風(fēng),列車(chē)車(chē)站停車(chē)段采用排熱風(fēng)機(jī)排風(fēng),活塞風(fēng)道自然進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方式。運(yùn)行初期隧道內(nèi)的壁面溫度較低,無(wú)需夜間通風(fēng)即可滿足要求,但在遠(yuǎn)期則應(yīng)采用夜間通風(fēng)方式。冬季利用風(fēng)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量以滿足溫度要求。

閉式系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng),在3個(gè)半月的小新風(fēng)空調(diào)季節(jié)和1個(gè)半月的全新風(fēng)空調(diào)季節(jié),車(chē)站采用組合式空調(diào)機(jī)組和回排風(fēng)機(jī)送風(fēng)、回風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用閉式運(yùn)行方式,開(kāi)啟迂回風(fēng)道,依靠列車(chē)運(yùn)行從車(chē)站攜帶冷風(fēng)降溫；在5個(gè)月的過(guò)渡季,車(chē)站采用組合式空調(diào)機(jī)組送風(fēng)、回排風(fēng)機(jī)排風(fēng)的通風(fēng)方式,在室外溫度較低時(shí),采用機(jī)械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用開(kāi)式通風(fēng)方式,關(guān)閉迂回風(fēng)道；在2個(gè)月的冬季,早上5：00～6：00采用閉式運(yùn)行,其余時(shí)段采用與過(guò)渡季相同的通風(fēng)方式。

4.3 運(yùn)行全年綜合能耗及維修費(fèi)用

按照以上通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式,可以得出各系統(tǒng)全年運(yùn)行電耗,詳見(jiàn)表5。從表5可以看出,采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)全年可節(jié)電169 830 kWh,約占閉式系統(tǒng)全年電耗的11.5%左右,折合人民幣約8.5萬(wàn)元。

在維修費(fèi)用方面,對(duì)于屏蔽門(mén)的日常維護(hù)和維修情況,每個(gè)車(chē)站應(yīng)該可以控制在6.25萬(wàn)元/年以?xún)?nèi)。如果閉式系統(tǒng)安裝了安全門(mén),那么可以認(rèn)為屏蔽門(mén)和安全門(mén)的維修費(fèi)用相當(dāng)。

表5 肇嘉浜路站全年運(yùn)行耗電費(fèi)用比較

4.4 設(shè)備初投資

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果,上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站屏蔽門(mén)系統(tǒng)的冷負(fù)荷為697.7 kW,閉式系統(tǒng)的冷負(fù)荷為2 074.3 kW。以此為基數(shù)估算系統(tǒng)設(shè)備初投資。

經(jīng)調(diào)查,目前每站的屏蔽門(mén)所需費(fèi)用約為520萬(wàn)元；若閉式系統(tǒng)采用安裝安全門(mén)的形式,安全門(mén)的造價(jià)約為屏蔽門(mén)的70%左右,每站安裝安全門(mén)所需的費(fèi)用約為364萬(wàn)元。

屏蔽門(mén)系統(tǒng)設(shè)備容量的下降可以降低供電設(shè)備的初期投資,采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)每座地下站可以降低用電容量約600 kW以上。

系統(tǒng)設(shè)備投資比較見(jiàn)表6。

4.5 土建造價(jià)

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(chē)站的綜合造價(jià)約為7 500元/m2；盾構(gòu)區(qū)間為7萬(wàn)元/延長(zhǎng)米。以上比較按屏蔽門(mén)系統(tǒng)設(shè)置活塞風(fēng)道,閉式系統(tǒng)未設(shè)置活塞風(fēng)道考慮。

通風(fēng)空調(diào)設(shè)備占用土建面積和土建造價(jià)比較見(jiàn)表7。

4.6 綜合比較分析

通過(guò)對(duì)兩種系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比較,由表5可知,由于上海地區(qū)空調(diào)季節(jié)時(shí)間較長(zhǎng),空調(diào)季屏蔽門(mén)系統(tǒng)可比閉式系統(tǒng)節(jié)能32%。因此,在空調(diào)季運(yùn)行期間,屏蔽門(mén)系統(tǒng)對(duì)節(jié)省能耗是非常有利的。雖然非空調(diào)季節(jié)的通風(fēng)運(yùn)行期間,屏蔽門(mén)系統(tǒng)的耗能比閉式系統(tǒng)的大,但只多16%。綜合全年能耗,屏蔽門(mén)系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)節(jié)能12%。

表7 肇嘉浜路站通風(fēng)空調(diào)機(jī)房面積和土建造價(jià)比較

同時(shí),由表2可知,屏蔽門(mén)系統(tǒng)車(chē)站空調(diào)負(fù)荷僅為閉式系統(tǒng)的1/3左右。而由表6可知，屏蔽門(mén)系統(tǒng)設(shè)備的初投資比閉式系統(tǒng)節(jié)省1.5%,由表7可知，屏蔽門(mén)系統(tǒng)的土建費(fèi)用比閉式系統(tǒng)節(jié)省15%。綜上所述,無(wú)論是設(shè)備初投資,還是土建費(fèi)用,屏蔽門(mén)系統(tǒng)都比閉式系統(tǒng)小,為最優(yōu)方案。因此,可以認(rèn)為上海地鐵M7線采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)是合理的。

5 結(jié)論及建議

(1)上海市軌道交通M7線肇嘉浜路車(chē)站采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)是合理可行的、節(jié)能的。

(2)一種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式是否節(jié)能不能一概而論,而是應(yīng)看應(yīng)用在哪個(gè)地區(qū)、哪條線路上。不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)不同,空調(diào)期的長(zhǎng)短不同,運(yùn)行模式也不同,相應(yīng)的能耗也會(huì)相差很多。屏蔽門(mén)系統(tǒng)適用于空調(diào)季時(shí)間長(zhǎng),過(guò)渡季、冬季(即通風(fēng)季節(jié))時(shí)間較短的地區(qū)；而閉式系統(tǒng)適用于空調(diào)季時(shí)間較短,過(guò)渡季、冬季時(shí)間較長(zhǎng)的地區(qū)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式的確定,應(yīng)進(jìn)行全年能耗綜合性分析。

(3)既然閉式系統(tǒng)在空調(diào)季節(jié)運(yùn)行時(shí)耗能大,而屏蔽門(mén)系統(tǒng)通風(fēng)季節(jié)運(yùn)行時(shí)耗能大,建議研究制造一種新型的門(mén)。這種門(mén),空調(diào)季節(jié)時(shí)起屏蔽門(mén)的作用,通風(fēng)季節(jié)能打開(kāi)足夠的通風(fēng)百葉窗,增加活塞風(fēng)的作用。這樣,取這兩種制式的優(yōu)點(diǎn),達(dá)到全年節(jié)能運(yùn)行的目的。

[1] 施仲衡,等.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

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[4] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50189—2005 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

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