復合式通風空調系統在太原地鐵2號線中的應用

李德輝 鄧保順 郭永楨 黎元龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

復合式通風空調系統在太原地鐵2號線中的應用

李德輝 鄧保順 郭永楨 黎元龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

對太原市地鐵2號線工程概況進行了介紹，結合太原市氣候特點，確定了公共區室內外設計參數，并通過對通風空調系統形式的比較分析，采用全空氣新風冷卻空調系統，指出該系統設計方案安全、合理，可顯著提高車站環境的舒適性。

地鐵，空調系統，設計參數，氣候

1 工程概況

太原市地鐵2號線線路總長37.2 km，共設30座車站。2號線分兩期建設，一期工程南起人民南路站，北至西澗河站，全長23.7 km，共設21座地下車站(5座換乘站)，平均站間距1 213 m。設車輛段及綜合維修基地1座、主變電站2座，與1號，3號，4號，5號線共用一個控制中心。車輛采用A型車，4動2拖6節編組；遠景年限最大行車密度30對/h；最高運行速度80 km/h。設計年度：初期2020年、近期2027年、遠期2042年。

于2013年1月23日～25日，完成《太原市城市軌道交通2號線一期工程(小店南～西澗河)可行性研究報告》評審，2014年1月15日～17日，完成《太原市城市軌道交通2號線一期工程(人民南路～西澗河)初步設計》評審。

通風空調系統設計主要包括全部地下車站通風空調防排煙系統設計和全線地下區間隧道通風防排煙系統設計，其中公共區室內外設計參數的確定、通風空調系統形式確定是工程設計的重難點。

2 公共區室內外設計參數的確定

2.1 太原市與國內其他城市氣象資料對比

利用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》(1984年—2003年近20年)及太原市氣象部門提供的氣象參數(2001年—2011年近11年)，對太原市氣象資料的分析、整理和匯總，經研究分析，太原市氣候有如下特點：

1)年平均溫度低。太原市的年平均溫度為10.8 ℃，年平均溫度除比沈陽市、哈爾濱市和蘭州市高外，均低于其他城市的年平均溫度，與大連市接近。

2)全年氣溫變化幅度較大。太原市一月份的平均溫度為-4.3 ℃，七月份的平均溫度為24.58 ℃，變化幅度為28.88 ℃，其變化幅度與大連市、天津市、蘭州市比較接近，比沈陽市、北京市和哈爾濱市的變化幅度小外，均大于其他城市。

3)夏暖冬冷、夏季空氣相對干燥。太原市最熱月平均溫度24.58 ℃，且6月，7月，8月，三個月的月平均溫度均在22 ℃左右；最冷月平均溫度為-4.3 ℃，1月，2月，12月，三個月的月平均溫度均低于0 ℃，具有明顯的夏暖冬冷特點，且各季節溫度變化比較明顯。太原市極端最高溫度為37.4 ℃，與成都市接近，略高于大連市和沈陽市外，均低于其他城市；太原市沒有日最高氣溫不小于35 ℃的天數，典型年份日最高溫度為34.2 ℃；夏季最熱月月平均相對濕度為70.4%，全年平均相對濕度為55.7%，低于除蘭州市外的其他城市。因此，具有全年四季比較分明、夏暖冬冷、氣候干燥的特點。

4)夏季空調室外計算焓值低。太原市夏季空調計算干球溫度為31.1 ℃，與沈陽市、成都市接近，高于大連市、哈爾濱市外，均低于其他城市。夏季空調室外計算焓值為77.50 kJ/kg，與站廳站臺室內平均計算焓值69.75 kJ/kg(站廳、站臺室內設計標準的確定詳見2.3節)相差較小，室外焓值高于室內焓值的時段較短，約為16 d。

5)夏季空調時間較短。太原市日最高溫度超過30 ℃的年平均天數為33 d，北京為67 d，天津為60 d，沈陽為33 d，哈爾濱為26 d，蘭州為35 d，在夏季有約一個月的高溫天氣，且室外焓值高于室內焓值的時段約為16 d，即夏季需要開啟空調的時間較短。

綜上，太原市全年溫度變化大、夏暖冬冷、早晚溫差大、全年空氣相對濕度低、空氣比較干燥，通風空調系統的設置應充分考慮氣候特點，其氣候特點與哈爾濱、大連市、蘭州市較為接近，地鐵工程通風空調系統的設計可借鑒哈爾濱市、大連市、蘭州市地鐵設計經驗。

2.2 室外設計參數

地鐵車站公共區由于高峰客流時段不同于地面建筑設計負荷最大時段，所以GB 50157—2003地鐵設計規范[1]中對于地下車站通風空調設計參數的規定為：“地下車站公共區夏季空調室外計算干、濕球溫度，采用近20年夏季地鐵晚高峰負荷時平均每年不保證30 h的干、濕球溫度”“計算隧道和地下車站公共區通風風量時，夏季通風室外計算溫度為近20年最熱月月平均溫度的平均值”。而GB 50019—2003采暖通風與空氣調節設計規范[2]對室外設計參數規定為：“夏季空調室外計算干濕球溫度，采用歷年平均不保證50 h的干濕球溫度”“夏季通風室外計算溫度，采用歷年最熱月14時的月平均溫度的平均值”。

由于地鐵晚高峰一般出現在17時～18時，而地面建筑設計溫度一般采用12時～14時，此時并非地鐵運營晚高峰，據北京、上海、廣州的地鐵資料統計，12時～14時的客運負荷僅為晚高峰負荷的50%～70%，如果按此時客流計算空調冷負荷很難滿足地鐵晚高峰負荷的要求，若同時采用夏季不保證50 h干球溫度與地鐵晚高峰客流負荷來計算空調冷負荷，就形成兩個峰值的疊加，系統負荷偏大，因此地鐵室外設計參數不同于地面建筑設計參數的選取，采用地鐵晚高峰負荷出現時相對應的室外溫度更合理。所以對于太原的第一條地鐵線路，室外設計參數需經過對近20年氣象數據分析計算確定。

利用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》及太原市氣象部門提供的氣象參數，進行設計參數的統計、分析處理，確定的太原地鐵車站公共區通風空調設計室外干、濕球溫度如下：

夏季空調室外計算干球溫度：31.1 ℃；夏季空調室外計算濕球溫度：24.1 ℃；夏季通風室外計算溫度：24.58 ℃；冬季通風室外計算溫度：-4.3 ℃。

2.3 室內設計參數

根據《地鐵設計規范》規定：“當車站采用空調系統時，站廳中公共區的空氣計算溫度應比空調室外空氣計算干球溫度低2 ℃～3 ℃，且不應超過30 ℃；站臺公共區的空氣計算溫度比站廳的空氣計算溫度低1 ℃～2 ℃，相對濕度均應在40%～70%之間。”根據確定的夏季室外空調計算干球溫度31.1 ℃低2 ℃～3 ℃，最終確定站廳公共區室內設計溫度30 ℃，站臺公共區室內設計溫度比站廳低1 ℃～2 ℃，為29 ℃。通風空調室內設計參數如表1所示。

表1 室內設計參數

3 通風空調系統形式的選擇

3.1 設計規范及標準的相關規定

《地鐵設計規范》中設置空調系統的條件：“在夏季當地最熱月的平均溫度超過25 ℃，且軌道交通高峰時間內每小時的行車對數和每列車車輛數的乘積大于180時，可采用空氣調節系統。”建標104—2008城市軌道交通工程項目建設標準[3]中規定：“地下車站設置空調必須符合下列條件：當車站采用機械通風時，站內夏季的空氣計算干球溫度超過30 ℃時；當地夏季最熱月平均溫度超過25 ℃。”可見，地鐵工程是否設置空調系統，最主要的指標是當地最熱月的平均溫度。

3.2 國內常見通風空調系統

地鐵通風與空調系統主要功能是為其運營創造一個與之相適應的環境，保證其內部環境的空氣質量、溫度、濕度、氣流組織以及氣流速度、噪聲等滿足人員的生理及心理條件要求，為人員提供必須的安全衛生條件，為列車及設備的正常運轉和事故工況運行提供必要的條件。地鐵工程中通風與空調系統形式通常有三種：通風系統、站臺設置安全門或不設門的通風與空調系統(簡稱閉式系統)和站臺設置屏蔽門的通風與空調系統(簡稱屏蔽門系統)。國內地鐵工程的通風空調系統設置情況如表2所示。

表2 地鐵工程通風空調系統設置情況表

3.3 通風空調系統形式選擇

太原地鐵2號線初、近、遠期采用A型車6輛編組，遠期列車運行對數為30對/h。太原市年平均溫度為10.8 ℃、最熱月的平均溫度為24.58 ℃。從以上條件可以看出，雖然高峰時間內每小時的行車對數和每列車車輛數的乘積等于180，但無論是最熱月平均溫度還是全年平均氣溫，都沒有達到《地鐵設計規范》及《標準》中設置空調系統需要達到的25 ℃和15 ℃的條件。

根據太原市的地理位置、氣候特點，并參考與太原市氣候相近的其他正在建設軌道交通的城市，如大連市(最熱月的平均溫度為24.6 ℃，全年平均溫度為11 ℃)、哈爾濱市(最熱月的平均溫度為22.9 ℃，全年平均溫度為4 ℃)以及蘭州市(最熱月的平均溫度為22.4 ℃，全年平均溫度為10.2 ℃)、沈陽市(最熱月的平均溫度為24.7 ℃，全年平均溫度為8.5 ℃)均采用全高安全門通風系統。因此，在遵守國家現有地鐵設計規范、規程的前提下，從節約能源、節省投資、簡化系統、減少運行維護費用等角度出發，工可設計階段太原地鐵2號線地下車站公共區采用全高安全門的通風系統。

4 通風空調系統形式優化

4.1 優化的必要性

太原市最熱月平均溫度為24.58 ℃，氣候條件十分接近國家標準規定的應設置空調系統的指標(最熱月平均氣溫25 ℃)。太原是最近幾年城市化發展較快的城市之一，大型商場和賓館酒店均設置空調系統，2號線列車車輛亦設置有空調系統；考慮到近年來氣候變暖、人們生活水平提高后對公交出行舒適性的要求逐步提高、后期通過改造增設空調系統對運營的影響風險以及太原第一條軌道交通線路客流發展的不確定性等因素，為了適應以后城市發展的需要，作為城市窗口的地鐵工程適當提高通風空調系統設置標準，有利于提高城市服務水平，宣傳城市品牌，增強城市活力。因此，在初步設計階段，結合太原市的氣候條件，對土建規模、征地拆遷、工程投資以及長期運營費用等方面綜合考慮，對系統形式進行了優化改進。

4.2 通風空調系統優化

地鐵工程中設置空調的系統形式通常有兩種：閉式系統和屏蔽門系統。由于傳統閉式系統和屏蔽門系統均需設置龐大的冷凍、冷卻水系統，在通風系統的基礎上需增設冷水機房、公共區通風空調機房，對于單個典型地下車站而言，機房面積分別要增加約1 000 m2,450 m2，土建及設備綜合投資分別要增加約1 200萬元，500萬元，年運行費用分別要增加約90萬元，100萬元，采用傳統閉式系統和屏蔽門系統明顯不合理，不推薦采用。

從近20年間氣象參數分析可知，夏季太原地區有約一個月的高溫天氣，意味著夏季需要開啟空調系統的時間較短。因此，空調系統著重考慮在工可階段選定的通風系統基礎上如何實現對土建方案影響較小、形式簡單、控制靈活，適合短時間內開啟空調的系統形式，適合于地鐵工程可供選擇的有風機盤管加新風系統、多聯機空調系統以及全空氣新風冷卻空調系統。

由于風機盤管加新風系統還需設置冷凍、冷卻水系統，需增設冷水機房、新風機房，也不適合于2號線工程。多聯機空調系統以及蒸發冷凝直膨式空調系統均不設置冷凍、冷卻水系統，無需設置冷水機房、公共區通風空調機房。多聯機空調系統在公共區吊頂內設置室內機，在站外地面或建筑物上設置室外機，其缺點是：冷媒管道長度在120 m～200 m之間，系統運行效率較低，室外機數量多，室外占地面較大，影響城市景觀，布置困難，因此也不推薦采用。

全空氣新風冷卻空調系統是在通風系統基礎上，增加蒸發冷凝直膨式空調機組，是一種通風系統與直膨式空調復合成的新型地鐵通風空調系統。蒸發冷凝直膨式空調機組實質是大型分體式空調，由室內、外機組成，室外機為風(水)冷螺桿式制冷壓縮冷凝機組，室內機含直接蒸發式空氣冷卻器、節流降壓機構、干燥過濾器以及空氣過濾器等。將室內機設置在車站兩端的新風道內，室外機設置在對應的室外地面。其優點是制冷劑吸熱蒸發直接冷卻空氣，省去制備冷凍、冷卻水的中間環節，制冷效率提高，操作控制便捷。

在初、近期，根據客流、列車運行對數以及太原早晚溫差大的氣候特點等實際情況，空調送風系統可不運行，大幅降低初、近期運行費用。在遠期需要空調時，僅供給滿足乘客所需的最小新風，區間隧道采用開式運行，開啟車站排風系統及空調送風系統，將室外空氣通過室內機組降溫除濕后送入車站站廳、站臺公共區，與室內空氣進行充分的熱濕交換后經排風機排出室外，為乘客提供較為舒適的過渡性乘車環境。春秋季節運行時，區間隧道通風系統采用開式運行，車站關閉送風系統及室內機組、開啟排風系統，采用機械通風進行通風換氣的模式，當室外溫度達到活塞風可滿足地鐵內部環境溫度要求時，則關閉車站機械通風系統，由活塞風進行自然通風換氣。冬季運行時，采用閉式通風模式運行，關閉區間隧道通風系統及車站送、排風系統，開啟迂回風閥，利用活塞風對區間隧道和車站公共區進行通風換氣。

對于單個典型地下車站而言，采用蒸發冷凝直膨式空調系統，在通風系統的基礎上機房面積增加約160 m2，土建及設備綜合投資增加約300萬元，年運行費用增加約15萬元，與傳統閉式系統和屏蔽門系統比較，機房面積分別減少約840 m2，290 m2，土建及設備綜合投資分別減少約900萬元，200萬元，年運行費用分別減少約75萬元，85萬元。在機房面積稍有增加、綜合投資增加不大、運行費用較省的情況下，實現空調效果，可顯著提高車站環境舒適性，滿足了公交出行舒適性要求的不斷提高，避免了后期改造增設空調系統對運營的影響風險，有利于提高城市服務水平，適應城市長期發展的需要。

4.3 系統優化后關鍵問題的解決

采用全空氣新風冷卻空調系統，存在蒸發冷凝直膨式空調機組在國內地鐵工程中僅有部分城市的個別車站采用，生產供貨廠家相對較少，在整條線路大規模選用時，設備的生產供貨能力是否能滿足工程建設進展要求，如何開展設備招標等尚無成功經驗可循；室外機設于室外地面，對城市景觀的影響以及產生的噪聲也是需要重點解決的問題。

目前，工程正在開展用戶需求書編制工作，參建各方正在積極進行設備調研、完善用戶需求書的詳細技術要求、落實招標采購方式。經對全線車站地面規劃、環保要求及車站周邊情況梳理，21座車站中19座車站兩端的風亭旁邊場地開闊、無噪聲敏感點，滿足設置風冷蒸發冷凝式制冷主機的條件，有2座車站室外場地受限、無條件布置風冷蒸發冷凝式制冷主機，可采用風冷蒸發冷凝式制冷主機設置在排風井內的方案，關鍵問題正在有條不紊的落實解決。

5 結語

2號線通風空調系統設計經過大量的氣象數據處理，按照規范確定了合理的室內、外設計氣象參數，并根據當地氣候特點對通風空調系統形式進行了充分的技術經濟比較和優化，確定采用全空氣新風冷卻空調系統。該系統設計方案技術先進、投資經濟合理、運行安全節能，是在機房面積稍有增加、綜合投資增加不大、運行費用較省的情況下，在通風系統基礎上實現空調效果，可顯著提高車站環境舒適性的系統，是在類似太原地區氣候特點城市地鐵建設中一次大膽的通風空調系統設計的創新和嘗試。

2014年1月15日～17日，《太原市城市軌道交通2號線一期工程(人民南路～西澗河)初步設計》完成評審。目前，工程設計正在按計劃工期穩步推進，相信在參建各方的共同努力下，新型通風空調系統將在2號線的建設中順利實施，為太原地鐵提供一個經濟合理、安全節能的通風空調系統。

[1] GB 50157—2003，地鐵設計規范[S].

[2] GB 50019—2003，采暖通風與空氣調節設計規范[S].

[3] 建標104—2008，城市軌道交通工程項目建設標準[S].

On application of combined ventilation air-conditioning system in No.2 Line of Taiyuan Subway

Li Dehui Deng Baoshun Guo Yongzhen Li Yuanlong

(ChinaRailwayNo.1SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Xi’an710043,China)

The paper introduces the No.2 Subway in Taiyuan, identifie the indoor and outdoor design parameter in public areas by combining with the climate features in Taiyuan, undertakes the comparative analysis of the ventilation air-conditioning system, adopts the whole fresh air cooling air-conditioner system, points out the design scheme of the system is safe and reasonable, it can enhance the comfort of the station environment.

subway, air-conditioner system, design parameter, climate

2015-01-13

李德輝(1968- )，男，教授級高級工程師； 鄧保順(1970- )，男，教授級高級工程師； 郭永楨(1978- )，男，高級工程師； 黎元龍(1976- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0126-03

U231.5

A