地铁地下车站环控设计问题分析摘要 通过对工程实践的经验总结,提出地铁地下车站环控设计中存在的一些共性问题,并给出改进意见。关键词 地下车站 环控设计 机房 风亭 地铁工程设计中环控专业的任务是:当列车正常运行时保证地铁内部环境的空气质量、温湿度、气流组织、气流速度和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;当列车阻塞在区间隧道内时向阻塞区间提供一定的送、排风量,以保证列车空调冷凝器的继续运行,从而维持列车内部乘客能接受的热环境条件;当轨道交通系统发生火灾时,根据火灾发生的具体位置,能提供有效的排烟措施,为乘客和工作人员提供足够的新风,并形成一定的迎面风速,引导乘客安全撤离。环控方案的优劣不仅影响本专业设计目的的实现,还与建筑、结构、工艺、规划及车站总体造价直接相关。近年来笔者所在单位参与了国内外多个地铁工程的投标、设计总包、监理,根据工程实践,笔者对环控设计存在的一些较为共性问题进行分析论述并提出改进意见,供同行参考。1环控机房优化 地下车站环控机房包括:区间隧道风机(ＴＶＦ,ｔｕｎｎｅｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｆａｎ)风道、轨顶轨底排热Ｕ/Ｏ风机风道、环控大小系统空调机房与新回风道、冷水机房等。一个标准的地下两层岛式车站,例如有效站台长140ｍ,宽12ｍ,其车站面积约8000～10000ｍ2,其中环控机房面积至少2000ｍ2,占车站总面积的1/5以上。笔者认为环控机房的优化十分必要且大有节能潜力,本文从以下两点分析。1)与建筑、结构方案密切配合 地铁环控有别于地上公共建筑,其公共区大系统无论平时的通风空调负荷还是火灾时的排烟负荷都相对较大;设备管理用房小系统因有牵、降变电所,设备发热量大,为满足工艺要求其通风空调负荷也相对较大。因此,大、小系统均存在着设备尺寸和送排风道相对较大的问题。这样机房面积小了满足不了其功能要求和日常维修管理的需要,这是绝不允许的;面积大了又会造成浪费(土建造价约为1万元/ｍ2)。环控机房要达到设备布置、系统安装、气流组织的合理优化须由暖通、建筑、结构、工艺等各专业综合协调及互相配合。建筑布局的合理是其方案优化的前提,而建筑方案受限于城市规划与地铁线路等诸多因素。环控专业设计人员应主动参与各阶段建筑方案设计与调整,密切配合各环节接口方案优化。上海9号线宜山路站为地下四层岛式站,建筑面积24500ｍ2。四层站环控方案本来比一般两层车站复杂,但设计时巧妙地利用了空间,其特点是:平面布置紧凑,各系统与设备的设置打破常规的思路,利用机房层高局部设置设备夹层,通过设备、风道、风室、风阀的功能协调,实现了设备布置与气流组织的合理化。特别是区间机械ＴＶＦ风道与轨顶轨底排热Ｕ/Ｏ风机风道的设置,其特点是每一端的每一台风机都能设置在最佳位置,有的利用空间,有的则利用延长风道,真正实现了机房和风道面积最小化。上海明珠线浦东大道站为标准地下两层岛式曲线站,建筑面积9850ｍ2。该站环控设计值得借鉴的是工艺设备用房的建筑平面布置。主要工艺用房牵、降变电所等设置在有利于环控送回风的最佳位置,这样气流顺畅,同时节省机房面积及建筑空间。笔者认为以上两个地铁车站的环控设计较理想,实现了环控与建筑、结构等专业的最佳配合。由于设计图纸较复杂,此处未给出详图,感兴趣的同仁可与笔者进一步讨论交流。2) 建集中制冷站 这是近期经常提出的研讨课题。目前国内地铁多为各站分设冷水机房。建集中制冷站有两种方案:一是横向即一条线多个车站的制冷站合建。冷水通过管网(敷设在地下或地铁隧道内)送至各车站。此方案需要根据不同线路和车站的方案具体从技术、经济、安全、节能、城市规划等方面进行利弊分析比较确定。二是纵向即换乘站集中合建。目前国内大城市均在大力兴建地铁,大型换乘站越来越多,且多条线纵向交叉。换乘站一般分为既有制冷站和新建制冷站。传统的设计理念是不同线路分别建制冷站,这样造成机房多、冷却塔多。如果拆除既有制冷站并与新建线路制冷站合建,只要实施社会化管理,对不同部门进行用冷计量,集中制冷站的方案完全可行,并具有明显的优势:供冷半径小,节约机房面积,减少站外冷却塔与膨胀水箱数量,从而减少噪声污染,美化城市景观,精减运行管理人员以节省人员开支,提高制冷机ＣＯＰ值,节约能源及运行费用。 2004年笔者所在单位对上海徐家汇大型换乘站建集中制冷站作了论证与研讨,提出了分析数据与论点。徐家汇站是即将建设的地铁Ｒ3,Ｒ4线与现有地铁1号线在徐家汇的换乘枢纽站,分散方案中徐家汇各制冷机房的冷水机组设置情况为:1号线车站采用两台螺杆冷水机组,单台制冷量为581ｋＷ(既有);Ｒ3线车站采用两台螺杆冷水机组,单台制冷量为1044ｋＷ(新建);Ｒ4线车站采用两台螺杆冷水机组,单台制冷量为1044ｋＷ(新建)。根据徐家汇站全年冷负荷时间频数、各制冷机部分负荷的性能曲线及系统在各负荷下的运行方案对全年系统运行能耗费用进行初步比较,结果见表1。
由表1可得出,初投资方面,徐家汇站采用集中制冷站比各新建站分别设置制冷机房增加投资60万元,机房面积增加60ｍ2,如果考虑1号线既有系统的造价,集中制冷站方案的初投资会低于分散方案;运行能耗费用方面,采用集中制冷站,系统每年可节电43.2万ｋＷｈ,年节约运行费用27万元,经济效益显著,并且运营管理与维护人员相对减少,设备维护集中方便,可进一步节约运营管理与维护费用;社会效益方面,可以取消大量分散的冷却塔及膨胀水箱,减少噪声污染,优化环境。 因此,按集中制冷站方案,虽然既有1号线徐家汇站的冷水系统被拆除,造成一定程度的浪费,但与采用该方案所带来的各种效益比可以接受。2室外风亭、冷却塔设置的优化 一个地铁车站至少要设置活塞ＴＶＦ风井4个(排活塞风方案)、排风井2个(Ｕ/Ｏ与回、排风合用方案)、新风井2个、冷却塔2个。风亭设计形式有高、低风亭,独立与合建风亭。无论哪种方案都须使设计达到两个条件:一是保证环控气流组织合理并使风道最短以减少沿程与局部阻力;二是满足室外与城市规划的完美结合及噪声达标。目前国内已运行和正在建设的地铁站的风亭与冷却塔的设置均不是很理想。其原因是:风亭设计方案与站内平面布局密切相关,而平面布局受限于当地规划与建筑形式;设计前期建筑专业侧重于城市规划而环控专业参与配合滞后,往往建筑布置满意、规划也审批了,却发现环控气流存在问题。归纳一些地铁审查意见,较普遍的问题为:1)新风亭、冷却塔、排风亭与出入口距离较近,造成热湿空气或车站排烟倒流至车站。2)城市内多为合建风亭。《地铁设计规范》(ＧＢ50157—2003)第12.2.43条规定:“当进排风亭合建时,排风口应比进风口高出5ｍ,或错开方向布置,且进排风口最小间距应大于5ｍ。”一般设计进排风口均能错开布置,但不易做到最小间距5ｍ,此时环控专业必须给建筑专业提供经计算得到的风口格栅及其安装高度尺寸。此问题看似简单,但在实际配合中往往容易出现问题,即该配合滞后于建筑规划的审定,从而造成实施的困难。笔者计算得到的上海Ｍ8线中兴路站的结果为:西端新风口尺寸为3ｍ(宽)×4ｍ(高),风速3.7ｍ/ｓ;排风口5ｍ(宽)×4ｍ(高),风速3.8ｍ/ｓ;设室外地面为±0.0,新风口底2.0ｍ,顶6.0ｍ;排风口底11.0ｍ,顶15.0ｍ。3)室外风亭、冷却塔噪声超标。设计必须对噪声敏感点作现场勘察与环境影响评价,以此作为设计依据,合理选择消声设备,制定消声方案。上海杨浦线环境影响评价结果提出:全线选择低噪声优质冷却塔;排风口背向居民区;排风道消声器加长至3.0ｍ。3设备选型优化 地铁车站环控设备负荷大,动力电耗相对较大。标准地下两层岛式站和一岛一侧站环控总电耗分别约为1200～1360ｋＷ和1500～1650ｋＷ。环控设计应该严格、合理地进行各系统计算,优化设备选型,举例如下。1) 用于隧道机械通风的可逆转耐高温轴流风机(ＴＶＦ)(参数如表2所示)
由表2可见,风量相同仅全压降低100Ｐａ,电耗就减少22ｋＷ,如果设计时既优化风道又严格计算每个ＴＶＦ系统,使其阻力降低100Ｐａ,那么一个车站4台ＴＶＦ风机就可节电88ｋＷ。2)用于车站公共区大系统回、排风与火灾排烟的单向运转耐高温轴流风机(ＨＰＦ) 某地下车站初步设计中车站每端选用2台双速12Ａ型风机(参数见表3),运行方式为:每端平时2台风机低速运转,火灾时切换成1台风机高速运转;施工图设计时,笔者将此改为车站每端选用2台单速12Ａ型风机(参数见表3),运行方式为:平时与火灾时每端均运转2台风机。分析以上两种方案(该系统风道合用一套)可得,平时运转风量、风压相同的4台单速风机,其电耗共减小12ｋＷ;火灾时2台单速风机并联运转,衰减后风量与单台高速风量基本相同,风压也能满足要求,此时4台风机电耗共减少14ｋＷ,还避免了火灾时的控制切换。由以上两例不难看出设备的设计优化的必要性。
3)重视专业配合 地下车站要达到设计方案优秀、施工问题最少、运营最满意,需要各专业相互配合。笔者就环控专业设计总结如下:①孔洞预留。确定设计方案后,孔洞预留是一项非常重要的工作。地下四层站仅结构各层板上的环控孔洞约80个,地下两层站至少也要40～50个,其中最大尺寸为5ｍ×4ｍ。结构中板和顶板一般分别为450ｍｍ和800ｍｍ厚现浇钢筋混凝土板,对每一个孔洞的结构设计均要计算后对板做特殊处理,如果在提取资料时忘记给结构留孔,从设计与施工程序上往往不易发现,一般待土建完后的设备安装阶段才会发现,这时问题就已严重:首先从施工周期上补洞是不可能的,影响了施工进度,造成很坏的专业影响;结构专业补洞处理先要在板上剔洞,经计算后现浇补梁,还可能影响其他专业。因此,须注意孔洞的预留。②车辆限界。地下铁路与地上铁路一样,车辆限界是设计中的法律性问题。任何设备、设施的安装一定不能超出界限,这是基本原则。设计时首先要画上限界图,设备与限界之间至少要预留200ｍｍ,因为土建支模施工均有误差。当工程竣工后测限界时,不管什么原因只要超了限设备均要拆除。地铁有效站台车辆上方均有环控轨顶排热风道,风道下挂有电力接触网;车站区间有些区段在轨顶或轨侧设有环控射流风机;车站有效站台外根据需要在轨顶设有环控风道等,设计以上设施时均需计算限界并配合其他专业注意是否超限。③综合管线。车站内的综合管线,无论在设计阶段还是在施工后期装修阶段都是工程例会时问题最多的内容。管线混乱会浪费层高,不利于维修,还会影响车站最终的装饰效果。环控风道是综合管线的主角,其次是电力、电信的电缆桥架、消防喷淋管道。环控设计首先要重视自己的系统管线,风道断面的大小要综合计算并与设备选型协调至最经济、最合理。一个车站的环控大、小系统风道与冷水管道交叉有时会有三四层界面,管线的合理分布与建筑平面、环控机房、孔洞预留位置的合理性分不开。因此,设计时环控先要做好综合管线优化方案,在此基础上与其他各专业配合,才能做到心中有数。对要求的层高、立管孔位及需特殊处理的结构梁、柱等均能主动提出,这样既保证了本专业方案的实施,也为建筑的最终装饰效果提供了保证。参考文献[1] 北京城建设计研究总院.ＧＢ50157—2003 地铁设计规范[Ｓ].北京:中国计划出版社,2003
