現代有軌電車地下區間通風排煙方案探討

王遠

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

0 引言

近年來，國內各種制式的新型軌道交通快速發展，現代有軌電車（以下簡稱有軌電車）是在傳統有軌電車基礎上發展起來的新型快速交通系統，現代有軌電車發展比較完善，賦予一定的路權，運量比公共汽車大，路權可以共用[1]。

目前有軌電車地下區間通風排煙研究較少，沒有相應的國家標準作為依據，設計一般參考地鐵區間通風排煙方案。地鐵區間以縱向機械通風排煙方案為主，部分學者對地鐵自然通風方案進行了研究，陳中[2-5]等對地鐵自然通風方案進行研究，認為自然通風可以滿足地鐵通風和排煙要求，可以節省初期投資，設備投資和運營費用。曾柯皓[6]研究了流風機和通風豎井相結合的隧道通風排煙方案。

有軌電車地下區間的通風排煙采用隧道風機方案對車站規模影響大，初投資高，運維費用高。區間自然通風方案需永久占用市政道路，對道路寬度及景觀影響大。為解決上述問題，本文對有軌電車地下區間自然通風排煙和隧道風機通風排煙方案分析研究，并對不同方案的土建規模、投資、道路景觀、后期運營費用等進行對比。提出有軌電車地下區間射流風機通風排煙方案，對不同方案提出其適用范圍，為新建有軌電車地下區間隧道通風排煙設計提供參考。

1 地下區間通風排煙方案

根據《地鐵設計規范》GB 50157-2013 和《城市軌道交通通風空氣調節與供暖設計標準》GB/T 51357-2019 要求：地鐵及城市軌道交通地下區間機械通風方案需滿足以下要求：正常運行時，應將車站及區間隧道內部空氣環境控制在標準范圍內。列車阻塞在區間隧道時，應對阻塞區間進行有效通風，應按照控制列車最不利點的隧道空氣溫度低于45 ℃校核，風速不小于2 m/s 且不大于11 m/s。列車在隧道內發生火災事故時，應滿足防煙排煙以及事故通風功能要求。根據規范要求，自然通風和隧道風機機械通風排煙均能滿足要求。

1.1 自然通風方案

自然通風方案是指在區間隧道的頂部每隔一定距離，開設與外界大氣直接接觸的通風豎井，利用外界的空氣與隧道內的空氣進行交換，以達到對地下空間的空氣溫度，濕度，空氣流速和空氣品質進行控制的目的。參考《地鐵設計防火標準》GB51298-2018，排煙口應設于區間外墻上方或頂板上，有效面積不應小于該區間水平投影面積的5%。如圖1 所示：

圖1 區間自然通風示意圖

正常運行時，利用列車運行的活塞效應，通過區間頂部自然通風口與外界通風換氣，維持區間隧道溫度和人員新風量標準。行車阻塞時，利用頂部通風口自然通風，排出列車產生的熱量，控制隧道內最不利點溫度不超過45 ℃，以維持列車空調器的正常運行，并為人員提供新風。隧道火災時，煙氣通過就近的自然通風口排出，新風由相鄰的通風口引入。

1.2 隧道風機機械通風

隧道風機機械通風與常規地鐵地下區間隧道通風排煙系統相同，該方案在車站兩端設置活塞風道，并在風道內設置隧道風機，通過風機的機械通風滿足隧道內的溫濕度及正常，阻塞和火災工況要求。

區間隧道通風系統由軸流式隧道風機，風閥，消聲器，風室和風道組成。服務于區間的隧道風機布置在每個車站兩端風道內，每端設置兩臺隧道風機，并在風機前后設消聲器。活塞風道要求布置順暢以減小阻力，長度一般不大于40 m。活塞風道一般不單獨設置，與機械通風共用。車站兩端各設置兩臺并聯的隧道風機和相應風閥，以保證一端的兩臺隧道風機相互備用，提高防災的安全性。如圖2 所示：

圖2 隧道風機通風排煙方案平面示意圖

1.3 射流風機機械通風

射流風機通風排煙方案是在區間隧道兩端近車站處設置射流風機，由于車站有乘客候車，因此煙氣不能穿過車站繼續向前蔓延，因此在車站端頭需設置約100 m2左右的通風口。

區間隧道通風系統由射流風機+車站兩端通風口組成。在區間隧道內設置可逆射流風機，采用側墻安裝方式，左右線各需設置2 組（每組2 臺，共4 臺）射流風機，在車站兩端分別設置100 m2的通風口，正常運營時作為活塞通風口，事故及火災時，作為區間射流風機機械通風時的進風口或排煙口，可避免煙氣進入車站區域。如圖3 所示：

圖3 射流風機通風排煙方案平面示意圖

2 三種方案特點分析

2.1 區間自然通風方案特點

區間自然通風方案具有以下特點：

1）車站無需設置隧道風機房，活塞風道和隧道風機，只在區間隧道頂部設置通風口，節省機房面積，減少設備和土建投資，簡化系統控制，降低運行耗電量，節約了運營費用。

2）正常運行時，區間隧道直接與外界大氣相連，行車引起的活塞換氣量大，可以明顯改善區間的空氣質量。

4）火災工況時，煙氣就可近排出，排煙效果好，乘客就可以向隧道兩邊進行疏散，加快疏散速度。

5）FAS、BAS 專業減少了監控點數，簡化控制程序，系統運行穩定性和可靠性高，節約了硬件和軟件的投資。

6）區間頂部通風口容易進入雨水，需增加給排水專業投資和運維。若通風口設置為側出，則無排水問題，但需增加風亭高度，增加景觀處理難度。

7）列車的噪聲會通過通風豎井傳至地面，需要進行降噪處理（如栽種灌木等）。根據蘇州有軌電車2 號線經過實地測量發現，距離地面風井10 m 處背景噪聲為48～50dB (A)，有軌電車通過時噪聲為68～70 dB(A)，汽車通過時噪聲為66～69 dB(A)。

8）區間隧道頂部開設通風口，增加了區間土建投資，需永久占用道路空間。

2.2 隧道風機機械通風

車站設置隧道風機通風排煙具有以下特點：

1）區間隧道為全封閉的地下空間，僅依靠少數活塞風井與外界連通，與外界的互擾性小。市政道路地面灰塵及室外空氣質量對隧道內空氣質量影響很小，傳至道路兩邊的噪聲幾乎可忽略不計。

2）阻塞工況和火災工況時，依靠隧道風機通風排煙，風速和風量能夠得到保證。

3）區間無需地面開孔，對市政道路和景觀無影響，市政積水倒灌風險小，安全性高。

4）隧道風機通風排煙方案在地鐵隧道通風排煙工程中應用廣泛，安全可靠，得到了實踐的證明，是一種成熟的地鐵區間隧道通風排煙方案。

5）車站內需設置專用隧道通風機房和風道，土建和設備的投資增大。

6）依靠車輛活塞通風不能滿足區間溫度和新風量要求時，需開啟機械通風設施，區間阻塞，事故及早晚通風工況均需采用機械通風方式，增加能耗和運營維護費用。增加了FAS、BAS、電力等配套專業的投資和運維費用。

7）區間事故時需聯動相鄰車站的隧道通風設備，動作設備數量多，控制復雜。

2.3 射流風機機械通風

區間射流風機通風排煙具有以下特點：

1）區間隧道為全封閉的地下空間，僅依靠少數活塞風井與外界連通，與外界的互擾性小。市政道路地面灰塵及室外空氣質量對隧道內空氣質量影響很小，傳至道路兩邊的噪聲幾乎可忽略不計。

2）阻塞工況和火災工況時，依靠隧道風機通風排煙，風速和風量能夠得到保證。

3）區間射流風機通風排煙方案無需設置專用的機房風道，對車站規模影響小。

4）在隧道內需要設置隧道通風機處有局部土建外擴及配電等設備，區間土建和設備的投資略有增加，夜間通風時開啟射流風機，增加了運營維護成本。

5）在依靠車輛活塞通風不能滿足區間溫度和新風量要求時，需開啟射流風機，區間阻塞，事故及早晚通風工況均需采用機械通風方式，增加了后期運營費用。

6）增加了FAS，BAS 及電力專業的初投資及運營費用。

7）區間事故時需聯動相鄰車站的隧道通風設備，動作設備數量多，控制復雜。

射流風機方案在國內有軌電車及地鐵隧道通風工程中目前尚無案例，但在市政隧道有所應用。

以上三種區間通風方案特點對比分析見表1。

表1 區間隧道通風排煙方案對比表

3 工程投資分析

本投資概算以一站一區間為研究對象，區間長度為2 km，每個通風豎井20 m2。每隔60 m 設一個長約30 m2的通風豎井，共設33 個自然通風豎井。

3.1 自然通風方案

設備投資：自然通風方案取消車站兩端的隧道風機，機房和活塞風井，也無需設置射流風機，因此無此部分概算。土建投資：每個通風豎井增加投資約10 萬元，共計330 萬元。其它專業投資：若設置側風口，防雨百葉則排水投資及運維費用均無增加。若設置頂出風口則因開孔增多，水泵功率提升，增加給排水設備投資2 萬元，土建投資5 萬元，共計7 萬元。區間排水泵房每臺水泵功率增加4 kW，2 臺水泵共計增加8 kW，按每臺水泵每年開啟時間為90 天，每天4 個小時計，車站增加運營費用約0.2 萬元（本文所有電價按0.67元/度計）。

3.2 機械通風方案

3.2.1 車站隧道風機方案

設備投資：每座車站設置隧道風機4 臺，8 套土建式消聲器，10 套電動風閥，設備與安裝費用共計約240萬[7]。土建投資：每座車站需要4 條活塞風道和4座活塞風井（按100 萬元1 座計），共400 萬元。隧道風機房按400 m2（按7000 元/m2計），共280 萬元。共計680萬。其它專業投資：配電專業每站設置用電負荷360 kW（一級），變壓器50 萬、電纜、開關等設備投資為50 萬，共100 萬元，土建投資15 m2（按7500 元/m2計），土建投資為11.25 萬元，共計111.25 萬元。運營費用：隧道風機按90 kW/臺，每天早晚通風時間按1 小時計算，則設備的運營費用為2.2 萬元/年臺，共計8.8萬元。

3.2.2 區間射流風機方案

設備投資：每座車站設置射流風機8 臺，共計設備投資為40 萬元。土建投資：每臺射流風機需設置局部外擴，每個增加土建投資約3 萬元，每個車站4 個區間外擴，共12 萬元。其他專業投資：配電專業每站設置用電負荷240 kW（一級），電纜、開關等設備投資為70萬元，土建投資15 m2（按7000 元/m2計），土建投資為10.5 萬元，共計85.5 萬元。運營費用：射流風機按30 kW/臺，每天早晚通風時間按1 小時計算，則設備的運營費用為0.73 萬元/年臺，共計5.84 萬元。

以上三種通風排煙方案經濟性對比詳見表2（注：本計算自然通風按照增加排水量考慮）。

表2 區間通風排煙方案經濟比較表

4 結論與建議

通過上述分析比較，從以下幾方面確定有軌電車工程的隧道通風模式：

1）具體方案應根據線路走向和地面情況，有軌電車地下區間設置機械通風和自然通風方案都可行。

2）自然通風方案的通風及排煙效果最好，土建投資與后期運營費用最少，但市政道路的寬度、景觀、城市內澇對區間的影響較大，如果市政道路本身有或規劃有滿足寬度的綠化帶時則建議優先選擇自然通風排煙方案，可顯著降低后期運維費。

3）隧道風機機械通風排煙方案是在原有車站長度約60 m（三模塊有軌電車）的基礎上需增加約40 m 的車站風道，對車站土建影響過大，初投資和運行費用最高，僅當自然通風和射流風機方案無設置條件時考慮采用。

4）射流風機機械通風排煙方案初投資、運行費用低，對地面道路景觀影響小，通風排煙效果好，具備了自然通風方案的車站規模小和隧道風機機械通風方案對地面道路影響小等諸多優點，后期有軌電車設計中可以優先考慮。

車站隧道風機和自然通風方案在地鐵中均有應用，但是均有一定的局限性，因此本文提出采用射流風機通風排煙的方案，既可降低車站的投資，又可以減少區間自然通風井數量，兼具兩者優勢。但該方案在國內軌道交通設計中尚屬首次，為有軌電車區間通風系統提供了一種全新的設計理念，與此同時帶來諸多新的課題，例如射流風機大小、通風口的大小、間距如何設置才能保證最佳的通風排煙效果以及阻滯和火災工況下的通風排煙效果將是下一步研究的方向。