基于綠色節(jié)能控制理念的溫和地區(qū)地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)研究

楊子嫻

（中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)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(zhuǎn)站，車站的環(huán)控系統(tǒng)直接關(guān)系并影響旅客換乘時的體感舒適度，同時保障了地鐵運(yùn)營相關(guān)設(shè)備在符合溫濕度要求的工作環(huán)境中高效運(yùn)行。當(dāng)通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)兼做防排煙系統(tǒng)時，還需滿足相應(yīng)的防排煙要求[1]。因此，地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，關(guān)系到地鐵系統(tǒng)的正常、有序、安全運(yùn)行，直接影響地鐵系統(tǒng)的社會效益、環(huán)境效益以及經(jīng)濟(jì)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(fēng)空調(diào)能耗約占地鐵運(yùn)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(jié)能潛力。地下車站常規(guī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)制式多為全封閉式站臺門系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)無法利用列車運(yùn)行產(chǎn)生的活塞效應(yīng)從出入口引入大量室外新風(fēng)對地下車站降溫，因此，在溫和地區(qū)地下車站運(yùn)用全封閉式站臺門系統(tǒng)會增大溫和地區(qū)過渡季、冬季的通風(fēng)能耗，導(dǎo)致環(huán)控系統(tǒng)年運(yùn)行成本增加。昆明作為典型溫和地區(qū)代表城市，冬無嚴(yán)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(jié)較長的溫和地區(qū)，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(qū)地下車站采用機(jī)械通風(fēng)與多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合的環(huán)控系統(tǒng)設(shè)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成，降低系統(tǒng)建設(shè)成本及運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)[3]。

1 地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)概述

1.1 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組成

城市軌道交通地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由公共區(qū)域通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（俗稱“大系統(tǒng)”）、設(shè)備及管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（俗稱“小系統(tǒng)”）及空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)等組成。

1.2 車站環(huán)控系統(tǒng)制式介紹

依據(jù)地鐵系統(tǒng)的隧道通風(fēng)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)以及屏蔽門系統(tǒng)等制式[4]。

1.2.1 開式系統(tǒng)

開式系統(tǒng)通過采用機(jī)械原理或活塞效應(yīng)的形式，為地下車站內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境進(jìn)行空氣交換，將外界的空氣冷源導(dǎo)入地下車站與地鐵隧道中。該系統(tǒng)適用于溫和地區(qū)，或是全年平均環(huán)境溫度低于25℃并且列車運(yùn)行量比較低的區(qū)域，并不適應(yīng)于夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)[5]。

1.2.2 閉式系統(tǒng)

閉式系統(tǒng)是將地鐵系統(tǒng)中地下車站系統(tǒng)與外界環(huán)境基本隔離的方式進(jìn)行設(shè)計，地下車站內(nèi)與外界連通的風(fēng)門及通風(fēng)井都是處于封閉狀態(tài)。夏季，地下車站主要是利用中央空調(diào)作為主要環(huán)控的冷源，并通過風(fēng)機(jī)提供所需最低限度的外界新鮮空氣或空調(diào)全新風(fēng)等。其中，地鐵系統(tǒng)中的區(qū)間隧道利用列車高速行駛時所產(chǎn)生的活塞效應(yīng)方式與在地下車站兩端設(shè)置迂回風(fēng)通道，將地下車站內(nèi)的空調(diào)冷風(fēng)帶入其中，降低區(qū)間隧道中的環(huán)境溫度。閉式系統(tǒng)可以滿足地下車站與區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)計溫度和氣流速度在不同工況條件下符合設(shè)計要求，具有環(huán)控工況轉(zhuǎn)換簡單、對冷源量需求較大、環(huán)控機(jī)房占地大、能源損耗較高以及噪聲較大等特點(diǎn)。一般情況閉式系統(tǒng)比較適用于夏熱冬冷或夏熱冬暖區(qū)域[6]。

1.2.3 屏蔽門系統(tǒng)

屏蔽門系統(tǒng)是在地下車站站臺邊緣安裝一道帶門的透明屏障，當(dāng)列車到站后，列車上的車門與屏蔽門一一對應(yīng)，方便旅客自由上下車行動。當(dāng)屏蔽門關(guān)閉后，形成封閉的墻，從而可以很好地隔斷隧道內(nèi)的熱流、灰塵以及氣壓波動等進(jìn)入地下車站內(nèi)，達(dá)到降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷能耗，實(shí)現(xiàn)地下車站舒適環(huán)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?？课恢玫目煽啃裕泊蟠笤黾恿私ㄔO(shè)成本[7]。

1.3 地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行與控制方式

地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式主要分為正常運(yùn)行方式與事故運(yùn)行方式兩種。正常運(yùn)行工況主要是空調(diào)季小新風(fēng)、空調(diào)季全新風(fēng)和過渡季全通風(fēng)等運(yùn)行工況。事故運(yùn)行方式主要是區(qū)間隧道火災(zāi)、站臺層火災(zāi)、站廳層火災(zāi)、車站軌行區(qū)火災(zāi)、設(shè)備管理用房火災(zāi)、出入口通道火災(zāi)等事故運(yùn)行工況[8]。

2 溫和地區(qū)地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 常規(guī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在問題

2.1.1 環(huán)控系統(tǒng)土建成本較高

地下車站環(huán)控系統(tǒng)的土建費(fèi)用與設(shè)備的占地面積成正比，而地下車站每平方米土建費(fèi)用約為1 萬元，由于常規(guī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組成復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致環(huán)控機(jī)房占地面積大，單個標(biāo)準(zhǔn)站環(huán)控系統(tǒng)土建費(fèi)用約為600～700 萬元。

2.1.2 環(huán)控系統(tǒng)年運(yùn)行成本較高

對某夏熱冬冷地區(qū)地下車站的常規(guī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗進(jìn)行模擬可知，在各子系統(tǒng)全年能耗中，水系統(tǒng)能耗占比最大，接近50%；公共區(qū)大系統(tǒng)與設(shè)備及管理用房小系統(tǒng)能耗占比相當(dāng)。某夏熱冬冷地區(qū)地下車站通風(fēng)空調(diào)子系統(tǒng)全年能耗占比圖如圖1所示。

圖1 某夏熱冬冷地區(qū)地下車站通風(fēng)空調(diào)子系統(tǒng)全年能耗占比圖

在各設(shè)備年運(yùn)行能耗中，冷水機(jī)組能耗占比最大，為37.48%，通風(fēng)機(jī)能耗次之。某夏熱冬冷地區(qū)地下車站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備全年能耗占比圖如圖2所示。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)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(huán)控系統(tǒng)月平均耗電量達(dá)到全年較高水平；在1～4月及11～12月等過渡季節(jié)，由于常規(guī)環(huán)控系統(tǒng)制式為全封閉式站臺門系統(tǒng)，無法利用列車運(yùn)行的活塞效應(yīng)從出入口引入室外新風(fēng)為地下車站降溫，完全依靠通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全通風(fēng)工況來消除車站余熱，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)在過渡季的運(yùn)行能耗進(jìn)一步增大[9]。

圖2 某夏熱冬冷地區(qū)地下車站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備全年能耗占比圖

2.2 溫和地區(qū)地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)方案概述

針對以上常規(guī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于溫和地區(qū)地下車站存在的系統(tǒng)建設(shè)成本高、運(yùn)行能耗大等問題，綜合考慮溫和地區(qū)氣候特點(diǎn)，秉持因地制宜的原則，昆明地鐵地下車站環(huán)控總體方案為機(jī)械通風(fēng)結(jié)合多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。為充分利用溫和地區(qū)豐富的室外自然冷源，環(huán)控系統(tǒng)制式為開式系統(tǒng)。

2.2.1 環(huán)控系統(tǒng)制式

綜合考慮地鐵運(yùn)力、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、人員舒適性要求及運(yùn)行費(fèi)用等因素，選擇環(huán)控系統(tǒng)制式為開式系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設(shè)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(shè)置多座通風(fēng)豎井，借助列車運(yùn)行產(chǎn)生的抽吸作用，使地鐵內(nèi)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(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

2.2.2 公共區(qū)通風(fēng)方案

車站公共區(qū)采用機(jī)械送風(fēng)，從出入口及安全門上方自然排風(fēng)的方式來消除公共區(qū)余熱。公共區(qū)室內(nèi)設(shè)計溫度為夏季≤28℃，冬季≥12℃，人員新風(fēng)量按照遠(yuǎn)期早高峰客流量計算，每人每小時新風(fēng)量≥30m3。在地下車站的A、B 端環(huán)控機(jī)房內(nèi)各設(shè)置一臺大系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)，共同承擔(dān)站廳及站臺公共區(qū)的冷負(fù)荷。該系統(tǒng)不額外設(shè)置空調(diào)設(shè)備，主要通過設(shè)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(shí)時反饋所需風(fēng)量大小，再通過風(fēng)機(jī)變頻控制公共區(qū)的送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)根據(jù)客流變化按需供給風(fēng)量的目的，有效降低大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗。此外，在公共區(qū)溫度較低且滿足CO2濃度要求時，可直接關(guān)閉大系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)，依靠列車運(yùn)行的抽吸作用，從出入口引入新風(fēng)對公共區(qū)進(jìn)行降溫，進(jìn)一步降低環(huán)控系統(tǒng)能耗。對公共區(qū)采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行變風(fēng)量送風(fēng)的全年室溫進(jìn)行模擬，見圖3，結(jié)果顯示室溫滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且室溫全年滿意率達(dá)到100%。

圖3 公共區(qū)機(jī)械通風(fēng)變風(fēng)量送風(fēng)全年室溫模擬結(jié)果圖

2.2.3 設(shè)備及管理用房通風(fēng)空調(diào)方案

地下車站的設(shè)備及管理用房根據(jù)使用功能要求、設(shè)備工作環(huán)境溫度等因素分為27℃、36℃溫控房間和僅需滿足換氣次數(shù)要求的房間。設(shè)備及管理用房通風(fēng)空調(diào)方案采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)與多聯(lián)機(jī)相結(jié)合。對于車控室、安全門控制室等人員經(jīng)常停留或內(nèi)置設(shè)備工作環(huán)境溫控要求為27℃的房間，采用機(jī)械通風(fēng)的同時，設(shè)置多聯(lián)空調(diào)承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)室溫的分時分室獨(dú)立控制；對于室內(nèi)設(shè)計溫度為36℃的強(qiáng)電房間和僅需滿足換氣次數(shù)要求的房間，設(shè)置機(jī)械送排系統(tǒng)就可滿足房間的全年溫控要求。

3 結(jié)語

通過分析常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)及全封閉式站臺門系統(tǒng)制式應(yīng)用于溫和地區(qū)地下車站存在的問題，結(jié)合溫和地區(qū)環(huán)境特征，基于綠色節(jié)能理念提出適用于溫和地區(qū)地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案以機(jī)械通風(fēng)與開式系統(tǒng)相結(jié)合，突破傳統(tǒng)環(huán)控方案設(shè)計，最大限度地利用溫和地區(qū)豐富的自然冷源資源為車站及區(qū)間隧道降溫，全面降低環(huán)控系統(tǒng)年運(yùn)行能耗，單個標(biāo)準(zhǔn)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(huán)控系統(tǒng)構(gòu)成，單個標(biāo)準(zhǔn)站減少機(jī)房占地面積300～400m2，節(jié)約土建投資約300～400 萬元，為后續(xù)溫和地區(qū)城市軌道交通地下車站的環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。