區域適應性地鐵通風空調系統研究

李國慶，李百戰，孟 鑫，張曉偉，張 領

（1. 北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；2. 重慶大學，重慶 400044）

1 研究背景

地鐵具有地面任何交通工具不可比擬的優越性：安全、快捷、舒適及環保。世界各國普遍把地鐵作為解決城市交通問題的根本出路，大力發展。我國城市軌道交通發展迅速，截至2018 年底，我國大陸地區共有35 個城市開通城市軌道交通，運營線路總長度5 761.4 km，其中地鐵線路長度累計達4 354.3 km，約占總長度的75.6%。我國的氣候區從北向南依次可分為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區及溫和地區5 個氣候區域。開通地鐵的城市覆蓋了我國的這5 個氣候區，而地鐵的通風空調系統與每個地區的氣候密切相關。各個氣候區的氣候特點不同，各區域的地鐵通風空調系統制式也不同[1-6]，如表1 所示。

表1 不同氣候區地鐵車站的通風空調系統制式Tab. 1 Ventilation and air conditioning systems in metro stations in different climatic zones

根據全國各氣候區地鐵運營的數據統計，通風空調系統的能耗巨大，占地鐵總能耗的30%～40%。通風空調系統的方案對其他專業的影響比較大，因此如何根據不同氣候區的氣候特點選取合理的通風空調系統制式，是地鐵線路通風空調系統設計的關鍵點，也是降低通風空調系統運行能耗的重要因素。下面筆者對我國不同氣候區的通風空調系統進行分析，從實現功能、節能的角度提出一些觀點。

2 嚴寒地區的地鐵通風空調系統設計

2.1 地鐵通風空調系統設計

嚴寒地區的氣候特點鮮明，1 月份平均氣溫均在-10℃以下，極端最低氣溫普遍低于-35℃；7 月份平均氣溫低于25℃。根據《地鐵設計規范》，嚴寒地區地下車站公共區應設置通風系統[7]。

長春地鐵的隧道通風系統與車站公共區通風系統采用集成方式設置(見圖1)，地下車站每端均設置了排風道，排風道內并聯設置兩臺參數相同的車站通風機SVF。這兩臺風機為可逆轉風機，平時作為車站公共區的送風機，同時兼作地下車站公共區排煙風機和區間隧道事故風機。車站兩端均設置一條活塞風道，并設置了電動組合風閥與兩臺區間隧道相連接，在不同的季節開啟對應不同區間隧道的電動組合風閥，實現區間隧道活塞通風模式的要求。車站站臺端部設置迂回風道，實現區間隧道的開式運行和閉式運行。車站兩端與活塞風道并聯設置一臺事故(隧道)風機TVF，該風機為可逆轉軸流風機，平時不投入運行。當區間隧道發生阻塞或火災時，TVF 與SVF 同時運行，對事故區間進行送風或排煙。

哈爾濱地區的地下車站也采用通風系統，哈爾濱地鐵1 號線采用的是車站兩端設置通風機，為車站公共區進行機械通風，兼顧地下車站火災排煙通風。隧道通風系統設計為在地下車站兩端分別設置一座機械/活塞風井，內設兩臺區間隧道風機，上下行線路合用活塞風道，在站臺層兩端區間與地下車站銜接處設置迂回風道。長春地鐵的集成式機械通風系統與哈爾濱地鐵的分設系統相比，能有效地縮短車站長度、降低土建投資以及設備系統初期投資。

嚴寒地區冬季室外氣溫很低，再加上列車運行時的活塞效應，室外冷風對地下車站的站廳及出入口附近造成強烈的吹風感，極大地降低了乘客的舒適度。為了改善這個問題，長春地區采用了可調通風型站臺門[8-9]。嚴寒地區的可調通風型站臺門與其他氣候區的運行模式恰恰相反，冬季時關閉轉換裝置，關閉活塞風道，開啟迂回風道，以閉式運行作為常規模式，切斷活塞風與外界的聯系，開啟車站和區間的送風機，對車站和區間送新風。兩臺送風機對公共區和區間進行送風，同時配置電加熱裝置，將新風加熱后分別送至車站公共區和區間隧道。

呼和浩特及沈陽地鐵的通風系統與上述形式類似。烏魯木齊屬于嚴寒地區，與嚴寒地區的其他城市相比，這里氣候干燥，室外濕球溫度低，小于等于18℃，最熱月的平均溫度為23.7℃，全年的平均溫度為7.1℃。按照《地鐵設計規范》，應設置機械通風系統。結合城市的氣候特點，因其濕球溫度低，相對濕度小，氣候比較干燥，所以車站公共區采用一級蒸發冷卻降溫系統。該系統比通風系統具有明顯的節能優勢，無需設置機械冷源，在消耗少許電能的情況下，利用霧化后的水與空氣直接接觸進行熱濕交換。經過蒸發冷卻處理后的空氣，干球溫度降低，風機的風量能夠大幅下降，有效地降低了機械通風能耗，同時也能夠有效減少土建規模及占地面積，減少設備容量及通風管道管材等。

烏魯木齊冬季通風室外計算溫度-12.7℃，冬季室外平均風速1.6 m/s。為了減少室外低溫及活塞風的影響，地鐵1 號線的車站站臺設置了全封閉站臺門；為了排除列車停站區域的熱量，車站兩端分別設置了排熱風機。隧道通風系統采用了雙活塞風道，每條活塞風道分別并聯事故風道，車站兩端分別設置兩臺隧道風機TVF。

2.2 嚴寒地區的優化節能建議

在哈爾濱地鐵1 號線的可調通風型站臺門上方，轉換裝置與吊頂之間的縫隙過大，沒有達到設計標準。冬季實際運營時，運營人員將活塞風井臨時封堵，以減少室外低溫對公共區溫濕度的影響。

基于1 號線的運營狀況，為了減少嚴寒低溫的影響，哈爾濱地鐵2、3 號線將可調通風型站臺門調整為全封閉站臺門。但是，該系統與其他氣候區的全封閉站臺門系統不同，車站公共區仍采用通風系統，為排除軌行區列車停站處的熱量，車站兩端設置了排熱風機，同時保留了單活塞風道，每端設置兩臺隧道風機，站臺兩端設置迂回風道。

從全壽命周期的技術經濟分析角度來看，嚴寒地區地鐵通風系統采用可調通風型站臺門系統制式相對最佳。為了能夠有效地降低系統能耗，結合嚴寒地區的氣候特點，該地區可以考慮取消車站兩端的活塞風道，冬季運行時開啟迂回風道，區間設置新風機，以保證乘客的最小新風量。同時，嚴寒地區冬季應考慮利用區間土壤蓄熱及車站的設備發熱量，供給人員房間熱量，或者為公共區及區間新風加熱。例如：區間隧道內壁處敷設換熱管道，吸收隧道的熱量；供電設備房間發熱量較大，可采用熱回收裝置將其回收利用，與新風進行熱交換等。

3 寒冷地區的地鐵通風空調系統設計

寒冷地區以北京為例。依照《地鐵設計規范》13.1.5.3，北京的最熱月平均溫度為25.8℃，當高峰時間內每小時行車對數和每列車車輛數的乘積大于180時，依照規范應采用空調系統。北京地鐵目前運營線路的通風空調系統有兩種制式，分別為全封閉站臺門系統和集成閉式系統。

地鐵線路具體采用哪種制式，應根據該條線路的全壽命周期的技術經濟分析得出。集成閉式系統是在傳統的無站臺門系統(上海地鐵2 號線及廣州地鐵1 號線)的基礎上提出的(見圖2)，它將隧道通風系統與車站公共區通風空調系統有機地結合在一起。車站兩端分別設置一條送風道及一條排風道。每端的送風道內設置電動可開啟的表冷器、過濾器、送風機、消聲器及電動風閥，排風道內設置排風機、消聲器及電動風閥等，共同組成地下車站公共區空氣處理系統。公共區通風空調系統兼作站廳、站臺的排煙系統。送排風道內的風機均為耐高溫的軸流變頻風機，同時兼作區間隧道的事故風機。

圖2 集成閉式空調系統原理Fig. 2 Schematic diagram of integrated closed air conditioning system

該系統車站公共區與軌行區是相通的，站臺處設置非全封閉站臺門，站臺門高度一般不超過2.5 m。車站端部不設置活塞風道。該系統通過可開啟式換熱器、可逆轉軸流風機等新型設備，有機地將車站公共區通風空調系統和區間隧道通風排煙系統合二為一地集成在一起，極大地減少了通風空調機房的占地面積，縮短了車站長度；同時采用變頻風機適應運營初、近遠期的不同負荷變化，變頻調速可以保證在較低的輸出功率時有較高的電機效率。電動可開啟式換熱器在空調季節時對空氣進行降溫除濕，在通風季節時將其電動打開，減少阻力約200 Pa，約占風系統阻力的20%，有效地降低了通風空調系統的運行能耗。

以石家莊地區為例，該市最熱月的月平均溫度為26.7℃，高于25℃；遠期高峰小時對數為30 對，列車為6 節編組，兩者乘積為180，所以石家莊地鐵應采用空調系統。經過全壽命周期的技術經濟比較后，石家莊地鐵1、2 號線采用了全封閉站臺門系統。隧道通風系統與車站公共區通風空調系統分開設置，隧道通風系統如圖3 所示，車站公共區通風空調系統如圖4所示。該系統的特點是站臺公共區與隧道軌行區完全分開，車站公共區通風空調系統不負擔軌行區的通風排熱，需要單獨設置排熱風機。

車站公共區通風空調系統為一次回風的全空氣系統，隧道通風系統采用雙活塞風道，車站每端活塞風道并聯2 臺事故風機。由于全封閉站臺門的設置，車站公共區的空調冷負荷大約減少35%。

該系統在空調季節運行時能夠有效降低運營能耗。寒冷地區空調季節大約為4 個月，相對較短。全封閉站臺門系統在非空調季節時無法利用列車活塞效應產生活塞風，只能通過機械通風方式實現車站內部與外界的通風換氣，機械通風能耗增大。因此，降低非空調季節通風系統能耗是寒冷地區系統節能的重點。

從運營節能降耗的角度來看，全封閉站臺門系統在寒冷地區沒有明顯的優勢。寒冷地區建議采用可調通風型站臺門，這種系統能夠將上述兩個系統有機地結合在一起：空調季節關閉可調門上方的轉換裝置，可以達到全封閉站臺門系統的運營模式；過渡季節及冬季開啟可調門上方的轉換裝置，可以充分利用活塞風為車站公共區通風換氣，以節約車站公共區機械風機的運行能耗。根據濟南地鐵的相關運營資料，這種系統的耗電量約為集成閉式系統的60%[10]。

4 夏熱冬冷地區的通風空調系統設計

圖3 雙活塞隧道通風系統原理Fig. 3 Twin-piston tunnel ventilation system

圖4 全封閉站臺門的車站通風空調系統Fig. 4 Station ventilation and air-conditioning system for fully closed platform doors

夏熱冬冷地區的最冷月平均溫度為-10～0℃。以杭州地區為例，最熱月的平均溫度為28.4℃；遠期高峰小時對數為30 對，列車為6 節編組，兩者乘積為180，依照《地鐵設計規范》13.1.5.3，應采用空調系統。該地區的車站公共區空調系統運行時間為5 月1日—10 月1 日，共5 個月，比寒冷地區長1 個月。該地區可采用寒冷地區的閉式系統(如南京地鐵1、2、3、5、S8 線及上海地鐵1 號線)，也可采用全封閉站臺門系統。實際運營線路的統計表明，大部分城市采用全封閉站臺門系統。

全封閉站臺門系統可參考集成閉式系統的理念，設置為集成全封閉站臺門系統，如圖5 所示。車站兩端分別設置1 條送風道及1 條排風道。每端的送風道內設置電動可開啟的換熱器、過濾器、2 臺送風機、消聲器及電動風閥，排風道內設置1 臺排風機、2 臺排熱風機、消聲器及電動風閥等，共同組成地下車站公共區空氣處理系統。公共區通風空調系統兼作站廳、站臺的排煙系統。送排風道內的風機均為耐高溫的軸流變頻風機，并兼作區間隧道的事故風機。同時，車站兩端設置活塞風道。

從運營的實際情況來看，夏熱冬冷地區運營能耗應重點關注空調季節制冷以及非空調季節通風工況能耗，建議考慮采用可調通風型站臺門系統。

5 夏熱冬暖地區的通風空調系統設計

夏熱冬暖地區的最冷月平均溫度大于10℃，最熱月平均溫度為25～29℃；遠期高峰小時對數為30 對，列車為6 輛編組，兩者乘積為180，依照《地鐵設計規范》13.1.5.3，應采用空調系統。以深圳為例，其地鐵車站空調季節的運營時間一般為7 個月，空調季節在各氣候區內是最長的。由于該地區空調季節運營時間為全年的83%，因此其地鐵節能設計應重點關注空調季節的能耗。該地區的地鐵通風空調系統制式大多為全封閉站臺門系統，詳見前面石家莊地鐵的系統制式描述。

空調季節的節能降耗措施可以從以下兩點考慮。第一，該系統控制模式應根據初、近、遠期空調系統的負荷變化進行調節，降低運營能耗。在進行系統模式(空調模式、機械通風模式、車站公共區自然通風模式)的切換中，不應只基于空氣狀態，還應基于系統能耗最小進行轉換。第二，針對不同模式下的空調負荷及室內外參數，實現該模式的最優控制：一種是空調模式，通過風系統變風量、水系統變水量、冷水機組開啟臺數進行控制；另一種是機械通風模式，通過風系統變風量、風機開啟及關閉的時間進行控制。

圖5 集成全封閉站臺門車站公共區通風空調系統Fig. 5 Ventilation and air conditioning system for the common area of a station with integrated closed platform doors

6 溫和地區的通風空調系統設計

溫和地區的最熱月平均溫度為18～23℃，未超過25℃(如昆明地區)，最熱月的月平均溫度為19.7℃，因此這類地區可本著節約能源的原則，地鐵車站公共區采用通風系統。溫和地區冬季氣溫的最冷月平均溫度為0～13℃，因此應采用軌行區與公共區連通的安全門系統制式。如圖6 所示，車站公共區采用機械送風、出入口和區間采用自然排風的系統，公共區的送風管道兼作排煙管道，車站兩端分別單獨設置送風機和排煙風機。

如圖7 所示，車站隧道通風系統采用列車出站端的單活塞風道系統，車站兩端分別設置兩臺耐高溫可逆轉的軸流隧道風機，事故風機在運營時間正常工況下不運行，隧道風機只在區間隧道排煙工況下運行。

從節能降耗角度出發，結合該地區的氣候特點，地鐵車站站臺應采用非封閉型站臺門。建議取消車站端部設置的活塞風道，利用列車活塞作用，由車站出入口與室外的新鮮空氣進行直接交換，節省土建及設備投資。運營能耗應重點關注機械通風能耗，可采用車站機械排風、出入口自然補風的模式。同時，結合車站公共區的CO2濃度，可關閉公共區機械通風，采用出入口自然通風換氣模式。

圖6 溫和地區車站公共區的通風系統Fig. 6 Ventilation system of common areas in stations in moderate area climatic zones

圖7 溫和地區的隧道通風系統Fig. 7 Tunnel ventilation system of common areas in stations in moderate climatic zones

7 結論

綜上所述，不同氣候區地鐵車站對應的通風空調系統制式不同。嚴寒地區的地鐵車站系統方案相對較多，目前沒有形成統一的做法，以集成通風系統+可調通風型站臺門方案為相對最優方案。對于氣候干燥的地區，在水源充足的條件下，車站公共區采用蒸發冷卻降溫系統相對比較節能。

寒冷地區及夏熱冬冷地區目前運營的地鐵線路，車站公共區在夏季均設置了空調系統，通風空調系統的能耗應重點關注系統全年的設備運行狀態，特別是非空調季節的通風工況下的運行能耗。夏熱冬暖地區應重點關注空調季節的節能運行。溫和地區的站臺應設置非封閉型站臺門，車站公共區應采用通風系統。嚴寒地區和溫和地區建議取消活塞風道，利用出入口作為活塞風道，為車站及區間進行通風降溫。

在嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬暖及夏熱冬冷地區，地鐵車站的站臺皆可設置可調通風型站臺門。可調通風型站臺門能夠滿足這4 個氣候區地下車站節能運行的需求，同時避免了站臺公共區發生火災時開啟滑動門帶來的安全隱患。行業內應在各城市地鐵建設中大力推廣，站臺門設備生產企業應加大研發力度。