上海地鐵M7線車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的比選分析

褚海容

(北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司,北京 100037)

1 概述

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地鐵內(nèi)非常重要的設(shè)備系統(tǒng)之一,承擔(dān)保證乘客相對舒適的環(huán)境條件；保證車站、區(qū)間和列車設(shè)備正常運轉(zhuǎn)所需的環(huán)境條件；保證在列車區(qū)間阻塞條件下列車空調(diào)正常運轉(zhuǎn)；保證在車站、區(qū)間火災(zāi)條件下迅速排煙等重要的任務(wù)。而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)又是地鐵內(nèi)的耗電大戶,其運行能耗問題也日益突出。因此,減少地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗,具有重要意義。對一個城市而言,確定合理可行而又節(jié)能的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模式是非常重要的。

目前,采用空調(diào)系統(tǒng)的國內(nèi)地鐵項目,按照站臺邊緣是否設(shè)置屏蔽門,可以劃分為兩種系統(tǒng)形式：屏蔽門系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。屏蔽門系統(tǒng)的車站空調(diào)不需要承擔(dān)區(qū)間冷負(fù)荷,空調(diào)負(fù)荷較??；閉式系統(tǒng)的車站空調(diào)系統(tǒng)需要同時承擔(dān)車站和區(qū)間的冷負(fù)荷,空調(diào)負(fù)荷較大。但是就運行模式而言,兩種系統(tǒng)運行起來都要經(jīng)過空調(diào)季節(jié)和非空調(diào)季節(jié),而空調(diào)季節(jié)的長短是由地區(qū)的氣候特點決定的。什么系統(tǒng)最節(jié)能,應(yīng)進行全年能耗綜合分析。如何選擇一種既適合城市地區(qū)氣候特點,又經(jīng)濟節(jié)能的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),是本文將要論述的重點。

本文將結(jié)合上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計實例,綜合比較屏蔽門系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的能耗和優(yōu)缺點,證明上海M7線采用屏蔽門系統(tǒng)是一種合理且節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)形式。并在此基礎(chǔ)上進一步總結(jié)屏蔽門系統(tǒng)的適用性。

2 上海M7線空調(diào)系統(tǒng)選擇的背景資料

2.1 上海地區(qū)的氣候特點

上海市位于東經(jīng)120°51′～122°12′,北緯30°40′～31°53′,處于太平洋西岸,亞洲大陸東沿,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。主要氣候特征是：冬冷夏熱,溫和濕潤,四季分明。

表1為上海與國內(nèi)一些已有地鐵運營城市的氣候特征比較,由此可以總結(jié)出上海地區(qū)氣候的幾個特點。

(1)全年平均溫度適中

上海地區(qū)的全年平均溫度為16.1 ℃,溫度適中。

(2)全年氣溫變化幅度較大

從表1可以看出,上海市一月份的平均氣溫為4.2 ℃,而七、八月份的平均氣溫則達到27.8 ℃,變化幅度為23.6 ℃。

(3)夏季炎熱且延續(xù)時間較長

據(jù)統(tǒng)計,上海市超過35 ℃的高溫天數(shù)達10 d左右,較為炎熱。由表1可見,上海市的夏季為5月至9月,空調(diào)季節(jié)長達5個月。氣溫最高的是七、八兩月,其最熱月平均溫度達27.8 ℃,高于25 ℃。

表1 國內(nèi)一些城市月份溫、濕度比較

2.2 上海M7線的運力分析

上海市軌道交通M7線采用A型車,列車編組輛數(shù)初、近、遠期均為6節(jié)編組,遠期高峰小時列車對數(shù)為30對。

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)第12.1.5條的規(guī)定：夏季當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鶞囟瘸^25 ℃,且地下鐵道高峰時間內(nèi)每小時行車對數(shù)和每列車車輛數(shù)乘積大于180時,可采用空調(diào)系統(tǒng)。對比以上設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的條件,上海市軌道交通M7線工程應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng)。

3 上海M7線空調(diào)系統(tǒng)形式的選擇

3.1 空調(diào)系統(tǒng)形式的分類

如上,上海地鐵M7線地下車站應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng),那么地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可以在屏蔽門系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)之間選擇。

由于車站公共區(qū)空調(diào)負(fù)荷是能耗分析的基礎(chǔ),將從車站公共區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷計算入手,分析比較兩種系統(tǒng)的能耗。

3.2 車站公共區(qū)空調(diào)冷負(fù)荷分析

對于設(shè)置屏蔽門的地鐵車站,車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)需負(fù)擔(dān)的負(fù)荷只是車站內(nèi)的負(fù)荷,包括：人體散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、照明散熱負(fù)荷、出入口負(fù)荷、空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷、屏蔽門負(fù)荷。

對于閉式系統(tǒng)(站臺不設(shè)置屏蔽門)的地鐵車站,車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)需負(fù)擔(dān)的負(fù)荷為：人體散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、照明散熱負(fù)荷、出入口負(fù)荷、空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷、列車運行產(chǎn)熱、接觸網(wǎng)散熱負(fù)荷。

屏蔽門系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)都要計算的負(fù)荷為：人體散熱負(fù)荷、設(shè)備散熱負(fù)荷、照明散熱負(fù)荷、出入口負(fù)荷、空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷等。由于安裝屏蔽門后,將車站與隧道分隔開來,車站不受區(qū)間隧道行車時活塞風(fēng)的影響,故屏蔽門系統(tǒng)的車站空調(diào)不需要承擔(dān)區(qū)間冷負(fù)荷,所以無需計算列車運行產(chǎn)熱,也無需計算區(qū)間隧道照明的那部分負(fù)荷,只需計算屏蔽門負(fù)荷；而閉式系統(tǒng)無需計算屏蔽門產(chǎn)生的那部分負(fù)荷,但要計算列車運行產(chǎn)熱、接觸網(wǎng)散熱負(fù)荷和人體在列車內(nèi)的散熱。

下面,將以上海M7線肇嘉浜路站為例,用數(shù)值來比較兩種空調(diào)系統(tǒng)形式的能耗。

3.3 肇嘉浜路站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計算結(jié)果比較(表2)

表2 肇嘉浜路站兩種系統(tǒng)的負(fù)荷計算結(jié)果 kW

3.4 負(fù)荷計算結(jié)果分析

由表2可知,屏蔽門系統(tǒng)的車站空調(diào)負(fù)荷比閉式系統(tǒng)的小很多,僅為閉式系統(tǒng)的34%. 兩種系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷計算結(jié)果所選的主要設(shè)備及功率見表3和表4。

表3 屏蔽門系統(tǒng)主要設(shè)備

表4 閉式系統(tǒng)主要設(shè)備

通過表2～表4,可以得出以下結(jié)論。

(1)列車運行產(chǎn)熱是地鐵得熱的主要來源,約占地鐵得熱的50%左右。由于屏蔽門系統(tǒng)無需計算此項,其車站空調(diào)負(fù)荷大為減小,所選設(shè)備的規(guī)格及耗電量也相應(yīng)減小。

(2)由于屏蔽門系統(tǒng)車站冷負(fù)荷小,一個車站通常只需設(shè)置2臺組合空調(diào)機組和2臺回排風(fēng)機就可以滿足要求,可大大減小空調(diào)系統(tǒng)的初投資。

(3)屏蔽門系統(tǒng)車站的設(shè)備尺寸和數(shù)量的減小,還可以減少站內(nèi)空調(diào)機房的面積,從而節(jié)省土建投資,系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)備費也會有所下降。

(4)同時使用時的最大功率,屏蔽門系統(tǒng)僅為閉式系統(tǒng)的63%,比閉式系統(tǒng)節(jié)能37%,大大減小了用電容量。

4 兩種系統(tǒng)形式的比選

對屏蔽門系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較。主要從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)運行模式、系統(tǒng)運行全年綜合能耗及維修費用、設(shè)備初投資、土建造價幾個方面進行綜合比選。

4.1 系統(tǒng)功能

采用這兩種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的全部功能要求,但由于系統(tǒng)設(shè)置的不同,在功能實現(xiàn)效果方面會有所差別。屏蔽門系統(tǒng)在車站公共區(qū)的舒適性上和乘客安全上具有優(yōu)勢；而在區(qū)間通風(fēng)方面,閉式系統(tǒng)可以在夏季利用車站冷氣流冷卻區(qū)間,區(qū)間通風(fēng)效果好。

4.2 運行模式

根據(jù)表1比較上海各月份平均溫度變化可知,上海的空調(diào)季節(jié)約為5個月左右,其中,小新風(fēng)空調(diào)運行約3個半月,全新風(fēng)空調(diào)運行約為1個半月；通風(fēng)運行約7個月,其中過渡季約5個月,冬季約2個月。地鐵的正常運行時間為5點至23點。

下面,對兩種系統(tǒng)的公共區(qū)和區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)進行比較。

屏蔽門系統(tǒng)的運營,在3個半月的小新風(fēng)空調(diào)季節(jié)和1個半月的全新風(fēng)空調(diào)季節(jié)，車站內(nèi)采用組合式空氣處理機送風(fēng)、回排風(fēng)機回風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用活塞通風(fēng),列車車站停車段采用排熱風(fēng)機排風(fēng),活塞風(fēng)道自然進風(fēng)的通風(fēng)方式；在5個月的過渡季和2個月的冬季，車站內(nèi)采用空調(diào)機組的風(fēng)機送風(fēng)、回排風(fēng)機排風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用活塞通風(fēng),列車車站停車段采用排熱風(fēng)機排風(fēng),活塞風(fēng)道自然進風(fēng)的通風(fēng)方式。運行初期隧道內(nèi)的壁面溫度較低,無需夜間通風(fēng)即可滿足要求,但在遠期則應(yīng)采用夜間通風(fēng)方式。冬季利用風(fēng)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量以滿足溫度要求。

閉式系統(tǒng)的運營,在3個半月的小新風(fēng)空調(diào)季節(jié)和1個半月的全新風(fēng)空調(diào)季節(jié),車站采用組合式空調(diào)機組和回排風(fēng)機送風(fēng)、回風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用閉式運行方式,開啟迂回風(fēng)道,依靠列車運行從車站攜帶冷風(fēng)降溫；在5個月的過渡季,車站采用組合式空調(diào)機組送風(fēng)、回排風(fēng)機排風(fēng)的通風(fēng)方式,在室外溫度較低時,采用機械排風(fēng)、自然進風(fēng)的通風(fēng)方式。區(qū)間隧道采用開式通風(fēng)方式,關(guān)閉迂回風(fēng)道；在2個月的冬季,早上5：00～6：00采用閉式運行,其余時段采用與過渡季相同的通風(fēng)方式。

4.3 運行全年綜合能耗及維修費用

按照以上通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行方式,可以得出各系統(tǒng)全年運行電耗,詳見表5。從表5可以看出,采用屏蔽門系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)全年可節(jié)電169 830 kWh,約占閉式系統(tǒng)全年電耗的11.5%左右,折合人民幣約8.5萬元。

在維修費用方面,對于屏蔽門的日常維護和維修情況,每個車站應(yīng)該可以控制在6.25萬元/年以內(nèi)。如果閉式系統(tǒng)安裝了安全門,那么可以認(rèn)為屏蔽門和安全門的維修費用相當(dāng)。

表5 肇嘉浜路站全年運行耗電費用比較

4.4 設(shè)備初投資

根據(jù)表2的計算結(jié)果,上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站屏蔽門系統(tǒng)的冷負(fù)荷為697.7 kW,閉式系統(tǒng)的冷負(fù)荷為2 074.3 kW。以此為基數(shù)估算系統(tǒng)設(shè)備初投資。

經(jīng)調(diào)查,目前每站的屏蔽門所需費用約為520萬元；若閉式系統(tǒng)采用安裝安全門的形式,安全門的造價約為屏蔽門的70%左右,每站安裝安全門所需的費用約為364萬元。

屏蔽門系統(tǒng)設(shè)備容量的下降可以降低供電設(shè)備的初期投資,采用屏蔽門系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)每座地下站可以降低用電容量約600 kW以上。

系統(tǒng)設(shè)備投資比較見表6。

4.5 土建造價

上海市軌道交通M7線肇嘉浜路站施工方法為明挖法,明挖車站的綜合造價約為7 500元/m2；盾構(gòu)區(qū)間為7萬元/延長米。以上比較按屏蔽門系統(tǒng)設(shè)置活塞風(fēng)道,閉式系統(tǒng)未設(shè)置活塞風(fēng)道考慮。

通風(fēng)空調(diào)設(shè)備占用土建面積和土建造價比較見表7。

4.6 綜合比較分析

通過對兩種系統(tǒng)的運行費用比較,由表5可知,由于上海地區(qū)空調(diào)季節(jié)時間較長,空調(diào)季屏蔽門系統(tǒng)可比閉式系統(tǒng)節(jié)能32%。因此,在空調(diào)季運行期間,屏蔽門系統(tǒng)對節(jié)省能耗是非常有利的。雖然非空調(diào)季節(jié)的通風(fēng)運行期間,屏蔽門系統(tǒng)的耗能比閉式系統(tǒng)的大,但只多16%。綜合全年能耗,屏蔽門系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)節(jié)能12%。

表7 肇嘉浜路站通風(fēng)空調(diào)機房面積和土建造價比較

同時,由表2可知,屏蔽門系統(tǒng)車站空調(diào)負(fù)荷僅為閉式系統(tǒng)的1/3左右。而由表6可知，屏蔽門系統(tǒng)設(shè)備的初投資比閉式系統(tǒng)節(jié)省1.5%,由表7可知，屏蔽門系統(tǒng)的土建費用比閉式系統(tǒng)節(jié)省15%。綜上所述,無論是設(shè)備初投資,還是土建費用,屏蔽門系統(tǒng)都比閉式系統(tǒng)小,為最優(yōu)方案。因此,可以認(rèn)為上海地鐵M7線采用屏蔽門系統(tǒng)是合理的。

5 結(jié)論及建議

(1)上海市軌道交通M7線肇嘉浜路車站采用屏蔽門系統(tǒng)是合理可行的、節(jié)能的。

(2)一種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式是否節(jié)能不能一概而論,而是應(yīng)看應(yīng)用在哪個地區(qū)、哪條線路上。不同地區(qū)的氣候特點不同,空調(diào)期的長短不同,運行模式也不同,相應(yīng)的能耗也會相差很多。屏蔽門系統(tǒng)適用于空調(diào)季時間長,過渡季、冬季(即通風(fēng)季節(jié))時間較短的地區(qū)；而閉式系統(tǒng)適用于空調(diào)季時間較短,過渡季、冬季時間較長的地區(qū)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式的確定,應(yīng)進行全年能耗綜合性分析。

(3)既然閉式系統(tǒng)在空調(diào)季節(jié)運行時耗能大,而屏蔽門系統(tǒng)通風(fēng)季節(jié)運行時耗能大,建議研究制造一種新型的門。這種門,空調(diào)季節(jié)時起屏蔽門的作用,通風(fēng)季節(jié)能打開足夠的通風(fēng)百葉窗,增加活塞風(fēng)的作用。這樣,取這兩種制式的優(yōu)點,達到全年節(jié)能運行的目的。

[1] 施仲衡,等.地下鐵道設(shè)計與施工[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[2] 北京城建設(shè)計研究總院.GB 50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2003：50-55.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50019—2003 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2003.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50189—2005 公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2005.

[5] 北京城建設(shè)設(shè)計研究總院.DGJ08—109—2004 城市軌道交通設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2004.

[6] 劉 江.地鐵平行換乘車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(S)：37-41.