張 鵬，林 迪，申 健

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010;2.中國新時(shí)代國際工程公司，陜西 西安 710054;3.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化程度越來越高，城市交通問題成為許多大、中城市非常突出的問題。地鐵具有運(yùn)量大、速度快、污染小、占用資源少、能耗低、乘坐方便舒適等特點(diǎn)，必將成為城市人口優(yōu)先選擇的出行方式。目前我國地鐵建設(shè)正步入高速發(fā)展時(shí)期，我國地鐵的建設(shè)規(guī)模和承載的客流量都是世界最大的，而地鐵巨大的投資和運(yùn)營成本卻成為制約軌道交通發(fā)展的主要因素。如何有效降低工程投資和運(yùn)營成本，建設(shè)節(jié)約型地鐵，既是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求，更是軌道交通自身可持續(xù)發(fā)展的需要。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在地鐵車站中占用的面積和空間相對(duì)較大，一般地下車站通風(fēng)空調(diào)機(jī)房面積占地下車站總面積的12%-30%，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗約占地鐵工程總能耗的1/3［1－2］。同時(shí)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式與設(shè)備布置對(duì)地下車站方案及接口專業(yè)影響也較大，涵蓋正常、阻塞、火災(zāi)等一系列功能，運(yùn)行模式復(fù)雜。因此，在車站中有效合理地布置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)減小土建規(guī)模、降低造價(jià)、降低地鐵長期運(yùn)營的能耗及對(duì)環(huán)境的影響都有很好效果。筆者從通風(fēng)空調(diào)專業(yè)的角度出發(fā)，以西安地鐵二號(hào)線鐘樓站為例，對(duì)通風(fēng)空調(diào)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施過程進(jìn)行分析，為將來地鐵車站設(shè)計(jì)提供參考。

1 鐘樓站概況

鐘樓站是西安地鐵2號(hào)線的第11座車站［3］，也是重點(diǎn)車站，由于其特殊的地理位置及重要性，車站的造價(jià)也較高。鐘樓站地處西安城區(qū)中心，位于老城核心商業(yè)區(qū)。在東、西及南北大街交匯處為國家級(jí)文物保護(hù)單位鐘樓，距離鐘樓外邊30 m均為其保護(hù)范圍。因此，線路在穿越鐘樓處采取鐘樓兩側(cè)繞行。2號(hào)線由北大街到南大街南北向敷設(shè)，6號(hào)線由西大街到東大街東西向敷設(shè)，2條線在該處實(shí)現(xiàn)換乘［4］。同時(shí)，鐘樓站也是城區(qū)旅游熱點(diǎn)。特殊的地域環(huán)境與人文景觀，對(duì)車站設(shè)計(jì)提出了更高要求，復(fù)雜的周邊環(huán)境增加了車站與線路的設(shè)計(jì)難度。鐘樓站總平面圖見圖1。

圖1 鐘樓站總平面圖Fig.1 Plan of Zhonglou station

針對(duì)鐘樓站的特殊條件，土建采用了中間明挖站廳、兩側(cè)暗挖站臺(tái)的分離島式站臺(tái)方案，相當(dāng)于普通兩層明挖車站與暗挖分離島式站臺(tái)車站的結(jié)合體，二者取其各自優(yōu)點(diǎn)，形成特殊的鐘樓站方案。由于與站臺(tái)分離，站廳規(guī)模得以擺脫軌行區(qū)的限制，使方案具有完整的乘客乘降空間，客流組織、運(yùn)營管理以及運(yùn)營成本因此得以有效控制，而站臺(tái)暗挖也有效避免了對(duì)道路兩側(cè)建筑物的影響，暗挖隧道的明挖豎井也兼顧了隧道通風(fēng)的功能需求，功能整合性較好。車站站廳層平面圖見圖2，站臺(tái)層平面圖見圖3。

2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

鐘樓站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按站臺(tái)設(shè)置屏蔽門［5］。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:車站兩端區(qū)間隧道活塞通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)(簡稱車站隧道通風(fēng)系統(tǒng));車站屏蔽門外軌道排熱系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)(簡稱車站軌道排熱系統(tǒng));車站站廳和站臺(tái)公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)(簡稱大系統(tǒng));車站設(shè)備管理用房空調(diào)通風(fēng)兼排煙系統(tǒng)(簡稱小系統(tǒng));車站空調(diào)冷凍、冷卻水系統(tǒng)(簡稱水系統(tǒng))。下面就每個(gè)系統(tǒng)的功能及布置形式進(jìn)行分析。

2.1 車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)

車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)的功能是保證區(qū)間隧道通風(fēng)要求，正常運(yùn)行時(shí)通過列車活塞效應(yīng)通風(fēng)換氣，事故情況下根據(jù)全線統(tǒng)一運(yùn)行管理要求由區(qū)間風(fēng)機(jī)排除隧道內(nèi)空氣或向隧道內(nèi)送風(fēng)。地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)應(yīng)直接來自大氣，排風(fēng)應(yīng)直接排出地面［6］。鐘樓站采用單活塞系統(tǒng)，在車站兩端的區(qū)間通風(fēng)機(jī)房內(nèi)各設(shè)2臺(tái)可逆轉(zhuǎn)耐高溫軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)前后設(shè)置擴(kuò)散筒、消聲器及相應(yīng)的風(fēng)閥。通過相關(guān)風(fēng)閥的啟閉，系統(tǒng)可進(jìn)行活塞通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的轉(zhuǎn)換，每端2臺(tái)風(fēng)機(jī)也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)或相互備用。車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理見圖4。

圖4 車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle of ventilation system of station tunnel

由于鐘樓站特殊的車站明、暗挖形式及地面風(fēng)亭的限制，車站兩端的區(qū)間通風(fēng)機(jī)房分別設(shè)置在車站的西北角和東北角明挖施工豎井內(nèi)。施工豎井是為施工暗挖隧道而設(shè)置的垂直通道，在工程施工完成后，如不加以利用，通常是回填或恢復(fù)綠地等原有功能［7］。

鐘樓站有效利用施工豎井作隧道通風(fēng)井，不必單設(shè)區(qū)間通風(fēng)機(jī)房，且避免了施工豎井的回填浪費(fèi)，節(jié)省了大量的土建費(fèi)用。這種做法風(fēng)道短，通風(fēng)效果好，但同時(shí)會(huì)存在左、右線兩端的活塞、機(jī)械風(fēng)被車站分隔開來的情況。因此，利用站臺(tái)板下的空間，專門針對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)做了下穿的暗挖風(fēng)道，將左、右線通過風(fēng)閥連通，通過風(fēng)閥的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的功能。同時(shí)，充分利用明挖施工豎井高度較高的優(yōu)勢，在車站兩端的區(qū)間通風(fēng)機(jī)房均設(shè)置夾層風(fēng)道，使風(fēng)道的距離縮短，優(yōu)化了空間布置。區(qū)間隧道通風(fēng)機(jī)房的平面布置見圖1。下穿暗挖風(fēng)道平面圖見圖5。

圖5 下穿暗挖風(fēng)道平面圖Fig.5 Plan of mined ventilation tunnel

2.2 車站軌道排熱系統(tǒng)

為了排除列車制動(dòng)和停站過程中冷凝器產(chǎn)生的熱量，同時(shí)提高排熱效率，應(yīng)盡量避免熱量進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道，在車站軌行區(qū)的站臺(tái)下部和軌道上部設(shè)置軌頂、軌底排風(fēng)系統(tǒng)對(duì)列車產(chǎn)熱進(jìn)行集中排放［8］。軌道排熱風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。在正常工況下，對(duì)車軌區(qū)進(jìn)行排熱通風(fēng)，軌頂排風(fēng)占60%，站臺(tái)下排風(fēng)占40%。在車站兩端均設(shè)置軌道排熱風(fēng)機(jī)，軌頂和站臺(tái)板下分別設(shè)置土建風(fēng)道，每端的風(fēng)道通過風(fēng)閥與風(fēng)機(jī)連通，軌頂排風(fēng)道設(shè)置開口向下的排風(fēng)口，站臺(tái)下排風(fēng)道設(shè)置朝向軌道的排風(fēng)口。

標(biāo)準(zhǔn)車站一般采用在車站兩端設(shè)置排風(fēng)井，雙端排熱，左、右線排熱風(fēng)量均衡。而鐘樓站左、右線軌道排熱被車站分隔開來:左線受制于室外條件，在車站西北角設(shè)置左線軌道排熱機(jī)房?？紤]到阻力平衡、均勻排風(fēng)，把左線軌頂和軌底風(fēng)道各分為兩段，分別負(fù)責(zé)前半部分和后半部分排熱，在西北角軌道排熱機(jī)房匯合;右線在車站中部排風(fēng)道內(nèi)設(shè)置軌道排熱機(jī)房，分別解決兩側(cè)軌頂和軌底排熱風(fēng)，軌頂和軌底風(fēng)道在中間匯合。由此可知，在滿足功能的前提條件下，應(yīng)根據(jù)車站實(shí)際情況，選擇不同的布置方案。

車站軌道排熱系統(tǒng)平面圖見圖2，原理圖見圖6。

圖6 車站軌道排熱系統(tǒng)原理圖Fig.6 Principle of heat releasing system of station tracks

2.3 車站大系統(tǒng)

車站大系統(tǒng)的功能是控制車站公共區(qū)(站廳、站臺(tái)及通道)的溫度、濕度及其他衛(wèi)生、舒適條件;保證車站環(huán)境參數(shù)在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi);發(fā)生火災(zāi)時(shí)能及時(shí)排出煙氣。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of ventilation and air conditioning system of public area of Metro station

車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，主要由空調(diào)新風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)器、車站回/排風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、消聲器、風(fēng)閥和風(fēng)道等組成，其中組合式空調(diào)器及回排風(fēng)機(jī)根據(jù)負(fù)荷變化變頻運(yùn)行。

一般地鐵車站大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)主要布置在車站站廳層兩側(cè)，在中板開風(fēng)孔下站臺(tái)層，雙端送、排風(fēng)。鐘樓站站廳層大部分為公共區(qū)，只有一部分區(qū)域?yàn)樵O(shè)備管理用房，無專門的通風(fēng)空調(diào)機(jī)房及風(fēng)井，無條件設(shè)置大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備。因此，將大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備集中布置在站臺(tái)層中間的通風(fēng)空調(diào)機(jī)房內(nèi)，負(fù)擔(dān)車站公共區(qū)的通風(fēng)空調(diào)負(fù)荷。站臺(tái)層通風(fēng)空調(diào)機(jī)房位于公共區(qū)的中心區(qū)域，將大系統(tǒng)機(jī)房布置在公共區(qū)的中間，使全站的大系統(tǒng)的送風(fēng)距離最短。風(fēng)管從中間成發(fā)射狀向站廳及站臺(tái)送風(fēng)，不僅輸送距離短、管路短、輸送能耗節(jié)省、設(shè)備噪聲小，而且運(yùn)行費(fèi)用低。同時(shí)，充分利用站臺(tái)層5.2 m的高度，大系統(tǒng)設(shè)備在通風(fēng)空調(diào)機(jī)房內(nèi)上下分層布置，共享檢修空間，節(jié)省了機(jī)房面積。具體做法是將風(fēng)機(jī)吊在2臺(tái)組合式空調(diào)器共享的檢修空間上方，利用此檢修空間作為風(fēng)機(jī)的檢修空間。同時(shí)，送風(fēng)管與回/排風(fēng)管完全避開，防止管線交叉干擾。大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備布置見圖7。

圖7 大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備布置Fig.7 Layout of ventilation and air conditioning equipment of“big system”

公共區(qū)風(fēng)管均布置在吊頂內(nèi)，回/排風(fēng)管兼做排煙風(fēng)管。站廳層公共區(qū)采用中間上部由上向下均勻送風(fēng)、兩側(cè)回/排風(fēng)方式，送風(fēng)管設(shè)在車站中間上部，回/排風(fēng)管分別設(shè)在上部兩側(cè)。由于站臺(tái)為側(cè)式站臺(tái)，所以站臺(tái)層公共區(qū)也采用上送上回氣流組織方式。站廳、站臺(tái)回/排風(fēng)口的布置均滿足排煙要求。大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)原理見圖8。

圖8 大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)原理圖Fig.8 Principle of ventilation and air conditioning of“big system”

2.4 車站小系統(tǒng)

車站小系統(tǒng)的主要功能是控制車站設(shè)備管理用房的溫度、濕度及其他必要的衛(wèi)生條件，保證其環(huán)境滿足設(shè)計(jì)要求，與公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，發(fā)生火災(zāi)時(shí)排出煙氣。由于設(shè)備管理用房對(duì)冷凝水有嚴(yán)格限制，因此車站小系統(tǒng)也采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)。

柜式空調(diào)機(jī)組、回/排風(fēng)機(jī)等設(shè)備主要集中在站臺(tái)層北端及中部的通風(fēng)空調(diào)機(jī)房內(nèi)，距各設(shè)備管理用房近，因此風(fēng)管距離短、阻力小、風(fēng)管尺寸小。同時(shí)，由于與車站大系統(tǒng)風(fēng)管分開設(shè)置，避免了交叉打架，優(yōu)化了管線布置。車站小系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 車站小系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of ventilation and air conditioning of“small system”

2.5 車站水系統(tǒng)

車站水系統(tǒng)的功能是為車站空調(diào)系統(tǒng)提供冷凍水。空調(diào)冷凍水溫度:供水7℃，回水12℃;冷卻水溫度:供水32℃，回水37℃［9］。車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)與車站設(shè)備管理用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)合用冷源，冷源由2臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組提供。冷水機(jī)組集中布置在站臺(tái)層中間的制冷機(jī)房內(nèi)，靠近負(fù)荷中心，管路短。冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔均按2臺(tái)設(shè)計(jì)，與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)。冷卻塔、膨脹水箱布置在室外裙房屋面上。

3 結(jié)論與建議

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)地鐵乘車環(huán)境的舒適性和安全可靠性的要求越來越高，致使地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)日益復(fù)雜，并導(dǎo)致地鐵的土建規(guī)模、投資以及運(yùn)行能耗日益增加［10］。如何在滿足地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)功能的前提下，減小土建規(guī)模，降低運(yùn)行費(fèi)用，一直是設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。國內(nèi)目前對(duì)車站的節(jié)能分析已經(jīng)有很多研究，也提出了寶貴的意見和方法。但是，特殊地鐵車站受制于室外條件、設(shè)備用房位置等諸多因素，往往無法達(dá)到預(yù)期效果。本文對(duì)鐘樓站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的布置進(jìn)行分析，根據(jù)其自身特點(diǎn)，對(duì)車站的系統(tǒng)方案進(jìn)行了優(yōu)化，為以后特殊車站提供了一些合理化建議。但是，在實(shí)施過程中，受制于土建及室外條件，也存在一些遺憾。因此，希望今后在土建初期方案階段，設(shè)備專業(yè)能提前介入，提出合理化建議。相信隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，合理選擇通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模式，優(yōu)化設(shè)備布置，必將成為地鐵設(shè)計(jì)人員不懈努力的方向。

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