地鐵站臺門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)簡述

辛振興，張功良

（中交機電工程局有限公司）

1 引言

地鐵環(huán)控系統(tǒng)的平均能耗普遍占地鐵運營后總能耗的30%以上，并且越炎熱的地區(qū)環(huán)控系統(tǒng)能耗占比越高，我國南方地區(qū)環(huán)控系統(tǒng)能耗占比約為50%，廣州地鐵環(huán)控系統(tǒng)能耗甚至約占總能耗的60%[1]。能耗占比越大，節(jié)能的潛力和意義越大，根據(jù)各地實際情況選擇最優(yōu)的通風(fēng)空調(diào)制式是實現(xiàn)降耗節(jié)能的基礎(chǔ)。

2 不同類型安全門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的特點

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》中要求：新建線路的車站宜設(shè)站臺門，并應(yīng)具備安裝站臺門系統(tǒng)的接口條件；站臺門的類型應(yīng)根據(jù)氣候條件、車站建筑形式、服務(wù)水平、通風(fēng)與空調(diào)制式等因素綜合選定。

站臺門設(shè)置在地鐵車站站臺邊緣，是分隔車站站臺層公共區(qū)與軌行區(qū)的自動開閉門系統(tǒng)，主要分為半高安全門、安全門和屏蔽門，除以上3種門型，近年來，可通風(fēng)型站臺門也在我國地鐵中有所應(yīng)用，半高安全門多應(yīng)用在地面或高架等采用自然通風(fēng)方式的車站，暫不做討論，其余3種站臺門的主要特點如表1所示。

我國近年新建的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要有屏蔽門式、安全門式以及可調(diào)通風(fēng)型站臺門式等。

2.1 屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)最大的特點是站臺公共區(qū)與隧道軌行區(qū)完全隔離，車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)不負擔(dān)軌行區(qū)的通風(fēng)，需要在列車頂部和站臺下部設(shè)置獨立的排熱風(fēng)系統(tǒng)，屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示。

屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在空調(diào)季節(jié)具有顯著優(yōu)勢，以采用6節(jié)編組列車，每小時運行30對為例說明，列車運行時每千米產(chǎn)生約1200kW的熱量，這些熱量會通過活塞效應(yīng)傳遞至車站內(nèi)部，同時又將車站內(nèi)的冷量帶入?yún)^(qū)間隧道，為車站增加熱負荷約為600～900kW，而通常情況下，1個14m標準站臺的公共區(qū)空調(diào)負荷約為1200kW，可見，屏蔽門的設(shè)置有效減少了空調(diào)季節(jié)車站公共區(qū)的空調(diào)負荷，與閉式系統(tǒng)相比，可使空調(diào)設(shè)備的冷負荷減少約35%以上，極端情況可減少60%以上，環(huán)控機房的建筑面積減少約50%，空調(diào)電耗降低約30%，不僅可以有效節(jié)能，還可降低土建的投資建設(shè)成本[2]。

表1 3種站臺門的主要特點

但是在非空調(diào)季節(jié)卻無法利用列車活塞效應(yīng)產(chǎn)生的活塞風(fēng)，只能通過機械通風(fēng)實現(xiàn)車站與大氣間的氣流交換，機械通風(fēng)能耗較大。目前，這種通風(fēng)空調(diào)模式多應(yīng)用于上海和廣州等空調(diào)季節(jié)較長的地區(qū)。

相關(guān)研究表明，采用屏蔽門系統(tǒng)可顯著降低空調(diào)的平均和峰值冷負荷，從而降低空調(diào)設(shè)備的裝機容量和尺寸，但由于增加了軌行區(qū)排熱風(fēng)機系統(tǒng)，通風(fēng)設(shè)備的電力消耗顯著增加，最終二者的總體能耗差別很小。因此，從總體運營節(jié)能降耗的角度來看，屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)并不具有顯著優(yōu)勢，同時在非空調(diào)季節(jié)采用屏蔽門系統(tǒng)后，不能合理利用隧道活塞風(fēng)對車站的自然通風(fēng)而需要開啟機械通風(fēng)系統(tǒng)，反而增加了運營能耗[2]。

針對屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置軌行區(qū)排熱風(fēng)機這一設(shè)計，業(yè)內(nèi)存在一定的質(zhì)疑。由于各城市地鐵運行公司的運行模式各不相同，一些城市全年開啟，一些城市只在空調(diào)季開啟，還有一些城市基本保持關(guān)閉。通過研究廣州某典型地鐵站軌行區(qū)排熱風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)季運行效果得出，對比室外溫度，軌底排熱實為排冷，針對軌頂?shù)呐艧醿H在部分時段（早、晚）有效，并且效率有待提高，關(guān)閉U/O風(fēng)機不會造成停站區(qū)域隧道溫度的明顯上升[3]。

中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司專業(yè)總工、教授級高工劉伊江提出軌道內(nèi)“不需要排熱”的理論，指出在實際運營中，軌頂排風(fēng)道的排熱效率不高甚至很低，還加大了車站與軌行區(qū)間的負壓，造成屏蔽門漏風(fēng)量增加，站內(nèi)空調(diào)區(qū)域的冷風(fēng)大量流失，大大增加了空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)負荷。

2.2 安全門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

安全門與屏蔽門相似，主要區(qū)別為“上不封頂”，其高度一般不超過2.5m，與屏蔽門系統(tǒng)相比，其特點是站臺公共區(qū)與隧道軌行區(qū)不完全隔離，因而可以利用列車的活塞效應(yīng)實現(xiàn)車站與軌行區(qū)、車站與大氣間的氣流交換，而不需要設(shè)置單獨的軌行區(qū)排熱系統(tǒng)，其安全門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理圖

圖2 安全門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理圖

活塞風(fēng)的有效利用可以在非空調(diào)季節(jié)有效減少車站機械通風(fēng)量，但由于空調(diào)季節(jié)站臺公共區(qū)需要承擔(dān)列車的發(fā)熱負荷，因此，在設(shè)計階段要考慮空調(diào)的負荷。因為空調(diào)容量的增大將直接導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)對空調(diào)機房面積的需求增加，另外，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行能耗增加的同時還會造成成本增加，加之通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在空調(diào)季節(jié)缺乏有效的節(jié)能措施，對空調(diào)季較長的地區(qū)會出現(xiàn)運營費用居高不下的情況。因此，這種通風(fēng)空調(diào)模式多用于北京和長春等空調(diào)季節(jié)較短的地區(qū)。

2.3 可通風(fēng)型站臺門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

為結(jié)合安全門與屏蔽門的優(yōu)點，近年來，可通風(fēng)型站臺門系統(tǒng)已逐步在地鐵中應(yīng)用，可通風(fēng)型站臺門形式上與屏蔽門相同，不同之處在于可通風(fēng)型站臺門在門體的適當(dāng)位置（一般為上部或下部）設(shè)置電動百葉風(fēng)口，例如，上海某地鐵站設(shè)為可通風(fēng)型站臺門，其上部設(shè)置電動百葉風(fēng)口（見圖3）。

圖3 上海某地鐵站可通風(fēng)型站臺門

根據(jù)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的需求將其關(guān)閉或開啟，關(guān)閉時可以達到屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的效果，開啟時可以達到安全門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的效果。

在過渡季節(jié)及冬季，開啟可通風(fēng)型站臺門上的百葉風(fēng)口，可以充分利用活塞風(fēng)，以節(jié)約車站公共區(qū)風(fēng)機的運行能耗；在空調(diào)季節(jié)關(guān)閉可通風(fēng)型站臺門上的百葉風(fēng)口使站臺公共區(qū)與軌行區(qū)隔絕，消除列車活塞風(fēng)對車站的影響，避免車站空調(diào)的負荷損失，達到空調(diào)季節(jié)運行節(jié)能的目的。

研究表明，可通風(fēng)型站臺門系統(tǒng)通過調(diào)整可控風(fēng)口的開啟與關(guān)閉，切換系統(tǒng)的運行模式可以使耗電量大幅降低。以濟南地鐵為例，空調(diào)季節(jié)可控風(fēng)口關(guān)閉時，空調(diào)系統(tǒng)耗電量為集成閉式系統(tǒng)的79%，保持了屏蔽門系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)的節(jié)能優(yōu)勢；非空調(diào)季節(jié)可控風(fēng)口開啟時，按照安全門系統(tǒng)運行，可有效利用隧道活塞風(fēng)進行通風(fēng)，其空調(diào)系統(tǒng)耗電量為集成閉式系統(tǒng)的60%[4]。

3 結(jié)語

屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要優(yōu)勢是空調(diào)季節(jié)只需負擔(dān)車站內(nèi)部人員和機電設(shè)備等熱負荷，無需考慮車站軌行區(qū)的熱負荷，可以顯著減少空調(diào)系統(tǒng)總裝機的容量，軌行區(qū)熱量通過排熱風(fēng)機進行排除，但在非空調(diào)季節(jié)通風(fēng)全靠車站機械通風(fēng)系統(tǒng)進行，無法利用活塞風(fēng)，因此，我國長江以南地區(qū)，即空調(diào)季節(jié)相對通風(fēng)季節(jié)較長的地區(qū)多采用屏蔽門式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；安全門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要優(yōu)勢在于非空調(diào)季節(jié)可以有效利用活塞風(fēng)進行車站的通風(fēng)降溫，但在空調(diào)季節(jié)活塞風(fēng)會增加車站熱負荷，多應(yīng)用于長江以北地區(qū)，即通風(fēng)季節(jié)相對空調(diào)季節(jié)較長的地區(qū)；可調(diào)通風(fēng)型站臺門式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合了2種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點，在空調(diào)季節(jié)與屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相同，在非空調(diào)季節(jié)與安全門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相同，適用區(qū)域更廣，是一種新型通風(fēng)空調(diào)模式，不僅可以在空調(diào)季節(jié)降低運行能耗，還可以在非空調(diào)季節(jié)實現(xiàn)節(jié)能運行，從而有效降低全年運行能耗，但由于可通風(fēng)型站臺門的應(yīng)用時間較短，控制模式相較其他2種模式復(fù)雜，運營中的實際節(jié)能效果缺少足夠的數(shù)據(jù)支撐，需要進一步研究分析并逐步擴大應(yīng)用。

屏蔽門式、安門全式以及可調(diào)通風(fēng)型站臺門式3種通風(fēng)空調(diào)模式各有特點，其核心是要明確空調(diào)季節(jié)與非空調(diào)季節(jié)關(guān)于活塞風(fēng)的有效利用問題，活塞風(fēng)是空調(diào)季節(jié)車站增加熱負荷的主要因素，天氣越炎熱，其增加值越大，但在非空調(diào)季節(jié)，活塞風(fēng)可以有效降低車站的熱負荷。因此，應(yīng)合理控制并利用活塞風(fēng)，以達到降低車站年運營總能耗的目的。除此之外，設(shè)置站臺門可有效改善車站候車環(huán)境，避免乘客跌落車站軌行區(qū)，減少地鐵活塞風(fēng)和噪音對候車乘客的影響。事實上，不管采用哪種形式的站臺門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)都不能實現(xiàn)絕對的節(jié)能，只有制定適合的運行管理模式才能發(fā)揮每種模式的最優(yōu)效果，從而實現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)能耗的降低。