南方某地铁线路活塞风亭及活塞风道面积的取值优化研究

龚保伟

（广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510000）

0 引言

车站按通风、空调工艺要求设置新风亭、排风亭和活塞风亭及相应的风道，地铁车站新风亭（道）、排风亭（道）的面积可分别根据车站所需要的新风量、排风量除以规范规定的风速而确定，进一步优化的空间不大。活塞风亭（道）的面积目前国内没有规范规定具体的面积取值，需要根据隧道断面、车辆数据、行车对数、客流量等指标，通过SES软件建模计算来确定[1]。该文以南方某城市地铁7号线二期工程为例，分别选取活塞风亭（道）的面积为20 m2、16 m2、12 m2，通过计算分析对比三种情况下地铁区间系统运行情况，从而确认该工程的活塞风亭（道）最优取值。

1 风亭面积的优化意义

选取一个典型标准车站分析，车站采用双活塞系统，在两端分别设置一组风亭，均为低矮敞口风亭，每组风亭包括1个新风亭、1个排风亭、2个活塞风亭。根据地铁设计规范规定，当采用低矮敞口风亭时，应符合下列规定：1）新风与排风、新风与活塞风亭口部之间的水平净距不应小于10 m；2）活塞风亭口部之间、活塞风亭与排风亭口部之间水平净距不应小于5 m；3）风亭四周应有宽度不小于3 m宽的绿篱。

车站土建风道的风速≤6 m/s，该站右端新风量为226 300 m3/h（大系统新风138 000 m3/h+小系统新风78 300 m3/h），右端排风量为334 300 m3/h（大系统排风138 000 m3/h+小系统排风78 300 m3/h+轨顶排热风108 000 m3/h），则该站右端新风亭、排风亭的面积应分别大于10.5 m2、15.5 m2（226 300/3 600/6=10.5、334 300/3 600/6=15.5），考虑安全余量，新风亭、排风亭的面积取值分别定为12 m2、16 m2。根据隧道通风系统工艺要求，活塞风亭面积暂定≥16 m2。风亭与车站安全疏散口合建，该端的风亭组平面布置见图1。

图1 某典型标准车站风亭组

风亭组采用新风亭、排风亭、活塞风亭、活塞风亭一字并列布置，该风亭组占地面积约为418 m2，四个风亭的面积总和约为60 m2，其余占地均因为满足规范规定的间距要求和绿篱要求，单纯地减少风亭尺寸不会对整个风亭组的占地造成多大影响，所以对活塞风亭面积进行取值优化意义并不大。

2 风道面积的优化意义

仍选取上述典型标准车站进行分析，隧道风机设置在活塞风道内，活塞风机并联风路上的人防门、风阀有效过风面积按不小于活塞风亭的面积设计，考虑活塞风阀过风面积有效系数为0.8，活塞风阀面积应等于风亭面积/0.8；为满足周边环境环评噪声要求，在活塞风道出室外端需要设置风道消声器。在排风道设置轨顶排风机，利用轨顶排风道及时排走列车空调器发热，排风道兼用车站大小系统的排风。

若能优化活塞风道的面积，不仅能减小土建规模，同时能减小人防门、风道消声器、风阀等设备尺寸。如果隧道通风系统要求的活塞风道面积能优化4 m2，风道长度按40 m考虑，两条活塞风道能减小的土建规模至少为4*40*2=320 m3，一个车站能减小的土建规模至少为640 m3，加上人防门、风道消声器、风阀等设备减少的费用，一个车站相应优化的总投资额相当可观。另外，降低附属建筑土建规模也可减少对周边环境的影响和征地难度，带来一定的社会效益。可见，对活塞风道面积进行取值优化，意义重大。

3 计算结果分析

3.1 计算内容

区间隧道通风系统主要负责两个车站之间的区间隧道通风与排烟，包括自然通风（夜间停运时）、活塞通风与机械通风三种方式。在区间隧道的两端，即每个车站的两端，对应每条隧道或只对应出站端隧道设置了直通地面的活塞风道，正常运行时，利用列车行驶产生的活塞效应，通过活塞风道实现隧道与地面的换气，即活塞通风。

该次计算内容仅为正常工况下的活塞通风，按远期2048年早高峰运营条件设计，分别选取活塞风亭（道）的面积为20 m2、16 m2、12 m2通过计算分析对比区间温度、风亭风量和人员新风量，从而确认该工程的活塞风亭（道）最优取值。

3.2 工程概况及基础资料

该地铁线路起于大学城南站并向北延伸，终点站为水西北站，线路长约21.9 km，共设11座车站，均为地下车站，平均站间距约2.0 km，最大站间距3.263 km，全线采用全封闭站台门系统。在大学城南~深井区间、大沙东~姬堂区间、科丰路~萝岗区间分别设置一座中间风井。区间隧道均采用盾构暗挖工法，盾构内径为5.4 m。列车采用6辆编组B型车，正线最高运行速度为80 km/h，刹车返馈效率80%，表面摩擦阻力系数0.023，列车长度120 m。行车系统设计能力行车对数为30对。运载能力按远期2048年早高峰运营条件设计，远期早高峰上行最大断面客流出现在洪圣沙～裕丰围区间，为22 704人/h，下行最大断面客流出现在大沙东～姬堂区间，为17 110人/h，上行断面客流高于下行。隧道壁土壤导热系数为1.3 W/m·℃，地层温度为25 ℃。

3.3 区间温度对比

区间隧道内的地铁列车和各种机电设备的运行产生大量的热量。据统计当列车最大通过能力为30对/h和列车编组为6节时，1千米的区间隧道内平均热量为1 200 kW以上。同时，密集的乘客以及连续的照明在区间隧道内也产生大量热量，为消除这些热量，需要通过隧道通风系统不断从室外引风换气降温[2]。可通过SES软件建模计算确认区间隧道内的节点温度。

根据地铁设计规范规定，车站设置全封闭站台门时，区间隧道内夏季的最高温度不得高于40 ℃，为预留安全余量，在实际工程设计中按不高于38.5 ℃考虑。由于远期早高峰上行断面客流高于下行，该次计算仅分析远期上行区间节点温度，同时为简化直观地显示区间参数，该文截取断面客流较大的长洲~大沙东区间（四站三区间）进行对比分析节点温度。活塞风亭（道）的面积为20 m2、16 m2、12 m2三种情况下该段区间（上行）的节点温度图见图2。

图2 不同面积情况下区间（上行）的节点温度图

由上可见，随着活塞风亭（道）的面积的减小，隧道节点温度上升，活塞风亭（道）为20 m2、16 m2、12 m2时区间隧道节点温度最高温度分别38.1 ℃、38.5 ℃、39.0 ℃，活塞风亭（道）为12 m2时已不符合设计要求。

3.4 风亭风量对比

隧道通风系统的通风包括活塞风亭的进风、排风以及车站排风亭的排风，也包括地铁车站通过站台门渗漏的少量渗漏风，为简化计算，该次计算全线隧道的通风量按活塞风亭的进风量之和确定。

根据《城市轨道交通工程项目建设标准》规定，隧道通风系统的通风量应保证隧道内换气次数每小时不应少于3次供应人员的新鲜空气量要求。分别计算活塞风亭（道）的面积为20 m2、16 m2、12 m2三种情况下区间隧道远期风量，计算结果如表1。

表1 不同面积情况下的隧道内换气次数对比

由表1可见，由于轨排风机作用，活塞风亭大部分时间都处于进风状态，有效地对隧道进行了通风换气及降温。随着活塞风亭（道）的面积的减小，隧道内通风量降低，活塞风亭（道）为20 m2、16 m2、12 m2时的隧道换气次数均满足规范要求。

3.5 人员新风量对比

根据《城市轨道交通工程项目建设标准》规定，区间隧道内每个乘客每小时供应的新鲜空气量不应少于12.6 m3。区间隧道内人员新风量可按区间断面平均风量除以断面客流确定，选取断面客流最大的洪圣沙～裕丰围区间进行人员新风量校核验算，计算结果如表2。

表2 不同面积情况下的隧道新风量对比

从表2可以看出，活塞风亭（道）面积变化时，区间隧道内平均风量相差不大，说明区间隧道内风量主要由列车在隧道内行驶过程中形成的活塞风效应决定，活塞风亭（道）的面积对此影响较小[3]。活塞风亭（道）为20 m2、16 m2、12 m2时的隧道乘客新风量均满足规范要求。

3.6 面积取值确定

通过上述计算可知，活塞风亭（道）面积分别为20 m2、16 m2、12 m2时，区间隧道的温度、风量等参数也发生变化。随着风亭（道）面积减小，隧道内节点温度、隧道通风量、乘客新风量减小，区间隧道的环境越恶劣。活塞风亭（道）面积为12 m2时，隧道换气次数、道乘客新风量均满足规范要求，但隧道节点温度不满足要求，不应采纳此方案；活塞风亭（道）面积为20 m2、16 m2时，隧道节点温度、换气次数、乘客新风量均满足规范要求，但从车站建设费用及社会效益来考虑，并不是说活塞风亭（道）面积越大越好；综合考虑该工程活塞风亭（道）面积取值确定为16 m2。目前国内地铁线路活塞风亭（道）面积均按不小于16 m2设计，该次计算结果也符合国内地铁设计常规做法。

需要指出的是，该次计算基于6节编组非中心城区的线路为案例，且假设全线车站均为双活塞系统的理想模型。有研究表明，双活塞系统相对单活塞系统通风效果好，隧道内换气次数高，且节能方面具有一定优势[4]，如果线路某些车站采用单活塞系统，隧道内环境应比该文计算结果恶劣。另一方面，采用不同编组的线路需要的活塞风亭（道）也不同，有研究表明，8节编组的线路比6节编组的线路需要的活塞风亭（道）扩大30%以上[5]。所以不能简单推导相似条件下的地铁线路的活塞风亭（道）面积就取16 m2即可，也不可单纯地从减费降造的角度考虑尽可能压缩风亭（道）面积，考虑地铁为百年工程，应对地铁内通风条件做出适当预留。

4 结束语

在地下车站土建规模中，隧道通风系统的风亭风道占比通常超过20%，从隧道通风功能角度讲，风亭风道面积越大隧道内环境越好，但从建设费用及社会效益方面来考虑，又希望土建规模越小越好，所以确定合理的风亭风道面积尤为重要。由上文分析可知，单纯地为减少地面风亭规模，从而要求减小风亭尺寸的意义并不大。但在满足系统功能、运营环境需求的条件下优化风道尺寸，则意义重大。

综上所述，地铁线路活塞风亭及活塞风道面积的取值确认需要综合考虑隧道断面、车辆数据、行车对数、客流量等多项指标，同时考虑远期预留，需要通过准确计算寻求一个合理经济的取值。