基于綠色節能控制理念的溫和地區地下車站通風空調系統研究

楊子嫻

（中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

城市軌道交通地下車站是輸送旅客的中轉站，車站的環控系統直接關系并影響旅客換乘時的體感舒適度，同時保障了地鐵運營相關設備在符合溫濕度要求的工作環境中高效運行。當通風、空調系統兼做防排煙系統時，還需滿足相應的防排煙要求[1]。因此，地下車站的通風空調系統的設計是否合理，關系到地鐵系統的正常、有序、安全運行，直接影響地鐵系統的社會效益、環境效益以及經濟效益[2]。

城市軌道交通的耗電量約占全國總耗電量的5%，其中，通風空調能耗約占地鐵運行能耗的46%，是僅次于列車牽引能耗的第二大部分，具有較高的節能潛力。地下車站常規通風空調系統制式多為全封閉式站臺門系統，由于該系統無法利用列車運行產生的活塞效應從出入口引入大量室外新風對地下車站降溫，因此，在溫和地區地下車站運用全封閉式站臺門系統會增大溫和地區過渡季、冬季的通風能耗，導致環控系統年運行成本增加。昆明作為典型溫和地區代表城市，冬無嚴寒、夏無酷暑，全年有92.6%的時間里室外溫度處于5～25℃，屬于過渡季節較長的溫和地區，存在大量可以利用的自然冷源。研究以昆明地鐵為例，在溫和地區地下車站采用機械通風與多聯機系統相結合的環控系統設計方案，在充分利用室外自然冷源滿足地下車站溫濕度控制要求的同時，簡化地下車站通風空調系統構成，降低系統建設成本及運行能耗，實現節能減排的目標[3]。

1 地下車站通風空調系統概述

1.1 車站通風空調系統組成

城市軌道交通地下車站的通風空調系統由公共區域通風空調系統（俗稱“大系統”）、設備及管理用房通風空調系統（俗稱“小系統”）及空調制冷循環系統等組成。

1.2 車站環控系統制式介紹

依據地鐵系統的隧道通風換氣方式、隧道與地下車站站臺層的分離方式，將地下車站的通風空調系統分為開式系統、閉式系統以及屏蔽門系統等制式[4]。

1.2.1 開式系統

開式系統通過采用機械原理或活塞效應的形式，為地下車站內部環境與外部環境進行空氣交換，將外界的空氣冷源導入地下車站與地鐵隧道中。該系統適用于溫和地區，或是全年平均環境溫度低于25℃并且列車運行量比較低的區域，并不適應于夏熱冬冷和夏熱冬暖地區[5]。

1.2.2 閉式系統

閉式系統是將地鐵系統中地下車站系統與外界環境基本隔離的方式進行設計，地下車站內與外界連通的風門及通風井都是處于封閉狀態。夏季，地下車站主要是利用中央空調作為主要環控的冷源，并通過風機提供所需最低限度的外界新鮮空氣或空調全新風等。其中，地鐵系統中的區間隧道利用列車高速行駛時所產生的活塞效應方式與在地下車站兩端設置迂回風通道，將地下車站內的空調冷風帶入其中，降低區間隧道中的環境溫度。閉式系統可以滿足地下車站與區間隧道內設計溫度和氣流速度在不同工況條件下符合設計要求，具有環控工況轉換簡單、對冷源量需求較大、環控機房占地大、能源損耗較高以及噪聲較大等特點。一般情況閉式系統比較適用于夏熱冬冷或夏熱冬暖區域[6]。

1.2.3 屏蔽門系統

屏蔽門系統是在地下車站站臺邊緣安裝一道帶門的透明屏障，當列車到站后，列車上的車門與屏蔽門一一對應，方便旅客自由上下車行動。當屏蔽門關閉后，形成封閉的墻，從而可以很好地隔斷隧道內的熱流、灰塵以及氣壓波動等進入地下車站內，達到降低通風空調系統的負荷能耗，實現地下車站舒適環控目的。屏蔽門隔絕了地下車站與隧道的溫差交流，提高了地下車站候車旅客的安全性與列車停靠位置的可靠性，也大大增加了建設成本[7]。

1.3 地下車站通風空調系統運行與控制方式

地下車站的通風空調系統運行方式主要分為正常運行方式與事故運行方式兩種。正常運行工況主要是空調季小新風、空調季全新風和過渡季全通風等運行工況。事故運行方式主要是區間隧道火災、站臺層火災、站廳層火災、車站軌行區火災、設備管理用房火災、出入口通道火災等事故運行工況[8]。

2 溫和地區地下車站通風空調系統設計

2.1 常規通風空調系統存在問題

2.1.1 環控系統土建成本較高

地下車站環控系統的土建費用與設備的占地面積成正比，而地下車站每平方米土建費用約為1 萬元，由于常規通風空調系統組成復雜、設備數量多，導致環控機房占地面積大，單個標準站環控系統土建費用約為600～700 萬元。

2.1.2 環控系統年運行成本較高

對某夏熱冬冷地區地下車站的常規通風空調系統全年能耗進行模擬可知，在各子系統全年能耗中，水系統能耗占比最大，接近50%；公共區大系統與設備及管理用房小系統能耗占比相當。某夏熱冬冷地區地下車站通風空調子系統全年能耗占比圖如圖1所示。

圖1 某夏熱冬冷地區地下車站通風空調子系統全年能耗占比圖

在各設備年運行能耗中，冷水機組能耗占比最大，為37.48%，通風機能耗次之。某夏熱冬冷地區地下車站通風空調設備全年能耗占比圖如圖2所示。通風空調系統的月平均耗電量隨室外月平均溫度變化，在室外溫度較高的5～10月，環控系統月平均耗電量達到全年較高水平；在1～4月及11～12月等過渡季節，由于常規環控系統制式為全封閉式站臺門系統，無法利用列車運行的活塞效應從出入口引入室外新風為地下車站降溫，完全依靠通風空調系統的全通風工況來消除車站余熱，導致通風機在過渡季的運行能耗進一步增大[9]。

圖2 某夏熱冬冷地區地下車站通風空調設備全年能耗占比圖

2.2 溫和地區地下車站通風空調系統方案概述

針對以上常規通風空調系統應用于溫和地區地下車站存在的系統建設成本高、運行能耗大等問題，綜合考慮溫和地區氣候特點，秉持因地制宜的原則，昆明地鐵地下車站環控總體方案為機械通風結合多聯機系統。為充分利用溫和地區豐富的室外自然冷源，環控系統制式為開式系統。

2.2.1 環控系統制式

綜合考慮地鐵運力、當地氣候條件、人員舒適性要求及運行費用等因素，選擇環控系統制式為開式系統。該系統通過設置全高安全門保證乘客乘車安全的同時，在安全門上方留有空隙，在地鐵沿線車站與車站間設置多座通風豎井，借助列車運行產生的抽吸作用，使地鐵內空氣與外界相連通，直接引入并利用室外空氣來冷卻車站和隧道，能夠充分降低過渡季及冬季的通風系統運行能耗。

2.2.2 公共區通風方案

車站公共區采用機械送風，從出入口及安全門上方自然排風的方式來消除公共區余熱。公共區室內設計溫度為夏季≤28℃，冬季≥12℃，人員新風量按照遠期早高峰客流量計算，每人每小時新風量≥30m3。在地下車站的A、B 端環控機房內各設置一臺大系統送風機，共同承擔站廳及站臺公共區的冷負荷。該系統不額外設置空調設備，主要通過設置在站廳層及站臺層客流較為密集處的溫度傳感器及CO2傳感器來實時反饋所需風量大小，再通過風機變頻控制公共區的送風量，實現根據客流變化按需供給風量的目的，有效降低大系統風機運行能耗。此外，在公共區溫度較低且滿足CO2濃度要求時，可直接關閉大系統送風機，依靠列車運行的抽吸作用，從出入口引入新風對公共區進行降溫，進一步降低環控系統能耗。對公共區采用機械通風系統進行變風量送風的全年室溫進行模擬，見圖3，結果顯示室溫滿足設計標準，且室溫全年滿意率達到100%。

圖3 公共區機械通風變風量送風全年室溫模擬結果圖

2.2.3 設備及管理用房通風空調方案

地下車站的設備及管理用房根據使用功能要求、設備工作環境溫度等因素分為27℃、36℃溫控房間和僅需滿足換氣次數要求的房間。設備及管理用房通風空調方案采用機械通風系統與多聯機相結合。對于車控室、安全門控制室等人員經常停留或內置設備工作環境溫控要求為27℃的房間，采用機械通風的同時，設置多聯空調承擔室內冷負荷，實現室溫的分時分室獨立控制；對于室內設計溫度為36℃的強電房間和僅需滿足換氣次數要求的房間，設置機械送排系統就可滿足房間的全年溫控要求。

3 結語

通過分析常規中央空調系統及全封閉式站臺門系統制式應用于溫和地區地下車站存在的問題，結合溫和地區環境特征，基于綠色節能理念提出適用于溫和地區地下車站的通風空調系統設計方案。該方案以機械通風與開式系統相結合，突破傳統環控方案設計，最大限度地利用溫和地區豐富的自然冷源資源為車站及區間隧道降溫，全面降低環控系統年運行能耗，單個標準站每年可減少耗電量約10.6 萬kW·h。此外，該方案簡化車站環控系統構成，單個標準站減少機房占地面積300～400m2，節約土建投資約300～400 萬元，為后續溫和地區城市軌道交通地下車站的環控系統設計提供借鑒經驗。