貴陽地鐵復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用研究

為充分利用開/閉式系統(tǒng)及屏蔽門系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，結(jié)合貴陽市屬于溫和地區(qū)的氣候特點(diǎn)，研究確定復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是適合貴陽地鐵地下車站通風(fēng)空調(diào)的系統(tǒng)形式。通過對地鐵活塞風(fēng)的計算分析與模擬驗(yàn)證，提出了復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的站臺屏蔽門頂梁通風(fēng)孔開設(shè)方案及復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全年運(yùn)行模式對復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)的全年運(yùn)行能耗分析，貴陽地鐵標(biāo)準(zhǔn)地下車站采用復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)每年可減少通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行總能耗40 300～105 600 kWh。實(shí)測及運(yùn)營結(jié)果表明，復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)既滿足地鐵公共區(qū)室內(nèi)環(huán)境的需求，又能最大限度地降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

地鐵； 復(fù)合式； 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)； 節(jié)能

TU831A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡介］佘光華（1975—），男，碩士，高級工程師，注冊公用設(shè)備工程師（暖通空調(diào)），主要從事軌道交通暖通空調(diào)設(shè)計研究工作。

0 引言

國內(nèi)地鐵工程通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模式通常采用開/閉式系統(tǒng)或屏蔽門系統(tǒng)，目前，開/閉式系統(tǒng)的應(yīng)用較少，僅在南京、昆明、哈爾濱等城市的部分線路采用，絕大多數(shù)城市地鐵的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計為屏蔽門系統(tǒng)模式。

開/閉式系統(tǒng)在地下車站站臺邊緣設(shè)置非全封閉站臺屏蔽門，車站公共區(qū)與軌行區(qū)相通，空調(diào)冷負(fù)荷需包含列車運(yùn)行產(chǎn)生的冷負(fù)荷。閉式系統(tǒng)的缺點(diǎn)是空調(diào)冷負(fù)荷大，設(shè)備裝機(jī)容量、土建規(guī)模及空調(diào)季節(jié)運(yùn)行能耗大；優(yōu)點(diǎn)是在非空調(diào)季節(jié)可充分利用活塞效應(yīng)滿足車站及區(qū)間隧道通風(fēng)要求，無需開啟風(fēng)機(jī)，減少了非空調(diào)季節(jié)的運(yùn)行能耗。

屏蔽門系統(tǒng)在地下車站站臺邊緣設(shè)置全封閉站臺屏蔽門，將車站公共區(qū)與軌行區(qū)分隔，使車站公共區(qū)與軌行區(qū)成為相對獨(dú)立的區(qū)域，將列車運(yùn)行產(chǎn)生的冷負(fù)荷隔離在車站公共區(qū)之外。屏蔽門系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是夏季空調(diào)冷負(fù)荷小（為閉式系統(tǒng)的35%左右），設(shè)備裝機(jī)容量、土建規(guī)模及空調(diào)季節(jié)運(yùn)行能耗??；缺點(diǎn)是在非空調(diào)季節(jié)需開啟風(fēng)機(jī)對車站公共區(qū)進(jìn)行通風(fēng)，增加了非空調(diào)季節(jié)的運(yùn)行能耗。

屏蔽門系統(tǒng)及開/閉式系統(tǒng)在空調(diào)季節(jié)及非空調(diào)季節(jié)各具節(jié)能優(yōu)勢，若將二者結(jié)合起來形成復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，則全年均能實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在車站公共區(qū)與軌行區(qū)之間設(shè)置全封閉站臺屏蔽門及可遠(yuǎn)程開啟的電動風(fēng)閥，空調(diào)季節(jié)時以屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行，非空調(diào)季節(jié)以開/閉式系統(tǒng)運(yùn)行。

1 復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)概述

復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)基于屏蔽門系統(tǒng)及開/閉式系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成與上述系統(tǒng)基本相同。由隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及車站空調(diào)水系統(tǒng)組成。

標(biāo)準(zhǔn)地下車站隧道通風(fēng)采用雙活塞系統(tǒng)形式，單個活塞風(fēng)道及活塞風(fēng)井通風(fēng)凈面積不小于16 m2。

設(shè)置軌頂風(fēng)道及排熱風(fēng)機(jī)，站臺邊緣設(shè)置全封閉屏蔽門，在站臺屏蔽門頂梁成組開設(shè)通風(fēng)口并安裝電動風(fēng)閥。

車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，車站每端設(shè)置1臺組合式空調(diào)機(jī)組及1臺回風(fēng)機(jī)，分別負(fù)擔(dān)每端車站站廳及站臺公共區(qū)的通風(fēng)空調(diào)。組合式空調(diào)機(jī)組及回風(fēng)機(jī)根據(jù)車站公共區(qū)內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的變化，采用變頻調(diào)節(jié)。

典型地下車站復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。

2 復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)方案研究

復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的核心，是在屏蔽門系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定通風(fēng)孔的開設(shè)方案，以實(shí)現(xiàn)在非空調(diào)季節(jié)時，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以開/閉式系統(tǒng)運(yùn)行。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

貴陽地鐵1號線全長35.1 km，共設(shè)25座車站，其中地下站20座；貴陽地鐵2號線全長40.6 km，共設(shè)32座車站，其中地下站30座。1號線及2號線均采用B型車6輛編組，行車組織按照遠(yuǎn)期每小時30對設(shè)計，列車最高運(yùn)行速度不超過100 km/h。標(biāo)準(zhǔn)地下車站有效站臺長度120 m，站廳公共區(qū)面積約1 700 m2，層高約4.85 m；站臺公共區(qū)面積約1 200 m2，層高約4.55 m。站臺公共區(qū)裝修吊頂完成面標(biāo)高為3.00 m。

車站公共區(qū)空調(diào)室外計算干球溫度為29.2 ℃，計算濕球溫度為21.3 ℃；室內(nèi)計算干球溫度為27 ℃，相對濕度約為52%。

2.2 復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)土建通風(fēng)孔方案研究

復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)所需通風(fēng)孔的面積，與列車運(yùn)行所造成的活塞通風(fēng)量有關(guān)。因此，需首先確定列車活塞通風(fēng)量。

列車活塞風(fēng)示意如圖2所示。

應(yīng)用伯努利方程及流體連續(xù)性方程，按不可壓縮流體對活塞通風(fēng)進(jìn)行計算，得出列車運(yùn)行時的活塞通風(fēng)量，見式（1）。

P2=-（ξ1+ξ2）ρ·v202-λ0（L0-Lt）d0·ρ·v202+

Km·ρ·（vt-v0）22+P1（1）

式中：P1為隧道入口空氣壓力（Pa）；P2為隧道出口空氣壓力（Pa）；ξ1為隧道入口阻力系數(shù)；

ξ2 為隧道出口阻力系數(shù)；ρ為空氣密度（kg/m3）； λ0 為沿程阻力系數(shù)；L0為隧道長度（m）；Lt為列車長度（m）；d0為隧道當(dāng)量直徑（m）；v0為隧道內(nèi)活塞風(fēng)速度（m/s）；vt為列車運(yùn)行速度（m/s）；Km為列車活塞作用系數(shù)。

計算時可近似認(rèn)為隧道入口空氣壓力P1與隧道出口空氣壓力P2相等。

通過式（1）計算，對于斷面積約21 m2、長度1 500～1 800 m的典型區(qū)間隧道，當(dāng)120 m長的6B編組列車以80 km/h速度在區(qū)間隧道運(yùn)行時，列車活塞風(fēng)量為558 000～532 800 m3/h。運(yùn)用SES軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果與以上計算結(jié)果基本一致。

在非空調(diào)季節(jié)時，為充分利用活塞風(fēng)對車站公共區(qū)進(jìn)行通風(fēng)換氣，車站軌行區(qū)與公共區(qū)間的通風(fēng)孔面積需與活塞風(fēng)道面積基本相當(dāng)。因此，站臺屏蔽門頂梁單側(cè)土建通風(fēng)孔凈面積按不小于32 m2設(shè)計?？紤]通風(fēng)孔內(nèi)嵌裝電動風(fēng)閥執(zhí)行器的遮擋，通風(fēng)孔內(nèi)電動風(fēng)閥的有效面積系數(shù)按0.6取值，因此站臺屏蔽門頂梁單側(cè)土建通風(fēng)孔開孔面積需不小于53.5 m2。

根據(jù)上述要求，確定在站臺兩側(cè)吊頂上部屏蔽門頂縱梁約114 m的長度范圍內(nèi)，對應(yīng)上下行線分別均勻開設(shè)尺寸為3 000 mm×700 mm的通風(fēng)孔。每側(cè)通風(fēng)孔數(shù)量為28個，全站共設(shè)56個通風(fēng)孔，通風(fēng)孔總面積約117 m2。

非空調(diào)季節(jié)時，列車活塞效應(yīng)造成的通過車站出入口通道經(jīng)車站公共區(qū)從屏蔽門頂梁風(fēng)孔進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道的風(fēng)量為239 800～251 000 m3/h。典型地下車站公共區(qū)容積約為13 700 m3，因此活塞效應(yīng)造成的車站公共區(qū)換氣次數(shù)可達(dá)17～18次/h，完全滿足車站公共區(qū)的通風(fēng)要求。

屏蔽門頂梁風(fēng)閥的風(fēng)速約為2.0 m/s，車站共設(shè)出入口通道3～4個，每個出入口通道寬度約6 m，出入口通道吊頂下高度按2.8 m考慮，出入口通道總斷面積約50～67 m2，出入口通道的風(fēng)速約為1.0～1.3 m/s，均滿足地鐵設(shè)計規(guī)范中對車站公共區(qū)瞬時風(fēng)速不大于5 m/s的要求。

2.3 復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥編組方案

標(biāo)準(zhǔn)車站共設(shè)有56個屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥，若采用單個風(fēng)閥單獨(dú)配電及控制的方式，則配電及控制點(diǎn)位較多。為簡化動力照明專業(yè)對電動風(fēng)閥的配電及控制，電動風(fēng)閥采用多個編組的方式。以有效站臺中心線為界，每端每側(cè)共分為4組，每組包含3～4個電動風(fēng)閥。配電及控制時，每組風(fēng)閥按照單個單元考慮。

3 復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式

車站新風(fēng)道、空調(diào)送風(fēng)管、回風(fēng)管、車站站廳站臺公共區(qū)設(shè)置溫濕度傳感器，實(shí)時監(jiān)測以上部位的空氣參數(shù)。

根據(jù)室外焓值iW與室內(nèi)焓值iN、空調(diào)送風(fēng)焓值iO的比較，確定復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

當(dāng)室外焓值iW大于室內(nèi)焓值iN時，系統(tǒng)采用屏蔽門系統(tǒng)制式小新風(fēng)空調(diào)工況運(yùn)行。此時組合式空調(diào)機(jī)組及回風(fēng)機(jī)開啟，站臺屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥關(guān)閉，室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)混合，經(jīng)表冷器冷卻處理后送至車站公共區(qū)。

當(dāng)室外焓值iW小于等于室內(nèi)焓值iN，且室外焓值iW大于空調(diào)送風(fēng)焓值iO時，系統(tǒng)采用屏蔽門系統(tǒng)制式全新風(fēng)空調(diào)工況運(yùn)行。此時組合式空調(diào)機(jī)組開啟，回風(fēng)機(jī)關(guān)閉，站臺屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥關(guān)閉，室外新風(fēng)經(jīng)表冷器冷卻處理后送至車站公共區(qū)，排風(fēng)依靠車站正壓經(jīng)出入口通道排至室外。

當(dāng)室外焓值iW小于等于空調(diào)送風(fēng)焓值iO時，系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)制式運(yùn)行。此時組合式空調(diào)機(jī)組及回風(fēng)機(jī)關(guān)閉，站臺屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥開啟，利用列車活塞效應(yīng)對車站公共區(qū)通風(fēng)。

復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行模式如表1所示。

以典型地下車站為例，對復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行分析。

標(biāo)準(zhǔn)地下車站公共區(qū)空調(diào)計算室內(nèi)冷負(fù)荷為420 kW，濕負(fù)荷為35 g/s，空調(diào)新風(fēng)量為21 600 m3/h，新風(fēng)負(fù)荷約為42 kW，空調(diào)送風(fēng)溫差約10 ℃，空調(diào)計算送風(fēng)量約114 000 m3/h。

典型車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備配置如表2所示。

空調(diào)季節(jié)，復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按照屏蔽門系統(tǒng)模式運(yùn)行，其系統(tǒng)規(guī)模及能耗與屏蔽門系統(tǒng)一致。

非空調(diào)季節(jié)時，屏蔽門系統(tǒng)模式下，需變頻運(yùn)行組合式空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)等設(shè)備，對車站公共區(qū)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)（組合式空調(diào)機(jī)組及回排風(fēng)機(jī)每天運(yùn)行的平均頻率按30 Hz計），每日運(yùn)行時間為18 h；而復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)無需開啟上述設(shè)備，僅打開站臺屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥，利用列車在區(qū)間隧道運(yùn)行的活塞效應(yīng)對車站公共區(qū)進(jìn)行通風(fēng)。因此，復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)相比，其節(jié)能主要體現(xiàn)在非空調(diào)季節(jié)的系統(tǒng)能耗。

由風(fēng)機(jī)相似定律可知，風(fēng)機(jī)的軸功率比等于轉(zhuǎn)速比的三次方，見式（2）。

N1N=n1n3（2）

式中：N為風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時的軸功率（kW）；N1為風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時的軸功率（kW）；n為風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速，（r/min）；n1為風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速，（r/min）。

風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)速與頻率成正比。因此，根據(jù)式（2）可以計算出風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)下的軸功率。

典型地下車站復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與屏蔽門系統(tǒng)非空調(diào)季節(jié)運(yùn)行能耗對比如表3所示。

在非空調(diào)季節(jié)，屏蔽門系統(tǒng)典型地下車站若采用只送風(fēng)不排風(fēng)的運(yùn)行方案，每日通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗約為233.3 kWh，若采用只排風(fēng)不送風(fēng)的運(yùn)行方案，每日通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗約為143.9 kWh，若采用既排風(fēng)又送風(fēng)的運(yùn)行方案，每日通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗約為377.2 kWh。

貴陽市位于云貴高原，總的氣候特點(diǎn)是冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，屬于溫和地區(qū)，空調(diào)季節(jié)相對較短，公共區(qū)空調(diào)季時間約85天，其余280天均為非空調(diào)季。根據(jù)以上分析，在非空調(diào)季節(jié)，貴陽地鐵標(biāo)準(zhǔn)地下車站采用復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，每年可比屏蔽門系統(tǒng)減少通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行總能耗約40 300～105 600 kWh。

貴陽地鐵采用復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，與屏蔽門系統(tǒng)相比，每座標(biāo)準(zhǔn)地下車站每年至少可節(jié)能約4.03萬kWh。貴陽地鐵1號線20座地下站每年至少可節(jié)能約80.6萬kWh；貴陽地鐵2號線30座地下站每年可節(jié)能約120.8萬kWh。

5 結(jié)論

復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在空調(diào)季相當(dāng)于屏蔽門系統(tǒng)，而在非空調(diào)季則可轉(zhuǎn)換為開/閉式系統(tǒng)運(yùn)行，因此，復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兼具開/閉式系統(tǒng)在非空調(diào)季節(jié)能和屏蔽門系統(tǒng)在空調(diào)季節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，可降低運(yùn)營費(fèi)用，與開/閉式系統(tǒng)相比，還能減小設(shè)備裝機(jī)容量及土建規(guī)模，減少初投資。

空調(diào)季節(jié)時，屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥關(guān)閉，全封閉屏蔽門及電動風(fēng)閥基本隔斷了車站公共區(qū)與軌行區(qū)之間的空氣流通，將列車空調(diào)冷凝器的大部分發(fā)熱隔絕在車站公共區(qū)以外，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以屏蔽門制式運(yùn)行。組合式空調(diào)機(jī)組、回風(fēng)機(jī)采用變頻控制，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)季20%～40%的節(jié)能率。

非空調(diào)季節(jié)時，屏蔽門頂梁電動風(fēng)閥開啟，組合式空調(diào)機(jī)組、回風(fēng)機(jī)關(guān)閉，利用列車活塞效應(yīng)對車站公共區(qū)進(jìn)行通風(fēng)，可實(shí)現(xiàn)車站公共區(qū)12次以上換氣次數(shù)的通風(fēng)量，完全滿足設(shè)計規(guī)范對于車站公共區(qū)新風(fēng)量的要求。

貴陽地鐵1號線于2019年12月全線開通運(yùn)營，2號線于2021年4月全線開通運(yùn)營。貴陽地鐵1號線是國內(nèi)首條全線地下車站均采用復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的地鐵線路。自開通運(yùn)營以來，貴陽地鐵1號線及2號線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)設(shè)于車站公共區(qū)內(nèi)的傳感器監(jiān)測，車站內(nèi)溫濕度、CO2濃度、可吸入顆粒物濃度等空氣參數(shù)均滿足要求。

復(fù)合式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)基于屏蔽門系統(tǒng)，在設(shè)置全封閉站臺屏蔽門系統(tǒng)的地鐵線路中，均可根據(jù)列車運(yùn)行速度、區(qū)間隧道斷面及長度等的不同，確定屏蔽門頂梁通風(fēng)孔開孔總面積及開孔方案，實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年節(jié)能運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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