端进式车站的通风空调及防排烟系统方案研究

2010-06-11于秋燕

城市轨道交通研究 2010年9期

于秋燕

(北京市市政工程设计研究总院,100082,北京∥工程师)

1 研究背景及意义

地铁一般深处地下,是一个由多个车站通过隧道连接成的相对封闭空间,因此必须合理设计暖通系统方案,为乘客提供适宜的环境,并在紧急情况下保证乘客的安全。但是,现在的地下车站设置环境条件常常很不利,不能按常规暖通系统方案设计。其中,端进式车站出现的概率比较高,设计难度较大,需要针对具体的土建、规划条件,认真研究、分析车站的通风空调及防排烟系统设计特点和难点,在现有的条件下,设计出更合理、更安全、更简洁、更经济节能的暖通系统方案。方案分析方法如下所述:

①结合正在承担的端进式车站——亦庄火车站的暖通系统设计任务,针对本站现有条件、土建设计方案及规划条件,并分析亦庄线暖通专业总体提供的标准暖通系统布置方案,研究制定本站的暖通系统设计方案。

②制定初步的暖通系统布置方案,从而进一步通过研究车站相邻区间隧道通风、公共区暖通系统、设备管理用房区暖通系统方案,设计两个可选的方案。

③采用两个暖通系统方案分析比较,并与综合技术比较相结合,对两种可行的设计方案进行比较,依据亦庄火车站的实际情况,选出适合该站的较优方案。

2 端进式地下车站通风空调系统方案研究

2.1 端进式地下车站暖通系统方案研究方法

亦庄线暖通系统是传统闭式系统,站台设置2.55 m的全高安全门。笔者从该项目的总体设计方案——初步设计——施工图设计的整个过程中比选方案、研究计算,并确定方案,并且最终在暖通方案评审中得到专家的认同;然后进一步在施工图设计阶段,深化研究暖通设备初投资、安全可靠性及控制难易程度等因素,对两种可行的设计方案进行综合比较,确定该站的设计方案。

2.2 端进式地下车站暖通系统设计方案研究

2.2.1 工程概况

亦庄火车站是线路终点站,线路在此与京津城际铁路亦庄站和规划S6线亦庄站换乘;站位呈东北——西南斜向设置,站前设单渡线,站后设交叉渡线。车站中间为单层,单层矩形预埋段(20.1 m×52.2 m)已经施工完毕;两端为双层的端头厅车站,11 m岛式站台[1]。车站总长320.3 m,标准段宽19.7 m,总建筑面积15 466 m2。

2.2.2 建立端进式车站的初步暖通系统布置方案

为了确定较优的暖通系统方案,针对亦庄火车站的现况特点进行工程难点分析如下:

1)车站为端进式车站,左、右站厅不连通。车站为地下两层岛式车站,站厅中间是断开的,站台层中间是预留预埋段,两端是地下两层,中间段为地下一层,左、右站厅不连通。

2)车站站厅层左端宽度上18.35 m完全打开。由于车站站厅左侧为了和亦庄火车站—次渠站区间以及次渠站做到规划要求的“两站一街”方案,左端在宽度方向完全和区间打通。这就导致常规设置在站端的由站厅引到站台层公共区的2根送风管、2根列车顶部排风兼排烟风管、2根站台板下排热风管很难布设。

3)端进式车站中段站台层单层段为预留段,轨顶标高不能降。由于车站中段站台层单层段为预留段,轨顶标高不能降,且覆土很浅(只有900 mm),一些管线密集区空间上下都无法增加层高,势必为车站内部管线综合带来很不利的影响。

分析完车站的工程实际情况和难点,再来研究暖通总体提供的地下车站暖通风系统标准布置图。原则上大系统通风空调系统单端送、排风。总体方案考虑的是地下车站空间有限,管线综合很难做到合理地安装和维检修条件,大、小系统两端分开设置,避免大、小系统风管交叉。但是,此站是端进式车站,左、右站厅不连通,单端送、排风方案不可行;且整个车站200多m长,单端大系统送风管和排风兼排烟风管布线太长,末端气流组织较差。为保证末端风口有最低限的风速,送、排风管只能尽量少变径,且风速较高,接近9 m/s。风系统阻力增大,从而配套的风机压头增大使投资增大,运营费增加。

因此,亦庄火车站不能采用总体制定的标准暖通系统方案,应采用两端送风、排风兼排烟的暖通系统方案。

2.2.3 可选方案

地铁暖通系统设计,决定着车站规模、通风空调设备、运行成本、安全可靠性和控制效果,其系统方案的选择十分重要。为得出较优暖通系统方案,通过分析、对比车站相邻区间隧道通风,以及大、小系统暖通方案与暖通系统控制等几方面情况,设计两个可选的方案。

1)方案1:车站大系统与区间隧道的通风空调系统分开独立设置。该方案车站大系统、小系统及区间隧道的通风空调系统分开独立设置,结合建筑布置特点,灵活设计暖通系统。其通风空调系统原理图见图1。

图1 亦庄火车站方案1通风空调系统原理图

由于常规的暖通系统布置模式都不合适,针对本站的实际土建特点及规划要求,对暖通系统仔细研究和分析,确定布置方案:整个车站设置3组风亭;车站站厅层左、右端分别设置一套为区间服务的隧道通风系统,满足区间正常通风、夜间通风、事故通风的需要。

全站设有4个暖通专业机房:1号小系统通风空调机房,位于左端站厅层外挂的设备管理用房区的左侧;2号大系统通风空调机房,位于左端站厅层右侧外挂部分;3号大、小系统通风空调机房,位于右端站厅层右侧;4号小系统通风空调机房+冷冻机房,设置于站台层外挂的设备管理用房区的左侧。外挂设备管理用房区,巧妙设置送、排风室,可以节省空间,简化管线。

亦庄火车站方案1公共区暖通系统主要设备和区间隧道主要设备完全独立设置。其主要设备参数见表1。

表1 亦庄火车站大系统及区间隧道暖通主要设备表(方案1)

暖通系统设备选型之后,方案的优劣主要研究各设备在区间隧道各种工况(火灾通风、阻塞通风、夜间通风)和车站公共区各种工况(正常通风左端站厅火灾、右端站厅火灾、站台火灾)的运行情况,具体内容见表2。

表2 亦庄火车站大系统及区间隧道全年暖通系统操作控制表(方案1)

2)方案2:车站及区间隧道通风空调系统兼用方案。该方案车站大系统和区间隧道通风系统联合设置。其通风空调系统原理图见图2。

方案2公共区暖通系统的排风兼排烟风机和区间隧道风机兼用,其主要设备参数见表3。

方案2的暖通系统方案运行情况见表4。

3 暖通系统方案综合比较

研究分析多方面因素,对亦庄火车站的两个暖通系统方案进行综合比较(仅比较车站公共区和区间暖通系统设备)。

3.1 运行耗电费用比较表

亦庄火车站暖通空调系统方案1的回、排风机总功率约60 kW,方案2的回、排风机总功率约80 kW。方案1的组合式空调机组总功率约72 kW,方案2的组合式空调机组总功率约86 kW。制冷系统最大耗电功率约420 kW,闭式系统全日平均空调冷负荷一般约为高峰负荷的一半,所以制冷系统耗电功率可按210 kW计算。

图2 亦庄火车站方案2通风空调系统原理图

表3 亦庄火车站大系统及区间隧道暖通系统主要设备表(方案2)

表4 车站大系统及区间隧道全年暖通系统操作控制表(方案2)

北京地铁空调季节约有4个月(6—9月,共122天),按照每天运行18 h计算,则方案1空调季节总耗电为751 032 kW·h;方案2空调季节总耗电为825 696 kW·h。

北京地铁通风季节约有5个月(3—5月,10—11月,共153天)。通风季节采取间歇式通风,可以按照70%的运行时间核算耗电功率,因此方案1通风季节总耗电为254 470 kW·h,方案2通风季节总耗电为320 015 kW·h。12月到次年2月为冬季运行,通风空调设备停止运行,依靠列车的活塞作用通过出入口通风换气。

方案1全年运行耗电总计约1 005 502 kW·h,方案2全年运行耗电总计约1 145 711 kW·h。

按照远期通风空调负荷进行比较,仅比较区间和公共区暖通空调系统耗电。其中工业电价按最新的0.87元/kW·h计算。运行耗电费用比较见表5。

表5 方案1、2运行耗电费用比较表

从分析中可看出,方案1的年运行费用低于方案2。虽然方案1的土建费用略高于方案2,但是按地下车站的土建使用年限100年进行折算,再综合设备运行费用,还是方案1更经济、节能。方案1还有一个明显的优势,就是区间通风系统、车站公共区暖通系统和设备管理用房区通风系统基本完全独立。虽然地下车站区间隧道和大系统暖通系统由中央级控制、车站级控制和就地级控制三级组成[2],小系统暖通系统由车站级控制和就地级控制两级组成,但是系统划分明确,各个工况都能保证较好的实现,且控制简便,可操作性强。

3.2 系统功能比较

地下车站公共区暖通空调系统和区间通风系统需要实现以下几种功能:车站公共区通风空调,车站公共区火灾排烟,区间通风,区间阻塞通风,区间火灾防排烟等。两个方案各种功能的实现分析见表6。

表6 暖通系统功能比较表

从表6中可以分析出:方案1的综合暖通系统功能较优一些。

3.3 整体优化

在为亦庄火车站设计经济且运行功能好的暖通系统方案的同时,还应从全局出发,做到项目总体效果的利益最大化。由于亦庄火车站、次渠站以及两站之间的区间属于亦庄经济开发区的“两站一街”规划,站厅层左端是完全打开的,这样方案2就会在左侧打开的宽度上最少设置2根为站台层站台板下排热风系统服务的1 500 mm×1 200 mm(宽×高)排风管(如同在左侧站厅和开敞街道之间的2根大柱子),宽度上也只能打开原宽度的2/3,建筑、疏散效果都不好。

另一方面,由于是端进式车站,左侧站厅公共区右端是客流不经过的区域,因此可把2号大系统通风空调机房设在这个位置的上方,把为站台层服务的2根1 800 mm×800 mm的送风管、2根2 000 mm×1 000 mm的列车顶部排风兼排烟风管、1根2 000 mm×1 600 mm的列车下部排热风管所形成的5根大柱子巧妙地设置在这个“无人区”。

同时,地下车站内部管线涉及17个专业,地下车站空间很宝贵、很有限,而方案1机房灵活布置,为车站内部管线的良好实现创造较好的空间条件。