褚海容

(北京城建设计研究总院有限责任公司,北京 100037)

1 概述

通风空调系统是地铁内非常重要的设备系统之一,承担保证乘客相对舒适的环境条件；保证车站、区间和列车设备正常运转所需的环境条件；保证在列车区间阻塞条件下列车空调正常运转；保证在车站、区间火灾条件下迅速排烟等重要的任务。而通风空调系统又是地铁内的耗电大户,其运行能耗问题也日益突出。因此,减少地铁通风空调系统的全年能耗,具有重要意义。对一个城市而言,确定合理可行而又节能的通风空调系统模式是非常重要的。

目前,采用空调系统的国内地铁项目,按照站台边缘是否设置屏蔽门,可以划分为两种系统形式：屏蔽门系统和闭式系统。屏蔽门系统的车站空调不需要承担区间冷负荷,空调负荷较小；闭式系统的车站空调系统需要同时承担车站和区间的冷负荷,空调负荷较大。但是就运行模式而言,两种系统运行起来都要经过空调季节和非空调季节,而空调季节的长短是由地区的气候特点决定的。什么系统最节能,应进行全年能耗综合分析。如何选择一种既适合城市地区气候特点,又经济节能的通风空调系统,是本文将要论述的重点。

本文将结合上海市轨道交通M7线肇嘉浜路站通风空调的设计实例,综合比较屏蔽门系统和闭式系统的能耗和优缺点,证明上海M7线采用屏蔽门系统是一种合理且节能的空调系统形式。并在此基础上进一步总结屏蔽门系统的适用性。

2 上海M7线空调系统选择的背景资料

2.1 上海地区的气候特点

上海市位于东经120°51′～122°12′,北纬30°40′～31°53′,处于太平洋西岸,亚洲大陆东沿,属亚热带海洋性季风气候。主要气候特征是：冬冷夏热,温和湿润,四季分明。

表1为上海与国内一些已有地铁运营城市的气候特征比较,由此可以总结出上海地区气候的几个特点。

(1)全年平均温度适中

上海地区的全年平均温度为16.1 ℃,温度适中。

(2)全年气温变化幅度较大

从表1可以看出,上海市一月份的平均气温为4.2 ℃,而七、八月份的平均气温则达到27.8 ℃,变化幅度为23.6 ℃。

(3)夏季炎热且延续时间较长

据统计,上海市超过35 ℃的高温天数达10 d左右,较为炎热。由表1可见,上海市的夏季为5月至9月,空调季节长达5个月。气温最高的是七、八两月,其最热月平均温度达27.8 ℃,高于25 ℃。

表1 国内一些城市月份温、湿度比较

2.2 上海M7线的运力分析

上海市轨道交通M7线采用A型车,列车编组辆数初、近、远期均为6节编组,远期高峰小时列车对数为30对。

根据《地铁设计规范》(GB50157—2003)第12.1.5条的规定：夏季当地最热月平均温度超过25 ℃,且地下铁道高峰时间内每小时行车对数和每列车车辆数乘积大于180时,可采用空调系统。对比以上设置空调系统的条件,上海市轨道交通M7线工程应采用空调系统。

3 上海M7线空调系统形式的选择

3.1 空调系统形式的分类

如上,上海地铁M7线地下车站应采用空调系统,那么地下车站的通风空调系统可以在屏蔽门系统和闭式系统之间选择。

由于车站公共区空调负荷是能耗分析的基础,将从车站公共区空调冷负荷计算入手,分析比较两种系统的能耗。

3.2 车站公共区空调冷负荷分析

对于设置屏蔽门的地铁车站,车站公共区空调系统需负担的负荷只是车站内的负荷,包括：人体散热负荷、设备散热负荷、照明散热负荷、出入口负荷、空调新风负荷、屏蔽门负荷。

对于闭式系统(站台不设置屏蔽门)的地铁车站,车站公共区空调系统需负担的负荷为：人体散热负荷、设备散热负荷、照明散热负荷、出入口负荷、空调新风负荷、列车运行产热、接触网散热负荷。

屏蔽门系统和闭式系统都要计算的负荷为：人体散热负荷、设备散热负荷、照明散热负荷、出入口负荷、空调新风负荷等。由于安装屏蔽门后,将车站与隧道分隔开来,车站不受区间隧道行车时活塞风的影响,故屏蔽门系统的车站空调不需要承担区间冷负荷,所以无需计算列车运行产热,也无需计算区间隧道照明的那部分负荷,只需计算屏蔽门负荷；而闭式系统无需计算屏蔽门产生的那部分负荷,但要计算列车运行产热、接触网散热负荷和人体在列车内的散热。

下面,将以上海M7线肇嘉浜路站为例,用数值来比较两种空调系统形式的能耗。

3.3 肇嘉浜路站公共区空调系统的负荷计算结果比较(表2)

表2 肇嘉浜路站两种系统的负荷计算结果 kW

3.4 负荷计算结果分析

由表2可知,屏蔽门系统的车站空调负荷比闭式系统的小很多,仅为闭式系统的34%. 两种系统根据负荷计算结果所选的主要设备及功率见表3和表4。

表3 屏蔽门系统主要设备

表4 闭式系统主要设备

通过表2～表4,可以得出以下结论。

(1)列车运行产热是地铁得热的主要来源,约占地铁得热的50%左右。由于屏蔽门系统无需计算此项,其车站空调负荷大为减小,所选设备的规格及耗电量也相应减小。

(2)由于屏蔽门系统车站冷负荷小,一个车站通常只需设置2台组合空调机组和2台回排风机就可以满足要求,可大大减小空调系统的初投资。

(3)屏蔽门系统车站的设备尺寸和数量的减小,还可以减少站内空调机房的面积,从而节省土建投资,系统设备的设备费也会有所下降。

(4)同时使用时的最大功率,屏蔽门系统仅为闭式系统的63%,比闭式系统节能37%,大大减小了用电容量。

4 两种系统形式的比选

对屏蔽门系统和闭式系统进行技术经济比较。主要从系统功能、系统运行模式、系统运行全年综合能耗及维修费用、设备初投资、土建造价几个方面进行综合比选。

4.1 系统功能

采用这两种通风空调系统都能够实现系统的全部功能要求,但由于系统设置的不同,在功能实现效果方面会有所差别。屏蔽门系统在车站公共区的舒适性上和乘客安全上具有优势；而在区间通风方面,闭式系统可以在夏季利用车站冷气流冷却区间,区间通风效果好。

4.2 运行模式

根据表1比较上海各月份平均温度变化可知,上海的空调季节约为5个月左右,其中,小新风空调运行约3个半月,全新风空调运行约为1个半月；通风运行约7个月,其中过渡季约5个月,冬季约2个月。地铁的正常运行时间为5点至23点。

下面,对两种系统的公共区和区间隧道通风系统进行比较。

屏蔽门系统的运营,在3个半月的小新风空调季节和1个半月的全新风空调季节，车站内采用组合式空气处理机送风、回排风机回风的通风方式。区间隧道采用活塞通风,列车车站停车段采用排热风机排风,活塞风道自然进风的通风方式；在5个月的过渡季和2个月的冬季，车站内采用空调机组的风机送风、回排风机排风的通风方式。区间隧道采用活塞通风,列车车站停车段采用排热风机排风,活塞风道自然进风的通风方式。运行初期隧道内的壁面温度较低,无需夜间通风即可满足要求,但在远期则应采用夜间通风方式。冬季利用风阀调节风量以满足温度要求。

闭式系统的运营,在3个半月的小新风空调季节和1个半月的全新风空调季节,车站采用组合式空调机组和回排风机送风、回风的通风方式。区间隧道采用闭式运行方式,开启迂回风道,依靠列车运行从车站携带冷风降温；在5个月的过渡季,车站采用组合式空调机组送风、回排风机排风的通风方式,在室外温度较低时,采用机械排风、自然进风的通风方式。区间隧道采用开式通风方式,关闭迂回风道；在2个月的冬季,早上5：00～6：00采用闭式运行,其余时段采用与过渡季相同的通风方式。

4.3 运行全年综合能耗及维修费用

按照以上通风空调系统运行方式,可以得出各系统全年运行电耗,详见表5。从表5可以看出,采用屏蔽门系统比闭式系统全年可节电169 830 kWh,约占闭式系统全年电耗的11.5%左右,折合人民币约8.5万元。

在维修费用方面,对于屏蔽门的日常维护和维修情况,每个车站应该可以控制在6.25万元/年以内。如果闭式系统安装了安全门,那么可以认为屏蔽门和安全门的维修费用相当。

表5 肇嘉浜路站全年运行耗电费用比较

4.4 设备初投资

根据表2的计算结果,上海市轨道交通M7线肇嘉浜路站屏蔽门系统的冷负荷为697.7 kW,闭式系统的冷负荷为2 074.3 kW。以此为基数估算系统设备初投资。

经调查,目前每站的屏蔽门所需费用约为520万元；若闭式系统采用安装安全门的形式,安全门的造价约为屏蔽门的70%左右,每站安装安全门所需的费用约为364万元。

屏蔽门系统设备容量的下降可以降低供电设备的初期投资,采用屏蔽门系统比闭式系统每座地下站可以降低用电容量约600 kW以上。

系统设备投资比较见表6。

4.5 土建造价

上海市轨道交通M7线肇嘉浜路站施工方法为明挖法,明挖车站的综合造价约为7 500元/m2；盾构区间为7万元/延长米。以上比较按屏蔽门系统设置活塞风道,闭式系统未设置活塞风道考虑。

通风空调设备占用土建面积和土建造价比较见表7。

4.6 综合比较分析

通过对两种系统的运行费用比较,由表5可知,由于上海地区空调季节时间较长,空调季屏蔽门系统可比闭式系统节能32%。因此,在空调季运行期间,屏蔽门系统对节省能耗是非常有利的。虽然非空调季节的通风运行期间,屏蔽门系统的耗能比闭式系统的大,但只多16%。综合全年能耗,屏蔽门系统比闭式系统节能12%。

表7 肇嘉浜路站通风空调机房面积和土建造价比较

同时,由表2可知,屏蔽门系统车站空调负荷仅为闭式系统的1/3左右。而由表6可知，屏蔽门系统设备的初投资比闭式系统节省1.5%,由表7可知，屏蔽门系统的土建费用比闭式系统节省15%。综上所述,无论是设备初投资,还是土建费用,屏蔽门系统都比闭式系统小,为最优方案。因此,可以认为上海地铁M7线采用屏蔽门系统是合理的。

5 结论及建议

(1)上海市轨道交通M7线肇嘉浜路车站采用屏蔽门系统是合理可行的、节能的。

(2)一种通风空调系统形式是否节能不能一概而论,而是应看应用在哪个地区、哪条线路上。不同地区的气候特点不同,空调期的长短不同,运行模式也不同,相应的能耗也会相差很多。屏蔽门系统适用于空调季时间长,过渡季、冬季(即通风季节)时间较短的地区；而闭式系统适用于空调季时间较短,过渡季、冬季时间较长的地区。通风空调系统形式的确定,应进行全年能耗综合性分析。

(3)既然闭式系统在空调季节运行时耗能大,而屏蔽门系统通风季节运行时耗能大,建议研究制造一种新型的门。这种门,空调季节时起屏蔽门的作用,通风季节能打开足够的通风百叶窗,增加活塞风的作用。这样,取这两种制式的优点,达到全年节能运行的目的。

[1] 施仲衡,等.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社,2006.

[2] 北京城建设计研究总院.GB 50157—2003 地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003：50-55.

[3] 中华人民共和国建设部.GB50019—2003 采暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003.

[4] 中华人民共和国建设部.GB50189—2005 公共建筑节能设计标准[S].北京：中国计划出版社，2005.

[5] 北京城建设设计研究总院.DGJ08—109—2004 城市轨道交通设计规范[S].北京：中国计划出版社，2004.

[6] 刘 江.地铁平行换乘车站通风空调系统设计探讨[J].铁道标准设计，2008(S)：37-41.