基于绿色节能控制理念的温和地区地下车站通风空调系统研究

杨子娴

（中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南 昆明 650200）

0 引言

城市轨道交通地下车站是输送旅客的中转站，车站的环控系统直接关系并影响旅客换乘时的体感舒适度，同时保障了地铁运营相关设备在符合温湿度要求的工作环境中高效运行。当通风、空调系统兼做防排烟系统时，还需满足相应的防排烟要求[1]。因此，地下车站的通风空调系统的设计是否合理，关系到地铁系统的正常、有序、安全运行，直接影响地铁系统的社会效益、环境效益以及经济效益[2]。

城市轨道交通的耗电量约占全国总耗电量的5%，其中，通风空调能耗约占地铁运行能耗的46%，是仅次于列车牵引能耗的第二大部分，具有较高的节能潜力。地下车站常规通风空调系统制式多为全封闭式站台门系统，由于该系统无法利用列车运行产生的活塞效应从出入口引入大量室外新风对地下车站降温，因此，在温和地区地下车站运用全封闭式站台门系统会增大温和地区过渡季、冬季的通风能耗，导致环控系统年运行成本增加。昆明作为典型温和地区代表城市，冬无严寒、夏无酷暑，全年有92.6%的时间里室外温度处于5～25℃，属于过渡季节较长的温和地区，存在大量可以利用的自然冷源。研究以昆明地铁为例，在温和地区地下车站采用机械通风与多联机系统相结合的环控系统设计方案，在充分利用室外自然冷源满足地下车站温湿度控制要求的同时，简化地下车站通风空调系统构成，降低系统建设成本及运行能耗，实现节能减排的目标[3]。

1 地下车站通风空调系统概述

1.1 车站通风空调系统组成

城市轨道交通地下车站的通风空调系统由公共区域通风空调系统（俗称“大系统”）、设备及管理用房通风空调系统（俗称“小系统”）及空调制冷循环系统等组成。

1.2 车站环控系统制式介绍

依据地铁系统的隧道通风换气方式、隧道与地下车站站台层的分离方式，将地下车站的通风空调系统分为开式系统、闭式系统以及屏蔽门系统等制式[4]。

1.2.1 开式系统

开式系统通过采用机械原理或活塞效应的形式，为地下车站内部环境与外部环境进行空气交换，将外界的空气冷源导入地下车站与地铁隧道中。该系统适用于温和地区，或是全年平均环境温度低于25℃并且列车运行量比较低的区域，并不适应于夏热冬冷和夏热冬暖地区[5]。

1.2.2 闭式系统

闭式系统是将地铁系统中地下车站系统与外界环境基本隔离的方式进行设计，地下车站内与外界连通的风门及通风井都是处于封闭状态。夏季，地下车站主要是利用中央空调作为主要环控的冷源，并通过风机提供所需最低限度的外界新鲜空气或空调全新风等。其中，地铁系统中的区间隧道利用列车高速行驶时所产生的活塞效应方式与在地下车站两端设置迂回风通道，将地下车站内的空调冷风带入其中，降低区间隧道中的环境温度。闭式系统可以满足地下车站与区间隧道内设计温度和气流速度在不同工况条件下符合设计要求，具有环控工况转换简单、对冷源量需求较大、环控机房占地大、能源损耗较高以及噪声较大等特点。一般情况闭式系统比较适用于夏热冬冷或夏热冬暖区域[6]。

1.2.3 屏蔽门系统

屏蔽门系统是在地下车站站台边缘安装一道带门的透明屏障，当列车到站后，列车上的车门与屏蔽门一一对应，方便旅客自由上下车行动。当屏蔽门关闭后，形成封闭的墙，从而可以很好地隔断隧道内的热流、灰尘以及气压波动等进入地下车站内，达到降低通风空调系统的负荷能耗，实现地下车站舒适环控目的。屏蔽门隔绝了地下车站与隧道的温差交流，提高了地下车站候车旅客的安全性与列车停靠位置的可靠性，也大大增加了建设成本[7]。

1.3 地下车站通风空调系统运行与控制方式

地下车站的通风空调系统运行方式主要分为正常运行方式与事故运行方式两种。正常运行工况主要是空调季小新风、空调季全新风和过渡季全通风等运行工况。事故运行方式主要是区间隧道火灾、站台层火灾、站厅层火灾、车站轨行区火灾、设备管理用房火灾、出入口通道火灾等事故运行工况[8]。

2 温和地区地下车站通风空调系统设计

2.1 常规通风空调系统存在问题

2.1.1 环控系统土建成本较高

地下车站环控系统的土建费用与设备的占地面积成正比，而地下车站每平方米土建费用约为1 万元，由于常规通风空调系统组成复杂、设备数量多，导致环控机房占地面积大，单个标准站环控系统土建费用约为600～700 万元。

2.1.2 环控系统年运行成本较高

对某夏热冬冷地区地下车站的常规通风空调系统全年能耗进行模拟可知，在各子系统全年能耗中，水系统能耗占比最大，接近50%；公共区大系统与设备及管理用房小系统能耗占比相当。某夏热冬冷地区地下车站通风空调子系统全年能耗占比图如图1所示。

图1 某夏热冬冷地区地下车站通风空调子系统全年能耗占比图

在各设备年运行能耗中，冷水机组能耗占比最大，为37.48%，通风机能耗次之。某夏热冬冷地区地下车站通风空调设备全年能耗占比图如图2所示。通风空调系统的月平均耗电量随室外月平均温度变化，在室外温度较高的5～10月，环控系统月平均耗电量达到全年较高水平；在1～4月及11～12月等过渡季节，由于常规环控系统制式为全封闭式站台门系统，无法利用列车运行的活塞效应从出入口引入室外新风为地下车站降温，完全依靠通风空调系统的全通风工况来消除车站余热，导致通风机在过渡季的运行能耗进一步增大[9]。

图2 某夏热冬冷地区地下车站通风空调设备全年能耗占比图

2.2 温和地区地下车站通风空调系统方案概述

针对以上常规通风空调系统应用于温和地区地下车站存在的系统建设成本高、运行能耗大等问题，综合考虑温和地区气候特点，秉持因地制宜的原则，昆明地铁地下车站环控总体方案为机械通风结合多联机系统。为充分利用温和地区丰富的室外自然冷源，环控系统制式为开式系统。

2.2.1 环控系统制式

综合考虑地铁运力、当地气候条件、人员舒适性要求及运行费用等因素，选择环控系统制式为开式系统。该系统通过设置全高安全门保证乘客乘车安全的同时，在安全门上方留有空隙，在地铁沿线车站与车站间设置多座通风竖井，借助列车运行产生的抽吸作用，使地铁内空气与外界相连通，直接引入并利用室外空气来冷却车站和隧道，能够充分降低过渡季及冬季的通风系统运行能耗。

2.2.2 公共区通风方案

车站公共区采用机械送风，从出入口及安全门上方自然排风的方式来消除公共区余热。公共区室内设计温度为夏季≤28℃，冬季≥12℃，人员新风量按照远期早高峰客流量计算，每人每小时新风量≥30m3。在地下车站的A、B 端环控机房内各设置一台大系统送风机，共同承担站厅及站台公共区的冷负荷。该系统不额外设置空调设备，主要通过设置在站厅层及站台层客流较为密集处的温度传感器及CO2传感器来实时反馈所需风量大小，再通过风机变频控制公共区的送风量，实现根据客流变化按需供给风量的目的，有效降低大系统风机运行能耗。此外，在公共区温度较低且满足CO2浓度要求时，可直接关闭大系统送风机，依靠列车运行的抽吸作用，从出入口引入新风对公共区进行降温，进一步降低环控系统能耗。对公共区采用机械通风系统进行变风量送风的全年室温进行模拟，见图3，结果显示室温满足设计标准，且室温全年满意率达到100%。

图3 公共区机械通风变风量送风全年室温模拟结果图

2.2.3 设备及管理用房通风空调方案

地下车站的设备及管理用房根据使用功能要求、设备工作环境温度等因素分为27℃、36℃温控房间和仅需满足换气次数要求的房间。设备及管理用房通风空调方案采用机械通风系统与多联机相结合。对于车控室、安全门控制室等人员经常停留或内置设备工作环境温控要求为27℃的房间，采用机械通风的同时，设置多联空调承担室内冷负荷，实现室温的分时分室独立控制；对于室内设计温度为36℃的强电房间和仅需满足换气次数要求的房间，设置机械送排系统就可满足房间的全年温控要求。

3 结语

通过分析常规中央空调系统及全封闭式站台门系统制式应用于温和地区地下车站存在的问题，结合温和地区环境特征，基于绿色节能理念提出适用于温和地区地下车站的通风空调系统设计方案。该方案以机械通风与开式系统相结合，突破传统环控方案设计，最大限度地利用温和地区丰富的自然冷源资源为车站及区间隧道降温，全面降低环控系统年运行能耗，单个标准站每年可减少耗电量约10.6 万kW·h。此外，该方案简化车站环控系统构成，单个标准站减少机房占地面积300～400m2，节约土建投资约300～400 万元，为后续温和地区城市轨道交通地下车站的环控系统设计提供借鉴经验。