天津地鐵4號線環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)化設計

□文/陳 娟

1 概述

天津地鐵4號線全長41.4 km，35個地下站，其中7個換乘站。

環(huán)控系統(tǒng)制式為地下車站及區(qū)間隧道通風、空調(diào)系統(tǒng)按車站設置屏蔽門系統(tǒng)設計。預留列車8B編組。

2 系統(tǒng)方案

車站兩端對稱設置環(huán)控機房與風道，每端環(huán)控機房與風道各承擔車站一半負荷與相應區(qū)間負荷，見圖1。

圖1 優(yōu)化前環(huán)控系統(tǒng)機房平面

1）全線車站均采用單活塞風井。

2）區(qū)間與車站公共區(qū)設備相互兼用。

（1）軌行區(qū)。排熱風機“TUO/A”估算風量 70 m3/s，采用正反轉(zhuǎn)軸流風機，平時工況為軌行區(qū)排熱，同時采用風閥切換兼用于區(qū)間內(nèi)阻塞、火災事故送風、排煙與正常工況通風。

（2）車站公共區(qū)?；嘏棚L機“HPF/A”40 m3/s；送風機“SF/A”40 m3/s，其回排風機與送風機高出空調(diào)箱45%的風量，正常工況利用變頻與空調(diào)箱配用。

（3）區(qū)間內(nèi)阻塞、火災事故送風、排煙采用軌行區(qū)排熱風機“TUO/A”和車站公共區(qū)回排風機“HPF/A”、送風機“SF/A”三機并聯(lián)工作。

3）車站公共區(qū)與管理用房兩系統(tǒng)分設冷水機組，管理用房獨立設室外風冷機組。

3 優(yōu)化方案

3.1 主要思路

1）本線35個地下站，全線環(huán)控設計需要根據(jù)不同的站位、客流、與建筑內(nèi)外條件分別采用不完全相同的適實且滿足全面要求的系統(tǒng)與設備選型方案。

2）系統(tǒng)方案、設備匹配、機房面積等力求達到技術先進、接口合理、控制可行、經(jīng)濟節(jié)能、低碳環(huán)保、機房最小且用修方便。

3.2 環(huán)控系統(tǒng)重點方案優(yōu)化論述

1)區(qū)間與車站公共區(qū)系統(tǒng)設備分開各自獨立設置。車站兩端各設2臺區(qū)間獨立使用的機械/事故風機，風量為60～66 m3/h；各設1臺區(qū)間獨立使用的軌行區(qū)排熱風機；車站公共區(qū)依據(jù)負荷計算獨立設置2臺空調(diào)箱與對應回排風機，擔負其夏季空調(diào)；設置1臺送風機，擔負其他季通風；車站公共區(qū)排煙依據(jù)排煙量計算獨立設排煙風機或兼用回排風機。

（1）對屏蔽門環(huán)控系統(tǒng)，區(qū)間阻塞與事故模擬計算的風量約是車站公共區(qū)系統(tǒng)風量的3倍之多。區(qū)間風量約240～264 m3/s；公共區(qū)系統(tǒng)送回風設備風量之合約78～88 m3/s且因兩系統(tǒng)不同，其壓頭也不一定能匹配，這樣采取任何方式將車站公共區(qū)與區(qū)間風量差異3倍的設備切換并聯(lián)，兼用于區(qū)間阻塞和火災事故工況均是不合理的。

（2）不同型號（不同壓頭、風量）軸流風機并聯(lián)匹配使用是不合理的。其一，參閱天津地鐵5號線環(huán)控系統(tǒng)計算（6B編組），大多車站區(qū)間阻塞與火災事故工況的送排風量為60 m3/s+30 m3/s+30 m3/s?，F(xiàn)4號線按8B編組，其估算風量為70 m3/s+40 m3/s+40 m3/s，若通過不同型號風機并聯(lián)工作特性見圖2和圖3。

圖2 不同型號軸流風機并聯(lián)性能曲線1

圖3 不同型號軸流風機并聯(lián)性能曲線2

由圖2和圖3可知，風量分別為70、40、40 m3/s的三臺風機并聯(lián)工作，其管網(wǎng)特性曲線如可能與三臺并聯(lián)風機特性曲線的“馬鞍形”避開相交，則風量要小于3臺之和，既風機并聯(lián)的風量不是“1+1+1=3”；相反，其管網(wǎng)特性曲線如不能與3臺并聯(lián)風機特性曲線的“馬鞍形”避開相交或兩曲線不能相交，則并聯(lián)風量有可能還不足于其中一臺風機的風量。顯然，這兩種工況3臺風機并聯(lián)工作的實際風量，均不能滿足系統(tǒng)計算的風量。另外，不同型號軸流風機并聯(lián)，由于風機結(jié)構、功率等不同，加之系統(tǒng)切換連接沒有迂回條件，大小風機于出口氣流垂直合流等問題，造成小號風機啟動喘振，一旦喘振強烈會出現(xiàn)風機葉根斷裂、葉片飛出、電機燒毀的可能。

（3）排熱風機兼用區(qū)間風機是不合理的。工藝要求區(qū)間風機為正反轉(zhuǎn)使用，它是全對稱葉片的低效風機（75%），其用于區(qū)間早晚換氣和阻塞、火災事故是可以的；排熱風機是用于站臺軌行區(qū)列車排熱，特點是長時用、單向轉(zhuǎn)，它的葉片是不對稱的高效風機（85%以上），如排熱風機兼用區(qū)間風機，則需將風機改為全對稱葉片，長時正常使用是非常不節(jié)能的。另外，當排熱風機正常工作時，區(qū)間出現(xiàn)事故火災需要馬上切換風機轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和相關系統(tǒng)風閥，此時必須考慮救災的時間滯后與可控問題，同時對設備使用年限內(nèi)的機械損衰質(zhì)量要有可靠保證。

（4）車站公共區(qū)送排風機、站臺軌行區(qū)排熱風機兼用為區(qū)間風機，當區(qū)間出現(xiàn)事故火災與阻塞時，需要馬上切換停止車站的正常送、排風運行，這勢必影響車站的運營環(huán)境。

（5）區(qū)間與車站公共區(qū)系統(tǒng)設備在風道內(nèi)合設兼用，應有必備條件。除其設備費節(jié)省7.2%外，對車站環(huán)控系統(tǒng)的機房占地、運行能耗、土建成本等的評價結(jié)論，應該是一個綜合概念，不是任何一種環(huán)控系統(tǒng)方案、機房風道形式、控制運行模式?jīng)Q定的，而是技術合理的環(huán)控系統(tǒng)與全線每一個不同車站建筑功能形式最佳靈活、適實、綜合、合理結(jié)合實現(xiàn)的。對環(huán)控設備的運行能耗，同樣是設計計算、設備選型、系統(tǒng)匹配、合理變頻、運行工況等經(jīng)濟合理的集成。

2）活塞風井的設置。車站于有條件的情況下設置雙活塞風井；設置風亭較困難的地段，在滿足換氣和溫度條件下設置單活塞風井；設置交錯布置的單雙風活塞風井；帶配線的車站盡量設置雙活塞風井；對于超長區(qū)間隧道，設置中間風井。車站兩端與中間風井內(nèi)各設2臺同型號正反轉(zhuǎn)機械風機，火災事故與阻塞工況時按兩者模擬最大風量選型并聯(lián)2臺區(qū)間風機使用，該風機不變頻。通過成熟的區(qū)間模擬計算可知，雙活塞風井較單活塞風井的設置有利于改善區(qū)間環(huán)境狀況，節(jié)省區(qū)間通風換氣電耗。

天津地鐵5號線可研評審意見已經(jīng)明確：全線地下車站兩端活塞風井采用單井還是雙井方案需因地制宜，有條件設置雙井的地區(qū)盡量采用雙井方案，以充分發(fā)揮活塞效能。4號線35個地下站除中間部分車站在市區(qū)，兩端在全線2/3部分的車站在市邊和郊外，因此不應“一刀切”的設置單活塞風井。

3）設備選型。原則上要求根據(jù)車站近期（2025）至遠期（2040）預測的客流量和最大通過能力配置，分期實施。

（1）對遠期（2040）客流負荷增長較大的車站，可以按初期（2018）～近期（2025）負荷與客流計算進行設備選型，合理預留遠期設備條件與安裝空間。

（2）土建預留遠期（2040）后的列車8B節(jié)編組條件，但環(huán)控各系統(tǒng)設備建議不按此選型，環(huán)控機房與土建風道建議不按當今的條件（除6乘8）的估算預留。因為依據(jù)《城市軌道交通工程項目建設標準》環(huán)控設備使用淘汰周期最大20 a，任何設備全面技術換代的速度飛快，按照當今低碳環(huán)保的大勢，依現(xiàn)在標準設計的環(huán)控設備與風道空間，應該可以保證30 a后增加列車2節(jié)編組的設計條件與更新設備的安裝和使用空間，否則，將會給現(xiàn)在設計帶來很大的難點。

4）冷源與冷水機組選型。車站公共區(qū)與管理用房兩系統(tǒng)冷源集中。根據(jù)計算的負荷比例合理的選用2臺或3臺容量相等并可互為備用的冷水機組。當管理用房冷負荷占兩系統(tǒng)總冷負荷的比例＞30%時，選用2臺相同容量的冷水機組；當管理用房冷負荷占兩系統(tǒng)總冷負荷的比例＜30%時，選用3臺相同容量的冷水機組，其冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔與冷水機組一一對應設置。兩系統(tǒng)具有聯(lián)合與各自獨立使用的切換功能，必須滿足管理用房空調(diào)期提前和夜間獨立使用的需要。平行換乘站和站距較近的地段繁華站，充分考慮綜合合理的冷水系統(tǒng)資源共享利用。

車站管理用房不獨立設風冷冷水機組，其理由：

（1）正常使用兩系統(tǒng)集中冷源符合GB50189—2005《公共建筑節(jié)能設計標準》5.4.1要求；

（2）風冷冷水機組COP能效系數(shù)遠小于水冷機組；

（3）室外設風冷機組占地、噪聲與運行管理均不利于設冷卻塔。

5）氣流組織。

（1）管網(wǎng)氣流組織（管道氣流分配）的概念與合理設計，是不能忽視的，不同管網(wǎng)系統(tǒng)的氣流垂直合流不要采用。超大的土建送風小室、超大低速的土建風道不符合GB 50189—20055.3.17要求，不要采用。

（2）環(huán)控設備與風道的連接，建議依據(jù)計算采用鐵皮風道與靜壓箱，不用土建小室。其優(yōu)點是節(jié)省地方、便于維修、便于施工、漏風量少、冷量損失少、壓力損失少、氣流組織好。

6）設備并聯(lián)、變頻。

（1）不采用不同型號的軸流風機并聯(lián)匹配運行方案。

（2）采用變頻風機時，要充分分析保證其風機選用的最佳工況點用于最大工作時間，不可以將長時的正常運行工況于低頻下運行，這是非常不合理不節(jié)能的。

7）區(qū)間自然排煙、自然通風。小街—科技園段為地下一層側(cè)式站，建議充分結(jié)合室外綠化帶的利用可能，地下區(qū)間在滿足規(guī)范要求的前提下，力求采用自然排煙、自然通風設計方案。這樣可以給區(qū)間一個低碳節(jié)能和較舒適的采光與空氣環(huán)境，還給施工回填帶來很大便利。

8）車站內(nèi)、外環(huán)控設備設置。

（1）積極配合建筑，將室外風亭、冷卻塔設置方案達最佳，即環(huán)控系統(tǒng)最合理，室外建筑綜合布局與景觀效果統(tǒng)一并最優(yōu)化。

（2）環(huán)控機房與相關風道的設置為達到設計方案最佳的目的，一定要密切結(jié)合建筑站位的內(nèi)外條件靈活機動多樣化。如：內(nèi)嵌機房與風井；外掛機房與風井；雙層機房與風道；機房風井于車站兩端分設；機房風井于車站中部合設；風道長短的利用、機房空間的利用、維修操作空間等等?？傊?5個地下車站和區(qū)間的環(huán)控系統(tǒng)與布置形式不能“一刀切”，而應該在一個技術合理的環(huán)控系統(tǒng)基本標準模式下，進行逐站分析合理結(jié)合，不應為某唯一的方案，而是集設計計算、設備選型、設備布置、設備匹配、操作運行、經(jīng)濟節(jié)能、專業(yè)接口等的設計合理、運營便利為最佳。

4 結(jié)語

對于區(qū)間與車站兩系統(tǒng)設備各自獨立設置還是合設兼用；車站采用單活塞風井還是雙活塞風井；車站公共區(qū)與管理用房兩系統(tǒng)合設切換使用冷水機組還是管理用房獨立設室外風冷機組；不同型號的軸流風機并聯(lián)工作、風機變頻的合理采用等，應該以專業(yè)基礎理論與設計規(guī)范為指導，結(jié)合車站建筑與結(jié)構條件，詳細分析其技術與接口、操作與控制、造價與能耗，從而合理的確定環(huán)控方案，使設計達到綜合最佳。

［1］王弈然.新型通風空調(diào)集成系統(tǒng)在北京地鐵中的應用[J].都市快軌交通，2010，23（6）：93-97.

［2］GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設計標準［S］.

［3］建標104—2008，城市軌道交通工程項目建設標準［S］.