杨志团

(兰州市轨道交通有限公司，730030，兰州//教授级高级工程师)

兰州作为西部区域发展的重要引擎以及全国9大综合性交通枢纽城市之一［1］，已适时启动了城市轨道交通项目的规划与建设工作。根据兰州中心城区规划形成“一河两岸三心七组团”的多中心组团型城市空间结构，目前兰州轨道交通规划有3 条中心城区线路和2 条外围市域线，规划线路总长度约228 km。近期建设中心城区骨干线路1、2号线一期工程约36 km 的地下线路，以缓解主城区内交通出行压力［2-3］。

地铁通风与空调系统的主要功能是保证地铁内部环境的空气质量、温度、湿度、气流组织、气流速度、噪声等均能满足人员的生理及心理条件要求和设备正常运转的需要［4］。它是保障地铁运营的重要系统之一，且直接影响着地铁工程土建规模及长期运营费用，合适的系统类型不仅要满足设计远期运营环境要求，还需实现“安全、可靠、经济、适用”的目标。虽然兰州市首次建设轨道交通，但仍应从整个轨道交通线网考虑，研究确定适合整个线网的通风空调系统类型和标准原则。这直接决定着兰州轨道交通通风空调系统设计水平和系统的先进性。

1 兰州轨道交通工程项目

1.1 工程特点

至2020年，兰州已规划有6 条轨道交通线路，近期建设的1、2号线一期工程约36 km，共设29 座车站，且全部为地下线路。目前正在实施建设的1号线一期工程全长约26.6 km，设车站20 座，预计远期全日客流量为116.7 万人次，远期高峰小时断面客流约4.5 万人次/h，设计速度80 km/h，列车采用4 动2 拖6 节编组(A 型车)，远期高峰开行为28对/h［5］。因此，兰州轨道交通工程具有大客流、高密度的运营特点。

1.2 气候条件及气象参数分析

兰州市位于东经 103°53'、北纬 36°3'，地处黄河上游，平均海拔高度1 500 m，常年大气压为84 820 Pa，属中温带大陆性气候，降水少，日照多，气候干燥。兰州市区南北群山环抱，东西黄河穿城而过，具有带状盆地城市的特征。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》［6］的气象数据，对兰州市近20年气象数据进行整理、分析得出:兰州市最高月平均温度为22.4 ℃，全年平均温度为10.2 ℃左右。统计得出:兰州市全年日平均气温超过30 ℃天数约有80 d、低于0 ℃天数约有140 d，全年空气含湿量大于12 g/kg(干空气)的时间仅有约670 h。另外，兰州冬季寒冷，采暖室外计算温度为-9.0 ℃，采暖天数约 160 d［7］。由此可见，兰州市具有全年平均气温低、年气温变化幅度大、空气相对湿度低、夏季炎热干燥、冬季寒冷的气候特点。

2 常见地铁通风空调系统类型

2.1 通风系统

通风系统主要利用机械或列车的活塞效应，通过风亭和出入口使地下空间与外界通风换气并冷却区间隧道和车站公共区。其一般采用开、闭式运行相结合的运行模式。当外界气温低于隧道内空气温度时，采用开式运行;当外界气温高于隧道内温度时，采用闭式运行。地铁车站公共区采用闭式运行时停止机械送、排风，只开启车站小新风机对车站公共区进行送风，以满足乘客的最小新风要求。其特点是系统简单、设备配置较少、工程造价较低，但地下空间空气环境质量及温度、湿度相对于其他系统(闭式系统、屏蔽门系统)较难控制，因此多用于当地年平均气温及最热月平均温度低且全年空调季节短、地铁运量小的工程项目。目前大连地铁1、2号线及哈尔滨地铁1号线采用了通风系统。

2.2 闭式空调系统

闭式空调系统是指地铁内部基本与外界大气隔绝，仅供给满足乘客所需的新鲜空气量，地铁车站采用空调通风，区间隧道依靠列车运行的活塞效应携带一部分车站空调冷风实现降温。其通常采用开、闭式运行相结合的运行模式。闭式运行时，利用列车活塞效应将车站空调冷风带入区间冷却隧道;开式运行时，利用列车的活塞效应，通过风亭和出入口使地下空间与外界通风换气。闭式空调系统通常用于当地年平均气温及最热月平均温度较高且运量大的地铁项目。目前北京地铁、青岛地铁M3 线及南京地铁1、2号线采用了闭式空调系统。

2.3 屏蔽门系统

屏蔽门系统利用站台边缘设置的屏蔽门隔断区间隧道和车站公共区，区间隧道利用列车的活塞效应，通过风亭使地下空间与外界通风换气;车站采用制冷空调通风，以保证内部环境温、湿度要求。屏蔽门系统多用于当地最热月的平均温度高、全年空调季节长且客流运量大的地铁工程。目前广州、上海、杭州、成都、重庆、深圳、天津、西安等地铁均采用屏蔽门通风空调系统。

3 兰州轨道交通通风空调系统类型

3.1 通风空调系统类型选择

目前国内地铁车站公共区域空调降温的设置温度为28～30 ℃，波动范围约 ±1 ℃，湿度为40%～65%［8］。兰州市全年最热的6、7、8月的平均气温均在22 ℃，年平均温度为10.2 ℃，最高月平均温度为22.4 ℃，且全年日平均气温超过30 ℃的天数约有80 d，因此兰州市轨道交通在气温条件方面不满足设置空调系统的要求。另外，1号线列车采用6 节编组(A 型车)，而远期高峰开行对数仅为28 对/h，故1号线在运行密度、客运输送能力方面也达不到设置空调系统的需要。

兰州市冬季最冷月的平均温度为-5.5℃，全年日平均气温低于0℃的天数约为140 d。冬季寒冷漫长的气候特点，有利于利用地铁围护结构及周围土壤的热壑效应对温度进行调节，通过冬季的有效通风消除夏季地铁内部累积的余热和余湿。而地铁工程设置空调系统需要庞大的设备和机房，运行时又需耗费大量的电能，从降低地铁造价、节省能源的前提出发，只有在通风系统达不到地铁内部空气环境规定的标准时方可采用空调系统。因此，无论是从气温条件还是1号线的运行能力，以及从降低工程造价和长期节能运营的角度考虑，兰州市轨道交通均不符合设置空调系统的标准，仅采用通风系统即可满足实际需要。

3.2 直接蒸发冷却通风降温

传统的机械通风系统是指在地铁车站通风风道内仅设置通风机，由通风机直接将室外空气送入地铁车站内部进行通风换气，并将站内余热直接排出室外。采用传统机械通风系统虽然比空调系统节约了长期运行能耗，但存在地下空间空气温、湿度难以控制，环境舒适性差的问题。

图1 直接蒸发冷却原理图

直接蒸发冷却技术是指被处理空气与雾化的水直接接触进行热湿交换蒸发吸热而冷却空气的方式［9］。直接蒸发冷却原理图如图1所示。其变化过程(①→③)可近似为等焓降温的空气处理过程，在变化过程中空气含湿量增加，温度下降到达湿球温度③点为止。因此，对于干湿球温度差越大、空气越干燥的地区，其蒸发冷却效果越好。直接蒸发冷却是由水的蒸发而提供冷量，可直接补充水分来维持蒸发过程的进行，而不必将蒸发后的水蒸气经压缩冷凝回到液态水后再蒸发，因此能效比(COP)很高(约为机械制冷的2.5～5.0 倍)，可大大节省运行能耗［10-11］。

结合兰州夏季降水少、蒸发大、空气干燥的气候资源优势(年平均降水量约287.6 mm，蒸发量约1 446.4 mm;夏季(6—8月)的月平均相对湿度在52.0%～61.2%之间，含湿量在7.3～11.6g/kg(干空气)之间;全年空气含湿量大于12 g/kg(干空气)的时间仅有约670 h)，在传统机械通风系统的基础上采用直接蒸发冷却技术，形成的直接蒸发冷却地铁通风降温系统对环境舒适度有很好的改善作用，在技术上是可行的［1，2，］。与传统机械通风系统相比，其优势在于:可根据运行模式控制送风状态点温湿度，送风温度比机械通风温度低，舒适性更好，能保证空气环境质量，可明显提高空气品质及环境舒适性;采用蒸发冷却技术后，通风温差增大，车站通风所需通风量大大降低，减小了设备配置容量及管道材料工程量，并可节省土建规模及占地面积。

以兰州轨道交通1号线工程为例，对直接蒸发冷却通风降温系统和传统机械通风系统的初期投资、运行能耗进行分析比较，如表1所示。

由表1 可知，虽然直接蒸发冷却通风降温系统的初期投资比传统机械通风系统高1.3%，但年用电量比传统机械通风系统节省35.2 万kWh(节电率约30%)，年运营维护综合费用比传统机械通风系统低约20%，蒸发冷却耗水量费用仅为节电费用的7%左右，因此，长期节能效果十分明显，且舒适性比传统机械通风系统好，具有较明显的节电节能优势和经济效益［13-14］。

表1 兰州轨道交通1号线两种不同类型通风系统的初投资及运行能耗比较表

4 结语

地铁通风空调系统不仅是保障地铁工程运营的重要系统，也是地铁的主要耗能大户，如能充分利用当地气候资源优势，合理选用适合的通风空调系统类型，不但可保证舒适性，还能降低系统耗能。考虑到兰州市的气候特点，兰州轨道交通通风空调系统采用直接蒸发冷却通风降温，既可保证地下空间环境温湿度的要求，同时运营能耗还可节约20%。

［1］中国城市规划研究院.兰州市城市总体规划纲要(2010—2020年)［R］.北京:中国城市规划研究院，2010.

［2］中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰州市城市轨道交通线网规划［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2010.

［3］中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰州市城市轨道交通建设规划(2011—2020年)［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011.

［4］GB 50157 ―2003 地铁设计规范［S］.

［5］中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰州市城市轨道交通1号线一期工程(陈官营—东岗段)可行性研究报告［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

［6］中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［7］GB 50736—2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.

［8］乔小博.直接蒸发冷却通风降温在地铁高架车站的应用［J］.铁道标准设计，2011(9):116.

［9］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.2 版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［10］黄翔，刘鸣，于向阳.我国新疆地区蒸发冷却技术应用现状分析［J］.制冷与空调，2001(6):33.

［11］黄翔，武俊梅.两种适合西北地区气象条件的新型空调的设备的开发［J］.西安制冷，1999(1):26.

［12］中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰州市城市轨道交通1号线(陈官营—东岗段)工程通风、空调与采暖系统专题研究报告［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

［13］乔小博.直接蒸发冷却地铁通风降温系统设计探讨［J］.暖通空调，2012(2):86.

［14］中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰州市城市轨道交通1号线(陈官营—东岗段)工程节能评估报告［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013.