地铁车站设置排热风机必要性研究

李 娟 房 烁 徐清荣 胡海明

地铁车站设置排热风机必要性研究

李 娟1房 烁1徐清荣2胡海明2

（1.苏州市轨道交通集团有限公司 苏州 215004； 2.苏交科集团股份有限公司 南京 210003）

为了探讨排热风机设置的必要性，通过调研南京、苏州等地排热风机控制模式与应用现状，并对苏州地铁2号线车站隧道气温进行测试，结合测试结果与相关研究成果来研究排热风机降温效果及功能替代性。结果表明：排热风机实际运营只在夏季客流高峰运行时开启，其他时间仅在进行状况检查时开启。排热风机对车站隧道降温效果有限，可分别降低隧道气温峰谷1.75℃和0.4℃，排热风机可在地铁运营初期不开启。排热风机排烟功能可由隧道风机替代，就排热风机功能而言，其不具有设置必要性。

地铁；车站隧道；气温；排热风机；隧道风机；功能

0 引言

国内地铁设计，通常每个车站设置两台排热风机，分别设置在车站的两端。对于风量，一般根据客流量及行车对数等数据，采用模拟[1-3]（SES软件或STESS软件）的方法确定。排热风机参数按照最不利情况选定，在实际运行中，需线路运行一定年份和达到一定行车对数才需开启最大风量。因地铁建成初期隧道内热平衡尚未形成，隧道处于总体吸热阶段，加之该阶段客流未达到设计客流，不开启排热风机仍可能满足隧道温度要求。实地调研南京、苏州等地的地铁运营公司知，排热风机在实际运营时很少开启，仅在夏季客流高峰运行时启用，而其他时间仅在进行状况检查时开启。苏州地铁进行专项研究测试表明，当前苏州已运行地铁不开启排热风机，在夏季也能满足隧道温度要求。

根据我国已运营地铁线路现状，排热风机虽已选用变频风机，但实际执行中，其变频技术潜力只部分发挥或完全未发挥。收集南京、武汉、苏州相关设计资料表明，其排热风机控制模式基本相同。南京、武汉的控制原理为：排热风机选用变频风机，在运行中根据行车对数确定排热风机的变频运行状态，行车对数为20对/h以上时，排热风机工频运行，行车对数12～20对/h，排热风机风量取某一定值（如50m3/s），行车对数6～12对/h，排热风机风量取某一定值（如40m3/s）。地铁运营公司在实际运营过程中，根据初、近、远期线路实际运行情况以及运营管理经验，调节排热风机的运行状态，以达到环控设备节能经济运营的目的。苏州的设计文件也要求排热风机采用变频运行，但只规定变频运行时以行车对数作为输入参数。BAS系统监控变频控制柜的主要参数，变频运行应显示其频率，具体如何操作，全凭无任何数据依据的运营管理人员根据经验控制，因此造成了客观条件下的能源浪费。

排热风机的实际应用现状，使很多人对其存在必要性产生怀疑，认为没有排热风机也是可以的。当然也有人认为排热风机是必要的，其担负着车站隧道排热与排烟等多项功能。依据排热风机工作原理及功能是否具有可替代性，研究排热风机是否有设置必要性。

1 排热风机功能分析

对于屏蔽门系统，排热风机主要有两项功能，其一，排除车站隧道热空气，为其降温；其二，负担车站隧道排烟功能，排除车站隧道内火灾产生的烟气。在某些设计方案中，排热风机还负担站台公共区辅助排烟功能。在站台公共区发生火灾时，打开车站屏蔽门和排热风机，辅助排除站台层烟气。

通常情况下其排烟系统原理图如图1所示。

排热风机排热工作流程为：当达到排热开启条件时，轨顶、轨顶风孔对应风阀开启，排热风机启动抽取轨顶、轨底风道内的热气，通过排风井排至室外。

排热风机排烟工作流程为：当车站隧道或站台层发生火灾时，轨顶风孔开启或轨顶风孔与屏蔽门同时开启，排热风机启动，通过轨顶风孔，将车站隧道内烟气排出室外。

图1 排热通风系统原理图

2 排热风机设置对土建影响

设置排热风机时，其对土建会产生多种影响。首先，车站范围内，轨顶和轨底需设置排热风道，风道的设置对车站土建方案及层高有较大影响，如图2所示。

图2 带轨顶轨底风道地铁站典型剖面图

设置轨顶风道，将占据一定的车站隧道层高，对站台层层高有一定的抬升。如果不设置轨顶风道，站台层层高将可降低100mm～300mm。另外，由于设置了轨顶风道，车站端部的活塞风孔将无法设置在轨顶风道范围内，只能在轨顶风道外侧设置，不利于压缩车站长度。对于端头外挂的标准站，在不设置轨顶风道时，排风道等可压缩，车站总长度可压缩3m～5m；设置轨底风道，将占据一定的站台板下空间，对于有混合变电所的双柱车站，轨底风道需避让柱子及变电所电缆孔等，设置困难。对于某些限制条件较多的车站，往往因设置轨顶轨底风道而导致车站被拉长，使车站面积大于实际需要面积，造成一定的浪费。其次，因设置排热风机，需加大排风道、排风井的截面积，也需对排风道做夹层，将车站排风与排热风分开，这些需求均可增加车站土建造价，而风井面积的加大将增加车站征地面积（风井占地）。其三，对于换乘车站，因设置轨顶、轨底风道，换乘节点处的某条线（上行线或下行线）的排热风和活塞风需过轨，无论采用上部过轨还是轨底过轨，均加大车站规模，增加土建成本。加上其他限制因素，可能导致过轨的活塞风效果差或无效果。其四，设置排热风机，需在环空电控室、FAS、BAS等房间设置控制柜或监控柜，相应增加房间面积，加大车站规模。

图3 不带轨顶轨底风道地铁站典型剖面图

3 排热风机设置必要性分析

排热风机设置是否必要，应从其功能考虑。在减去排热风机后，其所负担的功能若能通过其他途径解决，则无设置必要性；若其所负担功能无法分担或不能达到规范要求，则其有设置必要。

3.1 排热风机降温功能与隧道气温

对于区间隧道内空气品质，《地铁设计规范》GB 50157-2013[4]中有相应规定，具体规定为：13.2.1条，“区间隧道正常通风应采用活塞通风，当活塞通风不能满足排除余热要求或布置活塞通风道困难时，应设置机械通风系统。”；13.2.2条，“区间隧道通风系统的进风应直接采自大气，排风应直接排出地面。”；13.2.3条，“区间隧道内二氧化碳（CO2）日平均浓度应小于1.5‰。”；13.2.5条，区间隧道内空气夏季的最高温度应满足：“列车车厢设置空调，车站不设置全封闭站台门时，不得高于35℃，列车车厢设置空调，车站设置全封闭站台门时，不得高于40℃。”。

《地铁设计规范》中所指区间隧道，对于屏蔽门系统，包括车站之间的区间隧道和车站范围内的车站隧道，车站隧道内空气品质同样需满足规范要求。为验证排热风机的降温功能，对车站隧道内空气温度进行了测试，采用设备参数如表1所示。

表1 测试设备参数表

将测试设备捆扎在下行线隧道右侧侧壁，安装高度为3.5m左右，测试安排如表2所示。

表2 测试安排表

三测点在排热风机开启后，温度较正常情况均有不同程度降低，具体见图4。

图4 三测点气温曲线图

由图4可知，三个测点温度峰值相对正常情况分别平均降低0.5℃、1.75℃、1℃，温度谷值分别降低0.15℃、0.4℃、0.25℃，可知排热风机对车站隧道温度有一定降温作用，但降温幅度有限。华正博[5]等在相关研究论文中也探讨了排热风机对车站隧道的降温作用。结论显示，不设置排热风机较设置排热风机时隧道最高气温高2.9℃，与实测结果基本吻合。从上图还可看出，各测点温度变化幅度介于1℃～3℃之间，当无车辆通过时隧道气温不超过37℃，其在车辆通过时隧道气温也不会超过40℃。综合上述分析，对于屏蔽门系统地铁隧道，排热风机对车站隧道空气降温有限，无车辆通过时隧道气温不超过37℃，其隧道气温无论是否有车辆通过均不会超过规范规定温度限值。

理论上排热风机可取消，但是理论研究的结论，对于取消排热风机后隧道气温是否超标，还需实测数据。通过整理测试数据，各测点在夏季与冬季每天最高、最低温度见图5。

图5 三测点测试日最高、最低气温图

从实际测试的车站隧道温度看，三个测点在夏季气温最高时段，车站隧道内气温均不超过29℃，在冬季隧道最高气温均未超过19℃。另外，从该线路区间隧道测试数据知，车站隧道气温较区间隧道气温高，通过测试车站隧道气温即可判断隧道气温是否超标。由此可判断，对于苏州地铁，其在运营初期，排热风机无开启必要性，就隧道气温而言，无设置排热风机必要性。胡浩明[6]等基于西安地铁2号线隧道气温测试与CFD模拟，也得出运营初期不需开启排热风机的结论。所以，在地铁运营初期，不开启排热风机，地铁隧道气温不会超标，采用该种运营方案，将产生较大节能效果。

鉴于测试线路运营时间只有2年左右，隧道壁温尚未达到最高值，隧道仍处于吸热阶段。为此，收集国内相关测试、研究成果，杨波力[7]在2011年9月15日至10月12日，分别对上海轨道交通1号线和10号线的衡山路站区间和陕西南路站区间隧道气温进行了测试，并对室外气温进行了测试，测试结果见图6。

图6 上海地铁1号线、10号线隧道及室外气温图

由图可知，上海地铁1号线与10号线隧道气温均未超过35℃，分别不超过29℃和33℃，1号线隧道气温较10号线高4℃左右。1号线和10号线均为屏蔽门系统，两条线测试区间通车时间分别为1995年4月10日和2010年4月10日，测试日期距离开通运营日期分别为16年5个月和1年5个月。从运营时间看，1号线隧道已经达到热平衡，而10号线仍处于吸热状态，可知，同一系统形式，同一城市地铁隧道，达到热平衡隧道气温比运营2年左右的隧道气温高4℃左右，苏州地铁2号线测试日期距开通日期有2年左右，其隧道达到热平衡时，隧道在夏季的最高温度应接近33℃（29℃+4℃），不超过规范规定的40℃临界温度。即使考虑5℃的未知因素影响，39℃的隧道气温也小于规范规定温度。综合上述分析，仅考虑隧道温度，地铁车站隧道有取消排热风机的可能性。

3.2 排热风机排烟功能

排热风机负担着车站隧道的排烟功能。当车辆在车站发生火灾或车站隧道相关线缆着火时，排热风机开启，通过轨顶风道抽取车站隧道内的烟气至排风道，而后从排风井排至室外。相关研究也表明，该种方案能较好的实现车站隧道的排烟功能。对于取消排热风机，如何实现车站隧道通风、排烟，国内相关人员也做了一些研究。华正博[8]提出了正常运行时无轨顶/轨底排热风道的通风控制方法；朱跃[9]研究了轨顶/轨底风道的地铁轨行区烟气控制，提出联合排烟模式，研究表明，列车及站台火灾工况下，加大隧道风机排风量、开启相邻区间隧道风机、加装射流风机三种方案均可使隧道口的边界风速达到设计要求，且加装射流风机效率最高。由上述研究可知，利用临近隧道风机或加装射流风机均可实现车站隧道的排烟功能。因此，就排烟功能而言，排热风机可取消。同时，对于屏蔽门系统，屏蔽门将车站公共区与车站隧道完全分割开，其对车站与车站隧道内烟气相互扩散有很好控制作用[10]，故屏蔽门系统取消排热风机更有实施可行性。日本《地铁防火规范详解》中指出：对于屏蔽门系统地铁，当车站隧道起火，可采用隧道纵流排烟[11]，借鉴该思路，可由车站端部隧道风机分担排热风机的排烟功能。

3.3 排热风机功能替代研究

取消排热风机，需着力解决其对车站隧道排气降温与排烟两大功能。针对这两项功能，结合限于车站系统模式与设备配置，主要有三种替代方案，如图7-9所示。

图7 方案一/带轨顶轨底风道

图8 方案二/带轨顶风道

图9 方案三/无轨顶轨底风道

对于各方案优劣分析如表3所示。

表3 车站隧道三种排烟方案比较表

综合对比三种模式，前两种模式均难彻底摆脱排热风道对土建结构及盾构施工的影响，在隧道风机兼做排热风机时，需增加相关阀门，对应的隧道风机控制模式也变复杂较多。第三种模式不但取消了轨顶轨底风道，彻底避免了风道对土建方案的影响，还有利于土建工期安排（盾构施工后方可施工风道）。

国内相关研究人员，在深圳地铁11号线（屏蔽门系统）A8编组车站宝安站（岛式车站），实测隧道风机与排热风机不同组合的排烟效果，车辆停站后，车厢车门与屏蔽门均打开，选取列车中部（4、5号车厢连接处）放烟，结果如表4所示。

表4 不同排烟方案实测结果

从测试结果可知，采用2台隧道风机+2台排热风机排烟方案和采用4台隧道风机排烟的方案，均可实现车站隧道排烟功能，且排烟效果良好，说明利用隧道风机替代排热风机担负车站隧道排烟功能是可行的，故排热风机第三种替代方案是可行的，可利用隧道风机排除无轨顶轨底风道车站隧道烟气和隧道热气。

4 结论

（1）排热风机在国内屏蔽门系统地铁线路基本上均有设置，其在实际运营中应用较少，各方对其是否有设置必要存有疑问；

（2）排热风机设计基本需设置轨顶轨底风道，对土建方案、车站规模、建设工期等有不利影响；

（3）对运营两年左右的地铁车站隧道（屏蔽门系统）气温测试发现，排热风机对隧道气温峰谷值分别有最大1.75℃和0.4℃的降温效果，降温幅度有限；

（4）地铁（屏蔽门系统）运营初期，车站隧道最高气温一般不超过29℃，排热风机可不开启；

（5）排热风机降温效果有限，排烟功能可由隧道风机替代，故其不具有设置必要性。

[1] 朱颖心,江亿,杨旭东,等.地铁系统环控方案分析[J].地铁与轻轨,1991,(1):21.

[2] 冯炼.地铁网络系统环境控制数值模拟研究[D].成都:西南交通大学,2001.

[3] 彭良新.城市地铁屏蔽门隧道通风模式的研讨[J].铁道勘察与设计,2003,130(4):67-70.

[4] GB50157-2013,地铁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[5] 华正博.活塞效应效率对地铁轨道区排热的影响[J].制冷与空调,2014,28(2):183-185.

[6] 胡浩明,赵蕾,李德辉,等.地铁运营初期关闭OTE/UPE风机运行的可行性探讨[J].铁道标准设计,2015,59(1): 122-126.

[7] 杨波力,臧建彬,龚伟,等.地铁区间隧道环境温度影响因素分析和预测模型研究[J].城市轨道交通研究,2013,(3):68-72.

[8] 华正博.屏蔽门制式地铁轨行区通风模式研究[D].成都: 成都:西南交通大学,2011.

[9] 朱跃.无轨顶/轨底风道的地铁轨行区烟气控制研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[10] 田娟荣,周孝清,郑志敏,等.屏蔽门对地铁火灾烟气的影响分析[J].暖通空调,2006(1),101-105.

[11] 日本国土交通省铁路局.地铁防火规范详解[M].向上(译).北京:中国建筑工业出版社,2009.

Study on the Necessity of Setting up Exhaust Fan in Metro Station

Li Juan1Fang Shuo1Xu Qingrong2Hu Haiming2

( 1.Suzhou Rail Transit Group Co., Ltd, Suzhou, 215004; 2.JSTI GROUP, Nanjing, 210003 )

To explore the necessity of set up exhaust fan, investigational the exhaust fan control mode and application status in Nanjing, Suzhou and other places, tested the metro line 2 of tunnel air temperature Suzhou, combined with the test results and the related research results, research exhaust fan cooling effect and function of alternative. The results show that the exhaust fan seldom opens when it is in operation, only runs at the peak of summer passenger flow, and check opens at other times. The cooling effect of the exhaust fan on the station tunnel is limited, and the temperature of the tunnel can be reduced by 1.75 and 0.4 Celsius respectively, and the exhaust fan can be not opened at the early stage of the metro operation. The exhaust smoke function of the exhaust fan can be replaced by the tunnel fans, and only considers functionality it is not necessary to set up.

metro; tunnel; tunnel air temperature; exhaust fan; tunnel fan; function

U231.5

A

1671-6612（2018）02-162-07

李 娟（1980-），女，工程师，硕士，主要从事隧道通风研究及科研项目管理，E-mail：muzi_lee@126.com

徐清荣（1963-），男，高级工程师，本科，主要从事隧道通风研究及环控系统节能研究，E-mail：276017706@qq.com

2017-07-12