地鐵地下車站環控設計問題分析摘要 通過對工程實踐的經驗總結,提出地鐵地下車站環控設計中存在的一些共性問題,并給出改進意見。關鍵詞 地下車站 環控設計 機房 風亭 地鐵工程設計中環控專業的任務是:當列車正常運行時保證地鐵內部環境的空氣質量、溫濕度、氣流組織、氣流速度和噪聲等均能滿足人員的生理及心理條件要求和設備正常運轉;當列車阻塞在區間隧道內時向阻塞區間提供一定的送、排風量,以保證列車空調冷凝器的繼續運行,從而維持列車內部乘客能接受的熱環境條件;當軌道交通系統發生火災時,根據火災發生的具體位置,能提供有效的排煙措施,為乘客和工作人員提供足夠的新風,并形成一定的迎面風速,引導乘客安全撤離。環控方案的優劣不僅影響本專業設計目的的實現,還與建筑、結構、工藝、規劃及車站總體造價直接相關。近年來筆者所在單位參與了國內外多個地鐵工程的投標、設計總包、監理,根據工程實踐,筆者對環控設計存在的一些較為共性問題進行分析論述并提出改進意見,供同行參考。1環控機房優化 地下車站環控機房包括:區間隧道風機(ＴＶＦ,ｔｕｎｎｅｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｆａｎ)風道、軌頂軌底排熱Ｕ/Ｏ風機風道、環控大小系統空調機房與新回風道、冷水機房等。一個標準的地下兩層島式車站,例如有效站臺長140ｍ,寬12ｍ,其車站面積約8000～10000ｍ2,其中環控機房面積至少2000ｍ2,占車站總面積的1/5以上。筆者認為環控機房的優化十分必要且大有節能潛力,本文從以下兩點分析。1)與建筑、結構方案密切配合 地鐵環控有別于地上公共建筑,其公共區大系統無論平時的通風空調負荷還是火災時的排煙負荷都相對較大;設備管理用房小系統因有牽、降變電所,設備發熱量大,為滿足工藝要求其通風空調負荷也相對較大。因此,大、小系統均存在著設備尺寸和送排風道相對較大的問題。這樣機房面積小了滿足不了其功能要求和日常維修管理的需要,這是絕不允許的;面積大了又會造成浪費(土建造價約為1萬元/ｍ2)。環控機房要達到設備布置、系統安裝、氣流組織的合理優化須由暖通、建筑、結構、工藝等各專業綜合協調及互相配合。建筑布局的合理是其方案優化的前提,而建筑方案受限于城市規劃與地鐵線路等諸多因素。環控專業設計人員應主動參與各階段建筑方案設計與調整,密切配合各環節接口方案優化。上海9號線宜山路站為地下四層島式站,建筑面積24500ｍ2。四層站環控方案本來比一般兩層車站復雜,但設計時巧妙地利用了空間,其特點是:平面布置緊湊,各系統與設備的設置打破常規的思路,利用機房層高局部設置設備夾層,通過設備、風道、風室、風閥的功能協調,實現了設備布置與氣流組織的合理化。特別是區間機械ＴＶＦ風道與軌頂軌底排熱Ｕ/Ｏ風機風道的設置,其特點是每一端的每一臺風機都能設置在最佳位置,有的利用空間,有的則利用延長風道,真正實現了機房和風道面積最小化。上海明珠線浦東大道站為標準地下兩層島式曲線站,建筑面積9850ｍ2。該站環控設計值得借鑒的是工藝設備用房的建筑平面布置。主要工藝用房牽、降變電所等設置在有利于環控送回風的最佳位置,這樣氣流順暢,同時節省機房面積及建筑空間。筆者認為以上兩個地鐵車站的環控設計較理想,實現了環控與建筑、結構等專業的最佳配合。由于設計圖紙較復雜,此處未給出詳圖,感興趣的同仁可與筆者進一步討論交流。2) 建集中制冷站 這是近期經常提出的研討課題。目前國內地鐵多為各站分設冷水機房。建集中制冷站有兩種方案:一是橫向即一條線多個車站的制冷站合建。冷水通過管網(敷設在地下或地鐵隧道內)送至各車站。此方案需要根據不同線路和車站的方案具體從技術、經濟、安全、節能、城市規劃等方面進行利弊分析比較確定。二是縱向即換乘站集中合建。目前國內大城市均在大力興建地鐵,大型換乘站越來越多,且多條線縱向交叉。換乘站一般分為既有制冷站和新建制冷站。傳統的設計理念是不同線路分別建制冷站,這樣造成機房多、冷卻塔多。如果拆除既有制冷站并與新建線路制冷站合建,只要實施社會化管理,對不同部門進行用冷計量,集中制冷站的方案完全可行,并具有明顯的優勢:供冷半徑小,節約機房面積,減少站外冷卻塔與膨脹水箱數量,從而減少噪聲污染,美化城市景觀,精減運行管理人員以節省人員開支,提高制冷機ＣＯＰ值,節約能源及運行費用。 2004年筆者所在單位對上海徐家匯大型換乘站建集中制冷站作了論證與研討,提出了分析數據與論點。徐家匯站是即將建設的地鐵Ｒ3,Ｒ4線與現有地鐵1號線在徐家匯的換乘樞紐站,分散方案中徐家匯各制冷機房的冷水機組設置情況為:1號線車站采用兩臺螺桿冷水機組,單臺制冷量為581ｋＷ(既有);Ｒ3線車站采用兩臺螺桿冷水機組,單臺制冷量為1044ｋＷ(新建);Ｒ4線車站采用兩臺螺桿冷水機組,單臺制冷量為1044ｋＷ(新建)。根據徐家匯站全年冷負荷時間頻數、各制冷機部分負荷的性能曲線及系統在各負荷下的運行方案對全年系統運行能耗費用進行初步比較,結果見表1。
由表1可得出,初投資方面,徐家匯站采用集中制冷站比各新建站分別設置制冷機房增加投資60萬元,機房面積增加60ｍ2,如果考慮1號線既有系統的造價,集中制冷站方案的初投資會低于分散方案;運行能耗費用方面,采用集中制冷站,系統每年可節電43.2萬ｋＷｈ,年節約運行費用27萬元,經濟效益顯著,并且運營管理與維護人員相對減少,設備維護集中方便,可進一步節約運營管理與維護費用;社會效益方面,可以取消大量分散的冷卻塔及膨脹水箱,減少噪聲污染,優化環境。 因此,按集中制冷站方案,雖然既有1號線徐家匯站的冷水系統被拆除,造成一定程度的浪費,但與采用該方案所帶來的各種效益比可以接受。2室外風亭、冷卻塔設置的優化 一個地鐵車站至少要設置活塞ＴＶＦ風井4個(排活塞風方案)、排風井2個(Ｕ/Ｏ與回、排風合用方案)、新風井2個、冷卻塔2個。風亭設計形式有高、低風亭,獨立與合建風亭。無論哪種方案都須使設計達到兩個條件:一是保證環控氣流組織合理并使風道最短以減少沿程與局部阻力;二是滿足室外與城市規劃的完美結合及噪聲達標。目前國內已運行和正在建設的地鐵站的風亭與冷卻塔的設置均不是很理想。其原因是:風亭設計方案與站內平面布局密切相關,而平面布局受限于當地規劃與建筑形式;設計前期建筑專業側重于城市規劃而環控專業參與配合滯后,往往建筑布置滿意、規劃也審批了,卻發現環控氣流存在問題。歸納一些地鐵審查意見,較普遍的問題為:1)新風亭、冷卻塔、排風亭與出入口距離較近,造成熱濕空氣或車站排煙倒流至車站。2)城市內多為合建風亭。《地鐵設計規范》(ＧＢ50157—2003)第12.2.43條規定:“當進排風亭合建時,排風口應比進風口高出5ｍ,或錯開方向布置,且進排風口最小間距應大于5ｍ。”一般設計進排風口均能錯開布置,但不易做到最小間距5ｍ,此時環控專業必須給建筑專業提供經計算得到的風口格柵及其安裝高度尺寸。此問題看似簡單,但在實際配合中往往容易出現問題,即該配合滯后于建筑規劃的審定,從而造成實施的困難。筆者計算得到的上海Ｍ8線中興路站的結果為:西端新風口尺寸為3ｍ(寬)×4ｍ(高),風速3.7ｍ/ｓ;排風口5ｍ(寬)×4ｍ(高),風速3.8ｍ/ｓ;設室外地面為±0.0,新風口底2.0ｍ,頂6.0ｍ;排風口底11.0ｍ,頂15.0ｍ。3)室外風亭、冷卻塔噪聲超標。設計必須對噪聲敏感點作現場勘察與環境影響評價,以此作為設計依據,合理選擇消聲設備,制定消聲方案。上海楊浦線環境影響評價結果提出:全線選擇低噪聲優質冷卻塔;排風口背向居民區;排風道消聲器加長至3.0ｍ。3設備選型優化 地鐵車站環控設備負荷大,動力電耗相對較大。標準地下兩層島式站和一島一側站環控總電耗分別約為1200～1360ｋＷ和1500～1650ｋＷ。環控設計應該嚴格、合理地進行各系統計算,優化設備選型,舉例如下。1) 用于隧道機械通風的可逆轉耐高溫軸流風機(ＴＶＦ)(參數如表2所示) 由表2可見,風量相同僅全壓降低100Ｐａ,電耗就減少22ｋＷ,如果設計時既優化風道又嚴格計算每個ＴＶＦ系統,使其阻力降低100Ｐａ,那么一個車站4臺ＴＶＦ風機就可節電88ｋＷ。2)用于車站公共區大系統回、排風與火災排煙的單向運轉耐高溫軸流風機(ＨＰＦ) 某地下車站初步設計中車站每端選用2臺雙速12Ａ型風機(參數見表3),運行方式為:每端平時2臺風機低速運轉,火災時切換成1臺風機高速運轉;施工圖設計時,筆者將此改為車站每端選用2臺單速12Ａ型風機(參數見表3),運行方式為:平時與火災時每端均運轉2臺風機。分析以上兩種方案(該系統風道合用一套)可得,平時運轉風量、風壓相同的4臺單速風機,其電耗共減小12ｋＷ;火災時2臺單速風機并聯運轉,衰減后風量與單臺高速風量基本相同,風壓也能滿足要求,此時4臺風機電耗共減少14ｋＷ,還避免了火災時的控制切換。由以上兩例不難看出設備的設計優化的必要性。3)重視專業配合 地下車站要達到設計方案優秀、施工問題最少、運營最滿意,需要各專業相互配合。筆者就環控專業設計總結如下:①孔洞預留。確定設計方案后,孔洞預留是一項非常重要的工作。地下四層站僅結構各層板上的環控孔洞約80個,地下兩層站至少也要40～50個,其中最大尺寸為5ｍ×4ｍ。結構中板和頂板一般分別為450ｍｍ和800ｍｍ厚現澆鋼筋混凝土板,對每一個孔洞的結構設計均要計算后對板做特殊處理,如果在提取資料時忘記給結構留孔,從設計與施工程序上往往不易發現,一般待土建完后的設備安裝階段才會發現,這時問題就已嚴重:首先從施工周期上補洞是不可能的,影響了施工進度,造成很壞的專業影響;結構專業補洞處理先要在板上剔洞,經計算后現澆補梁,還可能影響其他專業。因此,須注意孔洞的預留。②車輛限界。地下鐵路與地上鐵路一樣,車輛限界是設計中的法律性問題。任何設備、設施的安裝一定不能超出界限,這是基本原則。設計時首先要畫上限界圖,設備與限界之間至少要預留200ｍｍ,因為土建支模施工均有誤差。當工程竣工后測限界時,不管什么原因只要超了限設備均要拆除。地鐵有效站臺車輛上方均有環控軌頂排熱風道,風道下掛有電力接觸網;車站區間有些區段在軌頂或軌側設有環控射流風機;車站有效站臺外根據需要在軌頂設有環控風道等,設計以上設施時均需計算限界并配合其他專業注意是否超限。③綜合管線。車站內的綜合管線,無論在設計階段還是在施工后期裝修階段都是工程例會時問題最多的內容。管線混亂會浪費層高,不利于維修,還會影響車站最終的裝飾效果。環控風道是綜合管線的主角,其次是電力、電信的電纜橋架、消防噴淋管道。環控設計首先要重視自己的系統管線,風道斷面的大小要綜合計算并與設備選型協調至最經濟、最合理。一個車站的環控大、小系統風道與冷水管道交叉有時會有三四層界面,管線的合理分布與建筑平面、環控機房、孔洞預留位置的合理性分不開。因此,設計時環控先要做好綜合管線優化方案,在此基礎上與其他各專業配合,才能做到心中有數。對要求的層高、立管孔位及需特殊處理的結構梁、柱等均能主動提出,這樣既保證了本專業方案的實施,也為建筑的最終裝飾效果提供了保證。參考文獻[1] 北京城建設計研究總院.ＧＢ50157—2003 地鐵設計規范[Ｓ].北京:中國計劃出版社,2003
由表1可得出,初投資方面,徐家匯站采用集中制冷站比各新建站分別設置制冷機房增加投資60萬元,機房面積增加60ｍ2,如果考慮1號線既有系統的造價,集中制冷站方案的初投資會低于分散方案;運行能耗費用方面,采用集中制冷站,系統每年可節電43.2萬ｋＷｈ,年節約運行費用27萬元,經濟效益顯著,并且運營管理與維護人員相對減少,設備維護集中方便,可進一步節約運營管理與維護費用;社會效益方面,可以取消大量分散的冷卻塔及膨脹水箱,減少噪聲污染,優化環境。 因此,按集中制冷站方案,雖然既有1號線徐家匯站的冷水系統被拆除,造成一定程度的浪費,但與采用該方案所帶來的各種效益比可以接受。2室外風亭、冷卻塔設置的優化 一個地鐵車站至少要設置活塞ＴＶＦ風井4個(排活塞風方案)、排風井2個(Ｕ/Ｏ與回、排風合用方案)、新風井2個、冷卻塔2個。風亭設計形式有高、低風亭,獨立與合建風亭。無論哪種方案都須使設計達到兩個條件:一是保證環控氣流組織合理并使風道最短以減少沿程與局部阻力;二是滿足室外與城市規劃的完美結合及噪聲達標。目前國內已運行和正在建設的地鐵站的風亭與冷卻塔的設置均不是很理想。其原因是:風亭設計方案與站內平面布局密切相關,而平面布局受限于當地規劃與建筑形式;設計前期建筑專業側重于城市規劃而環控專業參與配合滯后,往往建筑布置滿意、規劃也審批了,卻發現環控氣流存在問題。歸納一些地鐵審查意見,較普遍的問題為:1)新風亭、冷卻塔、排風亭與出入口距離較近,造成熱濕空氣或車站排煙倒流至車站。2)城市內多為合建風亭。《地鐵設計規范》(ＧＢ50157—2003)第12.2.43條規定:“當進排風亭合建時,排風口應比進風口高出5ｍ,或錯開方向布置,且進排風口最小間距應大于5ｍ。”一般設計進排風口均能錯開布置,但不易做到最小間距5ｍ,此時環控專業必須給建筑專業提供經計算得到的風口格柵及其安裝高度尺寸。此問題看似簡單,但在實際配合中往往容易出現問題,即該配合滯后于建筑規劃的審定,從而造成實施的困難。筆者計算得到的上海Ｍ8線中興路站的結果為:西端新風口尺寸為3ｍ(寬)×4ｍ(高),風速3.7ｍ/ｓ;排風口5ｍ(寬)×4ｍ(高),風速3.8ｍ/ｓ;設室外地面為±0.0,新風口底2.0ｍ,頂6.0ｍ;排風口底11.0ｍ,頂15.0ｍ。3)室外風亭、冷卻塔噪聲超標。設計必須對噪聲敏感點作現場勘察與環境影響評價,以此作為設計依據,合理選擇消聲設備,制定消聲方案。上海楊浦線環境影響評價結果提出:全線選擇低噪聲優質冷卻塔;排風口背向居民區;排風道消聲器加長至3.0ｍ。3設備選型優化 地鐵車站環控設備負荷大,動力電耗相對較大。標準地下兩層島式站和一島一側站環控總電耗分別約為1200～1360ｋＷ和1500～1650ｋＷ。環控設計應該嚴格、合理地進行各系統計算,優化設備選型,舉例如下。1) 用于隧道機械通風的可逆轉耐高溫軸流風機(ＴＶＦ)(參數如表2所示) 由表2可見,風量相同僅全壓降低100Ｐａ,電耗就減少22ｋＷ,如果設計時既優化風道又嚴格計算每個ＴＶＦ系統,使其阻力降低100Ｐａ,那么一個車站4臺ＴＶＦ風機就可節電88ｋＷ。2)用于車站公共區大系統回、排風與火災排煙的單向運轉耐高溫軸流風機(ＨＰＦ) 某地下車站初步設計中車站每端選用2臺雙速12Ａ型風機(參數見表3),運行方式為:每端平時2臺風機低速運轉,火災時切換成1臺風機高速運轉;施工圖設計時,筆者將此改為車站每端選用2臺單速12Ａ型風機(參數見表3),運行方式為:平時與火災時每端均運轉2臺風機。分析以上兩種方案(該系統風道合用一套)可得,平時運轉風量、風壓相同的4臺單速風機,其電耗共減小12ｋＷ;火災時2臺單速風機并聯運轉,衰減后風量與單臺高速風量基本相同,風壓也能滿足要求,此時4臺風機電耗共減少14ｋＷ,還避免了火災時的控制切換。由以上兩例不難看出設備的設計優化的必要性。3)重視專業配合 地下車站要達到設計方案優秀、施工問題最少、運營最滿意,需要各專業相互配合。筆者就環控專業設計總結如下:①孔洞預留。確定設計方案后,孔洞預留是一項非常重要的工作。地下四層站僅結構各層板上的環控孔洞約80個,地下兩層站至少也要40～50個,其中最大尺寸為5ｍ×4ｍ。結構中板和頂板一般分別為450ｍｍ和800ｍｍ厚現澆鋼筋混凝土板,對每一個孔洞的結構設計均要計算后對板做特殊處理,如果在提取資料時忘記給結構留孔,從設計與施工程序上往往不易發現,一般待土建完后的設備安裝階段才會發現,這時問題就已嚴重:首先從施工周期上補洞是不可能的,影響了施工進度,造成很壞的專業影響;結構專業補洞處理先要在板上剔洞,經計算后現澆補梁,還可能影響其他專業。因此,須注意孔洞的預留。②車輛限界。地下鐵路與地上鐵路一樣,車輛限界是設計中的法律性問題。任何設備、設施的安裝一定不能超出界限,這是基本原則。設計時首先要畫上限界圖,設備與限界之間至少要預留200ｍｍ,因為土建支模施工均有誤差。當工程竣工后測限界時,不管什么原因只要超了限設備均要拆除。地鐵有效站臺車輛上方均有環控軌頂排熱風道,風道下掛有電力接觸網;車站區間有些區段在軌頂或軌側設有環控射流風機;車站有效站臺外根據需要在軌頂設有環控風道等,設計以上設施時均需計算限界并配合其他專業注意是否超限。③綜合管線。車站內的綜合管線,無論在設計階段還是在施工后期裝修階段都是工程例會時問題最多的內容。管線混亂會浪費層高,不利于維修,還會影響車站最終的裝飾效果。環控風道是綜合管線的主角,其次是電力、電信的電纜橋架、消防噴淋管道。環控設計首先要重視自己的系統管線,風道斷面的大小要綜合計算并與設備選型協調至最經濟、最合理。一個車站的環控大、小系統風道與冷水管道交叉有時會有三四層界面,管線的合理分布與建筑平面、環控機房、孔洞預留位置的合理性分不開。因此,設計時環控先要做好綜合管線優化方案,在此基礎上與其他各專業配合,才能做到心中有數。對要求的層高、立管孔位及需特殊處理的結構梁、柱等均能主動提出,這樣既保證了本專業方案的實施,也為建筑的最終裝飾效果提供了保證。參考文獻[1] 北京城建設計研究總院.ＧＢ50157—2003 地鐵設計規范[Ｓ].北京:中國計劃出版社,2003
