楊志團(tuán)

(蘭州市軌道交通有限公司，730030，蘭州//教授級(jí)高級(jí)工程師)

蘭州作為西部區(qū)域發(fā)展的重要引擎以及全國9大綜合性交通樞紐城市之一［1］，已適時(shí)啟動(dòng)了城市軌道交通項(xiàng)目的規(guī)劃與建設(shè)工作。根據(jù)蘭州中心城區(qū)規(guī)劃形成“一河兩岸三心七組團(tuán)”的多中心組團(tuán)型城市空間結(jié)構(gòu)，目前蘭州軌道交通規(guī)劃有3 條中心城區(qū)線路和2 條外圍市域線，規(guī)劃線路總長度約228 km。近期建設(shè)中心城區(qū)骨干線路1、2號(hào)線一期工程約36 km 的地下線路，以緩解主城區(qū)內(nèi)交通出行壓力［2-3］。

地鐵通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的主要功能是保證地鐵內(nèi)部環(huán)境的空氣質(zhì)量、溫度、濕度、氣流組織、氣流速度、噪聲等均能滿足人員的生理及心理?xiàng)l件要求和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的需要［4］。它是保障地鐵運(yùn)營的重要系統(tǒng)之一，且直接影響著地鐵工程土建規(guī)模及長期運(yùn)營費(fèi)用，合適的系統(tǒng)類型不僅要滿足設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期運(yùn)營環(huán)境要求，還需實(shí)現(xiàn)“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、適用”的目標(biāo)。雖然蘭州市首次建設(shè)軌道交通，但仍應(yīng)從整個(gè)軌道交通線網(wǎng)考慮，研究確定適合整個(gè)線網(wǎng)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)類型和標(biāo)準(zhǔn)原則。這直接決定著蘭州軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平和系統(tǒng)的先進(jìn)性。

1 蘭州軌道交通工程項(xiàng)目

1.1 工程特點(diǎn)

至2020年，蘭州已規(guī)劃有6 條軌道交通線路，近期建設(shè)的1、2號(hào)線一期工程約36 km，共設(shè)29 座車站，且全部為地下線路。目前正在實(shí)施建設(shè)的1號(hào)線一期工程全長約26.6 km，設(shè)車站20 座，預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期全日客流量為116.7 萬人次，遠(yuǎn)期高峰小時(shí)斷面客流約4.5 萬人次/h，設(shè)計(jì)速度80 km/h，列車采用4 動(dòng)2 拖6 節(jié)編組(A 型車)，遠(yuǎn)期高峰開行為28對(duì)/h［5］。因此，蘭州軌道交通工程具有大客流、高密度的運(yùn)營特點(diǎn)。

1.2 氣候條件及氣象參數(shù)分析

蘭州市位于東經(jīng) 103°53'、北緯 36°3'，地處黃河上游，平均海拔高度1 500 m，常年大氣壓為84 820 Pa，屬中溫帶大陸性氣候，降水少，日照多，氣候干燥。蘭州市區(qū)南北群山環(huán)抱，東西黃河穿城而過，具有帶狀盆地城市的特征。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》［6］的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)蘭州市近20年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析得出:蘭州市最高月平均溫度為22.4 ℃，全年平均溫度為10.2 ℃左右。統(tǒng)計(jì)得出:蘭州市全年日平均氣溫超過30 ℃天數(shù)約有80 d、低于0 ℃天數(shù)約有140 d，全年空氣含濕量大于12 g/kg(干空氣)的時(shí)間僅有約670 h。另外，蘭州冬季寒冷，采暖室外計(jì)算溫度為-9.0 ℃，采暖天數(shù)約 160 d［7］。由此可見，蘭州市具有全年平均氣溫低、年氣溫變化幅度大、空氣相對(duì)濕度低、夏季炎熱干燥、冬季寒冷的氣候特點(diǎn)。

2 常見地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)類型

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)主要利用機(jī)械或列車的活塞效應(yīng)，通過風(fēng)亭和出入口使地下空間與外界通風(fēng)換氣并冷卻區(qū)間隧道和車站公共區(qū)。其一般采用開、閉式運(yùn)行相結(jié)合的運(yùn)行模式。當(dāng)外界氣溫低于隧道內(nèi)空氣溫度時(shí)，采用開式運(yùn)行;當(dāng)外界氣溫高于隧道內(nèi)溫度時(shí)，采用閉式運(yùn)行。地鐵車站公共區(qū)采用閉式運(yùn)行時(shí)停止機(jī)械送、排風(fēng)，只開啟車站小新風(fēng)機(jī)對(duì)車站公共區(qū)進(jìn)行送風(fēng)，以滿足乘客的最小新風(fēng)要求。其特點(diǎn)是系統(tǒng)簡單、設(shè)備配置較少、工程造價(jià)較低，但地下空間空氣環(huán)境質(zhì)量及溫度、濕度相對(duì)于其他系統(tǒng)(閉式系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng))較難控制，因此多用于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶白顭嵩缕骄鶞囟鹊颓胰昕照{(diào)季節(jié)短、地鐵運(yùn)量小的工程項(xiàng)目。目前大連地鐵1、2號(hào)線及哈爾濱地鐵1號(hào)線采用了通風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 閉式空調(diào)系統(tǒng)

閉式空調(diào)系統(tǒng)是指地鐵內(nèi)部基本與外界大氣隔絕，僅供給滿足乘客所需的新鮮空氣量，地鐵車站采用空調(diào)通風(fēng)，區(qū)間隧道依靠列車運(yùn)行的活塞效應(yīng)攜帶一部分車站空調(diào)冷風(fēng)實(shí)現(xiàn)降溫。其通常采用開、閉式運(yùn)行相結(jié)合的運(yùn)行模式。閉式運(yùn)行時(shí)，利用列車活塞效應(yīng)將車站空調(diào)冷風(fēng)帶入?yún)^(qū)間冷卻隧道;開式運(yùn)行時(shí)，利用列車的活塞效應(yīng)，通過風(fēng)亭和出入口使地下空間與外界通風(fēng)換氣。閉式空調(diào)系統(tǒng)通常用于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶白顭嵩缕骄鶞囟容^高且運(yùn)量大的地鐵項(xiàng)目。目前北京地鐵、青島地鐵M3 線及南京地鐵1、2號(hào)線采用了閉式空調(diào)系統(tǒng)。

2.3 屏蔽門系統(tǒng)

屏蔽門系統(tǒng)利用站臺(tái)邊緣設(shè)置的屏蔽門隔斷區(qū)間隧道和車站公共區(qū)，區(qū)間隧道利用列車的活塞效應(yīng)，通過風(fēng)亭使地下空間與外界通風(fēng)換氣;車站采用制冷空調(diào)通風(fēng)，以保證內(nèi)部環(huán)境溫、濕度要求。屏蔽門系統(tǒng)多用于當(dāng)?shù)刈顭嵩碌钠骄鶞囟雀摺⑷昕照{(diào)季節(jié)長且客流運(yùn)量大的地鐵工程。目前廣州、上海、杭州、成都、重慶、深圳、天津、西安等地鐵均采用屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

3 蘭州軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)類型

3.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)類型選擇

目前國內(nèi)地鐵車站公共區(qū)域空調(diào)降溫的設(shè)置溫度為28～30 ℃，波動(dòng)范圍約 ±1 ℃，濕度為40%～65%［8］。蘭州市全年最熱的6、7、8月的平均氣溫均在22 ℃，年平均溫度為10.2 ℃，最高月平均溫度為22.4 ℃，且全年日平均氣溫超過30 ℃的天數(shù)約有80 d，因此蘭州市軌道交通在氣溫條件方面不滿足設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的要求。另外，1號(hào)線列車采用6 節(jié)編組(A 型車)，而遠(yuǎn)期高峰開行對(duì)數(shù)僅為28 對(duì)/h，故1號(hào)線在運(yùn)行密度、客運(yùn)輸送能力方面也達(dá)不到設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的需要。

蘭州市冬季最冷月的平均溫度為-5.5℃，全年日平均氣溫低于0℃的天數(shù)約為140 d。冬季寒冷漫長的氣候特點(diǎn)，有利于利用地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土壤的熱壑效應(yīng)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過冬季的有效通風(fēng)消除夏季地鐵內(nèi)部累積的余熱和余濕。而地鐵工程設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)需要龐大的設(shè)備和機(jī)房，運(yùn)行時(shí)又需耗費(fèi)大量的電能，從降低地鐵造價(jià)、節(jié)省能源的前提出發(fā)，只有在通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)不到地鐵內(nèi)部空氣環(huán)境規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)方可采用空調(diào)系統(tǒng)。因此，無論是從氣溫條件還是1號(hào)線的運(yùn)行能力，以及從降低工程造價(jià)和長期節(jié)能運(yùn)營的角度考慮，蘭州市軌道交通均不符合設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，僅采用通風(fēng)系統(tǒng)即可滿足實(shí)際需要。

3.2 直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫

傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)是指在地鐵車站通風(fēng)風(fēng)道內(nèi)僅設(shè)置通風(fēng)機(jī)，由通風(fēng)機(jī)直接將室外空氣送入地鐵車站內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)換氣，并將站內(nèi)余熱直接排出室外。采用傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)雖然比空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約了長期運(yùn)行能耗，但存在地下空間空氣溫、濕度難以控制，環(huán)境舒適性差的問題。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻原理圖

直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是指被處理空氣與霧化的水直接接觸進(jìn)行熱濕交換蒸發(fā)吸熱而冷卻空氣的方式［9］。直接蒸發(fā)冷卻原理圖如圖1所示。其變化過程(①→③)可近似為等焓降溫的空氣處理過程，在變化過程中空氣含濕量增加，溫度下降到達(dá)濕球溫度③點(diǎn)為止。因此，對(duì)于干濕球溫度差越大、空氣越干燥的地區(qū)，其蒸發(fā)冷卻效果越好。直接蒸發(fā)冷卻是由水的蒸發(fā)而提供冷量，可直接補(bǔ)充水分來維持蒸發(fā)過程的進(jìn)行，而不必將蒸發(fā)后的水蒸氣經(jīng)壓縮冷凝回到液態(tài)水后再蒸發(fā)，因此能效比(COP)很高(約為機(jī)械制冷的2.5～5.0 倍)，可大大節(jié)省運(yùn)行能耗［10-11］。

結(jié)合蘭州夏季降水少、蒸發(fā)大、空氣干燥的氣候資源優(yōu)勢(shì)(年平均降水量約287.6 mm，蒸發(fā)量約1 446.4 mm;夏季(6—8月)的月平均相對(duì)濕度在52.0%～61.2%之間，含濕量在7.3～11.6g/kg(干空氣)之間;全年空氣含濕量大于12 g/kg(干空氣)的時(shí)間僅有約670 h)，在傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，形成的直接蒸發(fā)冷卻地鐵通風(fēng)降溫系統(tǒng)對(duì)環(huán)境舒適度有很好的改善作用，在技術(shù)上是可行的［1，2，］。與傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢(shì)在于:可根據(jù)運(yùn)行模式控制送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)溫濕度，送風(fēng)溫度比機(jī)械通風(fēng)溫度低，舒適性更好，能保證空氣環(huán)境質(zhì)量，可明顯提高空氣品質(zhì)及環(huán)境舒適性;采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)后，通風(fēng)溫差增大，車站通風(fēng)所需通風(fēng)量大大降低，減小了設(shè)備配置容量及管道材料工程量，并可節(jié)省土建規(guī)模及占地面積。

以蘭州軌道交通1號(hào)線工程為例，對(duì)直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)和傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的初期投資、運(yùn)行能耗進(jìn)行分析比較，如表1所示。

由表1 可知，雖然直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)的初期投資比傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)高1.3%，但年用電量比傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)省35.2 萬kWh(節(jié)電率約30%)，年運(yùn)營維護(hù)綜合費(fèi)用比傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)低約20%，蒸發(fā)冷卻耗水量費(fèi)用僅為節(jié)電費(fèi)用的7%左右，因此，長期節(jié)能效果十分明顯，且舒適性比傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)好，具有較明顯的節(jié)電節(jié)能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益［13-14］。

表1 蘭州軌道交通1號(hào)線兩種不同類型通風(fēng)系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行能耗比較表

4 結(jié)語

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)不僅是保障地鐵工程運(yùn)營的重要系統(tǒng)，也是地鐵的主要耗能大戶，如能充分利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源優(yōu)勢(shì)，合理選用適合的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)類型，不但可保證舒適性，還能降低系統(tǒng)耗能?？紤]到蘭州市的氣候特點(diǎn)，蘭州軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫，既可保證地下空間環(huán)境溫濕度的要求，同時(shí)運(yùn)營能耗還可節(jié)約20%。

［1］中國城市規(guī)劃研究院.蘭州市城市總體規(guī)劃綱要(2010—2020年)［R］.北京:中國城市規(guī)劃研究院，2010.

［2］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.蘭州市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

［3］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.蘭州市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃(2011—2020年)［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.

［4］GB 50157 ―2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.蘭州市城市軌道交通1號(hào)線一期工程(陳官營—東崗段)可行性研究報(bào)告［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2012.

［6］中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［7］GB 50736—2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］喬小博.直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫在地鐵高架車站的應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(9):116.

［9］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2 版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［10］黃翔，劉鳴，于向陽.我國新疆地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析［J］.制冷與空調(diào)，2001(6):33.

［11］黃翔，武俊梅.兩種適合西北地區(qū)氣象條件的新型空調(diào)的設(shè)備的開發(fā)［J］.西安制冷，1999(1):26.

［12］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.蘭州市城市軌道交通1號(hào)線(陳官營—東崗段)工程通風(fēng)、空調(diào)與采暖系統(tǒng)專題研究報(bào)告［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2012.

［13］喬小博.直接蒸發(fā)冷卻地鐵通風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J］.暖通空調(diào)，2012(2):86.

［14］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.蘭州市城市軌道交通1號(hào)線(陳官營—東崗段)工程節(jié)能評(píng)估報(bào)告［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.