地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)狀及改進可行性研究

文 _ 朱俊亮 中鐵第六勘察設計院集團有限公司

地鐵建設需要很多資金注入，為使地鐵縮短投資回收期，降低成本和運營費用至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計，地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占運行總能耗的50%。因此，通風空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化是重中之重。本文通過對國內(nèi)地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)設計現(xiàn)狀和存在問題深度剖析，針對實際工程提出地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方法，如回收利用余熱、優(yōu)化控制措施、大溫差送風、充分利用自然能源、簡化系統(tǒng)等，以期達到節(jié)約能源、降低成本和運行費用的目的。

1 國內(nèi)設計現(xiàn)狀

地鐵通風系統(tǒng)分為隧道和車站兩部分。隧道通風系統(tǒng)分為區(qū)間隧道和車站隧道兩部分，主要考慮其平時活塞通風、事故通風以及火災時的排煙和補風；車站部分則考慮到其各類功能區(qū)的布設，需設置通風、空調(diào)、防排煙系統(tǒng)。

1.1 隧道通風兼排煙系統(tǒng)（圖1）

1.1.1 區(qū)間隧道通風系統(tǒng)

地鐵一般在車站兩端設置雙活塞風井，條件受限時設置單活塞風井。為滿足系統(tǒng)要求，對應于每條活塞風道設置可逆轉(zhuǎn)運行的隧道風機和相應風閥。根據(jù)要求隧道風機的布置既可滿足獨立運行，又可相互備用或同時向同一側(cè)隧道送風或排風。活塞風道、隧道風機上設有組合式風閥，通過風閥的轉(zhuǎn)換滿足正常、阻塞、火災工況的轉(zhuǎn)換。

1.1.2 車站隧道通風系統(tǒng)（排熱系統(tǒng)）

車站隧道內(nèi)設置排風（兼排煙）系統(tǒng)，車站兩端分別設置排熱風機。軌頂、軌底排風道采用土建風道，通過排熱風室左右線軌頂?shù)呐棚L道匯合，通過風閥的開度調(diào)節(jié)左右線排風道風量各為50%。

1.2 公共區(qū)通風空調(diào)兼排煙系統(tǒng)（圖2）

車站公共區(qū)包括站廳和站臺，設置雙風機全空氣一次回風系統(tǒng)，通風空調(diào)機房設于車站兩端設備管理用房區(qū)內(nèi)，每個機房設置1臺組合式空調(diào)器、1臺空調(diào)新風機、1臺回排風機、1臺排煙專用風機和相應的風閥，負擔整個車站公共區(qū)的空調(diào)送風、回排風及排煙。

圖1 隧道通風系統(tǒng)原理圖

圖2 車站公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1.3 設備管理用房通風空調(diào)兼排煙系統(tǒng)

車站的設備管理用房根據(jù)布置分為設備集中端和非集中端，設備集中端一般設置3套全空氣一次回風系統(tǒng)；設備非集中端設置1套全空氣一次回風系統(tǒng)。需要排煙的房間，排煙管盡量與排風管合用，排煙風機與排風機獨立設置。

1.4 空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)

地鐵車站空調(diào)冷負荷一般在800～1600kW之間，基本都是選擇2臺螺桿制冷劑配橫流式冷卻塔的冷源形式。冷凍水供回水溫度分別為7～12℃，冷卻水供回水溫度分別為32～37℃。

車站空調(diào)水系統(tǒng)（圖3）采用一次泵變流量系統(tǒng)，管道采用異程式布置，車站兩端公共區(qū)共用供回水管道，車站兩端設備區(qū)共用供回水管道，各供回水環(huán)路分別從分、集水器上接出。

2 存在問題

2.1 隧道通風兼排煙系統(tǒng)

隧道通風系統(tǒng)是區(qū)間隧道活塞風不能運行、事故以及火災時啟動，完成其通風和防災的目的。目前隧道通風系統(tǒng)的設計都是按照經(jīng)驗去選取設備，然后利用地鐵熱環(huán)境模擬軟件SES或STESS驗證。設計過程中往往擴大富裕量，增加設備投資和運行費用，且會造成土建規(guī)模增大。

隧道通風系統(tǒng)設置排熱風機，一是解決列車進站后空調(diào)冷凝熱的排放；二是將列車剎車產(chǎn)生的熱能帶走。但根據(jù)研究，排熱系統(tǒng)的設置未達到其預期效果。目前地鐵多選擇雙活塞風井，造成很多規(guī)劃的不協(xié)調(diào)和用地的浪費。在地鐵車站設置單活塞風井，完全可以滿足其通風和排煙要求，尤其是北方地區(qū)。

2.2 公共區(qū)通風空調(diào)兼排煙系統(tǒng)

地鐵公共區(qū)體量大，其冷負荷的計算大都基于經(jīng)驗值，選取的設備型號往往超過功能需要，不僅要求機房面積特別大，而且增加土建規(guī)模。公共區(qū)大、小里程端分別獨立設置2臺空調(diào)機組、回排風機和排煙風機，設備設置冗雜多余，造成土建、設備投資和運營的浪費。

設備應按照近遠期分期設置，設計院為避免麻煩，一次設計到位，按照遠期的冷負荷選用設備。不但近期造成能源的浪費，而且到了遠期設備也都達到了使用壽命，造成了設備初投資的浪費。

地鐵全部設置屏蔽門，不考慮地域差異。造成大量投入設備的浪費，而且限制了活塞風天然的通風模式利用，使自然冷源的效果得不到發(fā)揮。

2.3 設備管理用房通風空調(diào)兼排煙系統(tǒng)

目前，對于所有的設備管理用房都設置全空氣一次回風空調(diào)系統(tǒng)，極不合理。設備管理用房的發(fā)熱量都是按照超出實際散熱量提資，造成暖通專業(yè)的計算負荷和設備選型都很大。根據(jù)國內(nèi)各民用建筑設計院多年的實際經(jīng)驗，絕大部分的設備房間無需設置空調(diào)，設置通風系統(tǒng)足夠滿足房間功能需求，因為全國大部分地方全年的通風溫度都是很低的。

設備管理用房在設置全空氣一次回風空調(diào)系統(tǒng)的情況下，同時設置備用變頻多聯(lián)機系統(tǒng)，且設置的房間特別多，造成設備投資增加和后期管線綜合施工難度增大。設備房間還存在引入新風的情況，也是能源的浪費。

圖3 車站水系統(tǒng)原理圖

2.4 空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)

基于公共區(qū)和設備管理用房區(qū)空調(diào)負荷的計算值過大，導致機組選型也是超過實際用量，且未按照近遠期的設計原則進行設置。

水系統(tǒng)的節(jié)能主要體現(xiàn)在控制上，目今地鐵的控制系統(tǒng)形同虛設，只是簡單提出一次泵變流量控制，實際的綜合監(jiān)控和運行根本達不到節(jié)能的目的，各設備承包商也是按照最簡單、最便宜的控制系統(tǒng)安裝，對于節(jié)能起不到任何作用。

3 優(yōu)化建議

3.1 隧道通風兼排煙系統(tǒng)

根據(jù)多年的研究經(jīng)驗和成果，建議取消排熱系統(tǒng)，取消軌頂、軌底排風道，直接降低土建造價和設備投資，由隧道風機兼做排煙、排熱功效。

提高風道風速、降低風道截面積，降低土建造價和出地面風井對周圍建筑和景觀的影響。

盡量采用設置單活塞風井，降低地鐵建設用地的協(xié)調(diào)難度和投資成本。

3.2 公共區(qū)通風空調(diào)兼排煙系統(tǒng)

對公共區(qū)負荷計算應結(jié)合地鐵特點進行優(yōu)化，嚴禁按照經(jīng)驗值計算。建議結(jié)合監(jiān)測CO2濃度控制新風電動閥開度，盡量減少新風引入，降低新風負荷。

結(jié)合建筑特點，地鐵作為與外界直接連通的大空間，可考慮取消回排風機，無論是最小新風還是全新風運行，地鐵車站會設置2～4個出入口直接與室外相通，出入口的截面積風速足以滿足舒適要求，所以完全可以優(yōu)化為單風機形式。另外，常規(guī)系統(tǒng)設計未從實際運行效果考慮，空調(diào)小新風機的設置基本起不到作用，且增加了控制復雜程度，建議取消。系統(tǒng)簡化為一方面可以節(jié)省土建投資，也可以降低能耗和控制的復雜性。

基于空調(diào)系統(tǒng)的高能耗和規(guī)范要求，空調(diào)機組必須按照近遠期分期設置。以節(jié)省設備投資和運行費用。

屏蔽門應盡可能采用可開閉式，可通風屏蔽門制式集成了屏蔽門系統(tǒng)和開閉式系統(tǒng)的優(yōu)點，基本適合各種溫度區(qū)，具有明顯的優(yōu)勢和可行性，應大力推廣。

3.3 設備管理用房通風空調(diào)兼排煙系統(tǒng)

設備管理用房僅有人房間考慮設置新風空調(diào)系統(tǒng)，其余設備房間應該盡量使用通風系統(tǒng)。配備變頻多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，每個房間盡量設置偶數(shù)臺室內(nèi)機，且分系統(tǒng)設置，保證其相應的備用功能。通風加變頻多聯(lián)機系統(tǒng)合理設計完全可以滿足設備管理用房區(qū)的溫度、濕度要求。

3.4 空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)

對于空調(diào)冷熱源系統(tǒng)，建議對風系統(tǒng)和水系統(tǒng)進行聯(lián)合控制。根據(jù)客流負荷調(diào)節(jié)循環(huán)風量和新風量，根據(jù)環(huán)境溫度負荷調(diào)節(jié)水量，以便達到降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能調(diào)節(jié)控制的目標。如果相對變化量水系統(tǒng)能耗降低的多，則原則上優(yōu)先調(diào)降水系統(tǒng)；負荷增加時則優(yōu)先調(diào)增風量。

4 結(jié)論

地鐵的通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能空間巨大，通過對每個子系統(tǒng)的剖析，得出結(jié)論以下。

①目前地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的設置普遍富裕系數(shù)過大，且系統(tǒng)的設置形式也是不計成本。作為舒適性空調(diào)，人流短暫停留區(qū)域，通風空調(diào)的設計標準應該適當放寬，以期降低車站規(guī)模、設備投資和后期的運營費用。

②地鐵作為人流的大量集散地，事故或者火災發(fā)生時，容易造成較大的人員傷亡，因此地鐵的通風和防排煙設施應該嚴格按照規(guī)范標準執(zhí)行。

③地鐵通風空調(diào)的設計局限于業(yè)內(nèi)，阻礙其系統(tǒng)的改進和優(yōu)化，應該加強與工業(yè)建筑和民用建筑等其他行業(yè)的設計交流。作為能耗大戶，應該積極地進行革新和優(yōu)化。

[1]董志周, 吳喜平. 地鐵車站熱環(huán)境分析[J]. 上海節(jié)能, 2003(5):36-40.

[2]董書蕓. 寒冷地區(qū)地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究[J]. 廣州大學學報(自然科學版), 2010(2): 57-61.

[3]陸建東. 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的實現(xiàn)研究與思考[J]. 科技創(chuàng)新與應用, 2017(18): 155-156.

[4]姜金言, 王海霞. 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析[J]. 施工技術(shù),2016(8): 111-115.

[5]趙杰. 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)能耗分析與研究[D]. 武漢理工大學,2014.

[6]朱培根, 陳雷等. 南京地鐵南延線通風空調(diào)運行方案優(yōu)化[J]. 暖通空調(diào), 2015(1): 100-104.

[7]朱建章, 孫兆軍. 地鐵通風空調(diào)新觀點[J]. 暖通空調(diào), 2015(7):1-5.

[8]楊智華. 屏蔽門系統(tǒng)單活塞風道方案研究[D]. 天津大學, 2010.

[9]毛宇豐. 地鐵自動化系統(tǒng)BAS和ISCS對環(huán)控系統(tǒng)的控制策略[R]. 2017.