蘭州軌道交通通風空調系統類型選擇

楊志團

(蘭州市軌道交通有限公司，730030，蘭州//教授級高級工程師)

蘭州作為西部區域發展的重要引擎以及全國9大綜合性交通樞紐城市之一［1］，已適時啟動了城市軌道交通項目的規劃與建設工作。根據蘭州中心城區規劃形成“一河兩岸三心七組團”的多中心組團型城市空間結構，目前蘭州軌道交通規劃有3 條中心城區線路和2 條外圍市域線，規劃線路總長度約228 km。近期建設中心城區骨干線路1、2號線一期工程約36 km 的地下線路，以緩解主城區內交通出行壓力［2-3］。

地鐵通風與空調系統的主要功能是保證地鐵內部環境的空氣質量、溫度、濕度、氣流組織、氣流速度、噪聲等均能滿足人員的生理及心理條件要求和設備正常運轉的需要［4］。它是保障地鐵運營的重要系統之一，且直接影響著地鐵工程土建規模及長期運營費用，合適的系統類型不僅要滿足設計遠期運營環境要求，還需實現“安全、可靠、經濟、適用”的目標。雖然蘭州市首次建設軌道交通，但仍應從整個軌道交通線網考慮，研究確定適合整個線網的通風空調系統類型和標準原則。這直接決定著蘭州軌道交通通風空調系統設計水平和系統的先進性。

1 蘭州軌道交通工程項目

1.1 工程特點

至2020年，蘭州已規劃有6 條軌道交通線路，近期建設的1、2號線一期工程約36 km，共設29 座車站，且全部為地下線路。目前正在實施建設的1號線一期工程全長約26.6 km，設車站20 座，預計遠期全日客流量為116.7 萬人次，遠期高峰小時斷面客流約4.5 萬人次/h，設計速度80 km/h，列車采用4 動2 拖6 節編組(A 型車)，遠期高峰開行為28對/h［5］。因此，蘭州軌道交通工程具有大客流、高密度的運營特點。

1.2 氣候條件及氣象參數分析

蘭州市位于東經 103°53'、北緯 36°3'，地處黃河上游，平均海拔高度1 500 m，常年大氣壓為84 820 Pa，屬中溫帶大陸性氣候，降水少，日照多，氣候干燥。蘭州市區南北群山環抱，東西黃河穿城而過，具有帶狀盆地城市的特征。

根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》［6］的氣象數據，對蘭州市近20年氣象數據進行整理、分析得出:蘭州市最高月平均溫度為22.4 ℃，全年平均溫度為10.2 ℃左右。統計得出:蘭州市全年日平均氣溫超過30 ℃天數約有80 d、低于0 ℃天數約有140 d，全年空氣含濕量大于12 g/kg(干空氣)的時間僅有約670 h。另外，蘭州冬季寒冷，采暖室外計算溫度為-9.0 ℃，采暖天數約 160 d［7］。由此可見，蘭州市具有全年平均氣溫低、年氣溫變化幅度大、空氣相對濕度低、夏季炎熱干燥、冬季寒冷的氣候特點。

2 常見地鐵通風空調系統類型

2.1 通風系統

通風系統主要利用機械或列車的活塞效應，通過風亭和出入口使地下空間與外界通風換氣并冷卻區間隧道和車站公共區。其一般采用開、閉式運行相結合的運行模式。當外界氣溫低于隧道內空氣溫度時，采用開式運行;當外界氣溫高于隧道內溫度時，采用閉式運行。地鐵車站公共區采用閉式運行時停止機械送、排風，只開啟車站小新風機對車站公共區進行送風，以滿足乘客的最小新風要求。其特點是系統簡單、設備配置較少、工程造價較低，但地下空間空氣環境質量及溫度、濕度相對于其他系統(閉式系統、屏蔽門系統)較難控制，因此多用于當地年平均氣溫及最熱月平均溫度低且全年空調季節短、地鐵運量小的工程項目。目前大連地鐵1、2號線及哈爾濱地鐵1號線采用了通風系統。

2.2 閉式空調系統

閉式空調系統是指地鐵內部基本與外界大氣隔絕，僅供給滿足乘客所需的新鮮空氣量，地鐵車站采用空調通風，區間隧道依靠列車運行的活塞效應攜帶一部分車站空調冷風實現降溫。其通常采用開、閉式運行相結合的運行模式。閉式運行時，利用列車活塞效應將車站空調冷風帶入區間冷卻隧道;開式運行時，利用列車的活塞效應，通過風亭和出入口使地下空間與外界通風換氣。閉式空調系統通常用于當地年平均氣溫及最熱月平均溫度較高且運量大的地鐵項目。目前北京地鐵、青島地鐵M3 線及南京地鐵1、2號線采用了閉式空調系統。

2.3 屏蔽門系統

屏蔽門系統利用站臺邊緣設置的屏蔽門隔斷區間隧道和車站公共區，區間隧道利用列車的活塞效應，通過風亭使地下空間與外界通風換氣;車站采用制冷空調通風，以保證內部環境溫、濕度要求。屏蔽門系統多用于當地最熱月的平均溫度高、全年空調季節長且客流運量大的地鐵工程。目前廣州、上海、杭州、成都、重慶、深圳、天津、西安等地鐵均采用屏蔽門通風空調系統。

3 蘭州軌道交通通風空調系統類型

3.1 通風空調系統類型選擇

目前國內地鐵車站公共區域空調降溫的設置溫度為28～30 ℃，波動范圍約 ±1 ℃，濕度為40%～65%［8］。蘭州市全年最熱的6、7、8月的平均氣溫均在22 ℃，年平均溫度為10.2 ℃，最高月平均溫度為22.4 ℃，且全年日平均氣溫超過30 ℃的天數約有80 d，因此蘭州市軌道交通在氣溫條件方面不滿足設置空調系統的要求。另外，1號線列車采用6 節編組(A 型車)，而遠期高峰開行對數僅為28 對/h，故1號線在運行密度、客運輸送能力方面也達不到設置空調系統的需要。

蘭州市冬季最冷月的平均溫度為-5.5℃，全年日平均氣溫低于0℃的天數約為140 d。冬季寒冷漫長的氣候特點，有利于利用地鐵圍護結構及周圍土壤的熱壑效應對溫度進行調節，通過冬季的有效通風消除夏季地鐵內部累積的余熱和余濕。而地鐵工程設置空調系統需要龐大的設備和機房，運行時又需耗費大量的電能，從降低地鐵造價、節省能源的前提出發，只有在通風系統達不到地鐵內部空氣環境規定的標準時方可采用空調系統。因此，無論是從氣溫條件還是1號線的運行能力，以及從降低工程造價和長期節能運營的角度考慮，蘭州市軌道交通均不符合設置空調系統的標準，僅采用通風系統即可滿足實際需要。

3.2 直接蒸發冷卻通風降溫

傳統的機械通風系統是指在地鐵車站通風風道內僅設置通風機，由通風機直接將室外空氣送入地鐵車站內部進行通風換氣，并將站內余熱直接排出室外。采用傳統機械通風系統雖然比空調系統節約了長期運行能耗，但存在地下空間空氣溫、濕度難以控制，環境舒適性差的問題。

圖1 直接蒸發冷卻原理圖

直接蒸發冷卻技術是指被處理空氣與霧化的水直接接觸進行熱濕交換蒸發吸熱而冷卻空氣的方式［9］。直接蒸發冷卻原理圖如圖1所示。其變化過程(①→③)可近似為等焓降溫的空氣處理過程，在變化過程中空氣含濕量增加，溫度下降到達濕球溫度③點為止。因此，對于干濕球溫度差越大、空氣越干燥的地區，其蒸發冷卻效果越好。直接蒸發冷卻是由水的蒸發而提供冷量，可直接補充水分來維持蒸發過程的進行，而不必將蒸發后的水蒸氣經壓縮冷凝回到液態水后再蒸發，因此能效比(COP)很高(約為機械制冷的2.5～5.0 倍)，可大大節省運行能耗［10-11］。

結合蘭州夏季降水少、蒸發大、空氣干燥的氣候資源優勢(年平均降水量約287.6 mm，蒸發量約1 446.4 mm;夏季(6—8月)的月平均相對濕度在52.0%～61.2%之間，含濕量在7.3～11.6g/kg(干空氣)之間;全年空氣含濕量大于12 g/kg(干空氣)的時間僅有約670 h)，在傳統機械通風系統的基礎上采用直接蒸發冷卻技術，形成的直接蒸發冷卻地鐵通風降溫系統對環境舒適度有很好的改善作用，在技術上是可行的［1，2，］。與傳統機械通風系統相比，其優勢在于:可根據運行模式控制送風狀態點溫濕度，送風溫度比機械通風溫度低，舒適性更好，能保證空氣環境質量，可明顯提高空氣品質及環境舒適性;采用蒸發冷卻技術后，通風溫差增大，車站通風所需通風量大大降低，減小了設備配置容量及管道材料工程量，并可節省土建規模及占地面積。

以蘭州軌道交通1號線工程為例，對直接蒸發冷卻通風降溫系統和傳統機械通風系統的初期投資、運行能耗進行分析比較，如表1所示。

由表1 可知，雖然直接蒸發冷卻通風降溫系統的初期投資比傳統機械通風系統高1.3%，但年用電量比傳統機械通風系統節省35.2 萬kWh(節電率約30%)，年運營維護綜合費用比傳統機械通風系統低約20%，蒸發冷卻耗水量費用僅為節電費用的7%左右，因此，長期節能效果十分明顯，且舒適性比傳統機械通風系統好，具有較明顯的節電節能優勢和經濟效益［13-14］。

表1 蘭州軌道交通1號線兩種不同類型通風系統的初投資及運行能耗比較表

4 結語

地鐵通風空調系統不僅是保障地鐵工程運營的重要系統，也是地鐵的主要耗能大戶，如能充分利用當地氣候資源優勢，合理選用適合的通風空調系統類型，不但可保證舒適性，還能降低系統耗能。考慮到蘭州市的氣候特點，蘭州軌道交通通風空調系統采用直接蒸發冷卻通風降溫，既可保證地下空間環境溫濕度的要求，同時運營能耗還可節約20%。

［1］中國城市規劃研究院.蘭州市城市總體規劃綱要(2010—2020年)［R］.北京:中國城市規劃研究院，2010.

［2］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州市城市軌道交通線網規劃［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［3］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州市城市軌道交通建設規劃(2011—2020年)［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011.

［4］GB 50157 ―2003 地鐵設計規范［S］.

［5］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州市城市軌道交通1號線一期工程(陳官營—東崗段)可行性研究報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2012.

［6］中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［7］GB 50736—2012 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范［S］.

［8］喬小博.直接蒸發冷卻通風降溫在地鐵高架車站的應用［J］.鐵道標準設計，2011(9):116.

［9］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.2 版.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［10］黃翔，劉鳴，于向陽.我國新疆地區蒸發冷卻技術應用現狀分析［J］.制冷與空調，2001(6):33.

［11］黃翔，武俊梅.兩種適合西北地區氣象條件的新型空調的設備的開發［J］.西安制冷，1999(1):26.

［12］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州市城市軌道交通1號線(陳官營—東崗段)工程通風、空調與采暖系統專題研究報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2012.

［13］喬小博.直接蒸發冷卻地鐵通風降溫系統設計探討［J］.暖通空調，2012(2):86.

［14］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州市城市軌道交通1號線(陳官營—東崗段)工程節能評估報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2013.