青岛地铁1号线环控系统优化设计

关键词： 地铁  空调  冷源  通风  站台门

青岛为海滨城市，具有空调季节短，最热月空气湿度大等气候特点，通风空调系统制式及运行模式具有特殊性。地铁环控系统采用制冷空调及通风设备对地铁隧道、公共区（站厅、站台、通道）、设备及管理用房的空气环境进行控制。目前青岛地铁已开通运营3号线、2号线、11号线及13号线，1号线北段和南段车站正在进行机电安装，中段车站进度慢于北段和南段。青岛地铁已经运营的环控系统采用半高站台门通风空调系统方案或全封闭站台门通风空调系统方案。笔者将介绍青岛地铁1号线环控系统主要方案，重点关注各难点的解决方案。

青岛地铁1号线全长60km，共设41座地下车站（包括换乘车站12座）。典型站为地下二层岛式结构，部分站为双岛四线换乘车站。采用B型车6辆编组，远期（地铁建成通车后第25年）高峰行车对数为30。

青岛空调季节短（约90天），过渡季节长，若采用半高站台门，则隧道与公共区为一个控制单元，空调季空调负荷相对大，能耗高；若采用全封闭站台门将隧道与公共区分隔为独立的控制单元，因公共区相对封闭，过渡季需要采用机械通风用以改善空气品质。

此外，地铁1号线部分车站对环控系统提出新要求。部分车站受设备用房布局或地面风井条件限制，公共区采用两端送排风的常规方案，显得不合理；部分车站地面无条件设置冷却塔，需要有新的冷源方案；青岛北站、青岛火车站等现有车站通风空调系统与全线系统方案不一致，不改造将无法满足系统功能要求。

传统典型地下车站采用半高和全封闭站台门。半高站台门位于站台边缘，列车与站台公共区之间，站台门上部隧道与站台公共区的空间连通，如图1所示；全封闭站台门上部通过固定面板连接轨顶风道土建结构，隧道与站台公共区的空间隔断，如图2所示。若将全封闭站台门的固定面板改成电动通风窗，则称为可调通风型站台门。

本线采用可调通风型站台通风空调系统方案，运行模式上可发挥上述两种系统的优点。空调季站台门上部通风窗关闭，实现全封闭站台门空调功能；过渡季通风窗开启，实现半高站台门模式，可利用隧道活塞风对公共区通风。

针对地下车站采用半高站台门、全封闭站台门及可调通风型站台门所使用的通风空调系统，从设备初投资、土建投资、运行能耗、运行维护费用、综合费用等方面进行比较，见表1。主要条件设定如下：通风空调系统冷负荷按照远期考虑，采用动态经济比较法进行比较，表1中设备年费、土建年费采用设备投资或土建投资乘以资金回收系数计算，通风空调设备、站台门等比较的期限为20年，地下车站的土建使用年限为100年，贷款利率按6.55%计算。

经过综合比较，可调通风型站台门通风空调系统方案经济性最优。下面仅对可调通风型站台门通风空调系统的主要子系统（隧道通风系统、公共区空调通风系统、冷源系统）进行介绍。

隧道通风系统由站内隧道通风系统及区间隧道通风系统组成。站内隧道通风系统服务于站台轨行区正常工况排除列车停站散热量，以及事故工况下火灾列车停靠站台时排烟。如图3所示，站内隧道通风系统以站台中心为界两侧分别设置一套隧道风机兼轨道排风机、轨顶风道、风阀及风亭。区间隧道通风系统由车站两端的隧道风机、活塞风阀及风井组成，正常工况活塞通风，火灾事故工况下利用隧道风机完成通风排烟。

国内站内隧道通风系统轨道排风机一般独立设置，主要目的是满足正常排热功能。但青岛地区夏季隧道通风室外空气计算温度为26℃ ^[1] ，理论上正常工况无须采用机械排风，但需要校核计算活塞通风状况下隧道温度。

采用SES（地铁环境模拟）软件 ^[2] 对隧道温度进行计算，主要输入信息为夏季隧道通风室外空气计算温度、B型车6辆编组、远期高峰行车对数30等。夏季设计工况下列车正常运行时，关闭隧道排热风机，开启各车站活塞风阀进行活塞通风。由模拟结果可以看出，典型站站台外侧隧道区段平均温度均不超过40℃（见图4），满足GB 50157-2013《地铁设计规范》 ^[3] 中“列车车厢设置空调，车站设置全封闭站台门时，不得高于40℃”的要求。

模拟结果表明，空调季节车站隧道平均温度一般低于30℃，因此正常情况不需要开启排风机。采用隧道风机兼轨道排风机，兼顾排烟及个别超温情况排热功能，确定以下正常工况运行模式:当车站隧道温度t≤30℃时，关闭排风机；30℃＜t＜36℃时，排风机变频下限（风量24m3/s）运行；t≥36℃时，排风机变频至高档位（风量36m3/s）运行。

以东环路站—贵州路站区间跨海隧道通风系统为例，介绍区间隧道通风系统。东环路站—贵州路站区间站间距6.7km，海域段3.4km，车站之间运行时间为4min45s，远期最小行车间隔2min。可知东环路站—贵州路站区间正常同时存在两列或两列以上列车同向运行。依据GB 51298-2018《地铁设计防火标准》 ^[4] ，排烟时应能够使非着火列车处于无烟区。通过设置区间风机房将区间分成多个通风区段，每个通风区段正常运行同时存在1列车。由于海域段海面无条件设置区间风机房，必须考虑海面设置区间风机房的等效方案———在海域段设置轨顶风道并在海域段中部轨顶风道上设置机械风阀与隧道左右线连通，在海域段两端海边分别设置区间风机房与轨顶风道连通，如图5所示。通过设置区间风机房将东环路站—贵州路站区间分成4个纵向通风区段———东环路站—南海岸区间风机房、南海岸区间风机房—海域段中部风阀、海域段中部风阀—北海岸区间风机房、北海岸区间风机房—贵州路站，这样每个通风区段正常运行同时存在1列车，因此排烟方式可与常规区间一致。

典型车站站内长度方向左右两端均设置环控机房，左端环控机房全空气系统承担站厅、站台左端空调负荷，右端环控机房全空气系统承担站厅、站台右端空调负荷。以东郭庄站为例，站厅层设备集中端设备用房区域长110m，层高4.8m，若公共区空调风管穿过设备区，综合管线排布要求站厅层高须增加0.5m，对土建结构影响较大。因此，采用由车站非设备集中端环控机房承担整个公共区空调负荷的单端送排风方案。但是单端送排风导致站台层（层高4.5m）管线综合排布困难，只能采用单根送风管、单根排风管承担整个站台送排风，导致传统风口不能保证送排风均匀性。采用风管内部风口面积可调的空气分布器保证送 排风均匀性（见图6）。 根据设定的系统风量风压，以各个空气分布器的内口主控尺寸、主导流板的弯曲弧度、风管开口尺寸等主要几何尺寸为边界条件建立模型，对各风口处风管内所装的空气分布导流器进行了风量分配的CFD仿真模拟。 结果显示各风口风量均能够达到设计要求。

车站公共区空调通风（兼排烟）系统运行模式为：空调季节站台门上方通风窗关闭，根据室外空气焓值自动转换最低新风量空调工况或全新风空调工况；过渡季节站台门上方通风窗开启，利用隧图6均匀送风、均匀排风风管纵向剖面示意图道活塞通风对公共区通风换气；冬季站台门上方通风窗关闭，可根据空气品质需求对公共区补充新风。站台公共区发生火灾时，对发生火灾的防烟分区进行排烟，由站厅自然补风，同时站台门上方通风窗开启，启动车站的隧道风机、隧道风机兼轨道排风机辅助排烟。同时由本站站务人员在确认左线（或右线）相邻区间列车已越行本站后，在综合后备控制盘（IBP）上手动操作打开该侧站台首、尾站台门；如左右线相邻区间的列车均已越行本站后，进行辅助排烟。站厅公共区发生火灾时，对发生火灾的防烟分区进行排烟，由出入口自然补风。

青岛地铁1号线有十几个车站都存在地面用地紧张或征地困难的情况，冷却塔放置困难。为此，设计采用了整体式蒸发冷凝冷水机组放置在地下的方案，地下蒸发冷凝冷水机组机房设置于新风道与排风道之间，方便从新风道引入新风，排风排入排风道（见图7）。该方案较好地解决了冷却塔占地困难问题。

青岛地铁1号线站台有条件时均设置可调通风型站台门。青岛北站、青岛火车站土建条件按半高站台门要求预留，土建结构已经建成，站台门尚未安装。本次设计对青岛北站、青岛火车站站台门均进行了改造。

以青岛北站为例，1号线青岛北站为3号线、8号线换乘车站。若采用原设计，半高站台门上部开敞，公共区与车轨区相通，公共区的冷负荷为可调通风型站台门通风空调系统的2.5倍左右。如果1号线青岛北站站台门不进行改造，站台层公共区的温湿度要求无法保证，冷量大部分会被活塞通风带走，造成乘客的不舒适感。因此根据既有土建条件将青岛北站站台门进行了改造。原区间隧道未设置活塞风亭，通过对既有风道拆改，将隧道通风系统改造为活塞通风系统，达到了为隧道降温的目的。

结合青岛气候特点，针对地铁1号线环控系统的要求及难点，笔者通过动态经济比较法确定采用可调通风型站台门通风空调系统，该系统优于全封闭站台门通风空调系统及半高站台门通风空调系统方案。方案要点具体如下：

（1）隧道通风系统。夏季设计工况下列车正常运行时，关闭隧道风机兼轨道排风机，开启各车站活塞风阀，车站隧道温度满足要求，可实现节能运行。

（2）公共区空调通风系统。空调季节站台门上方通风窗关闭，过渡季节站台门上方通风窗开启，利用活塞通风对公共区通风换气，冬季站台门上方通风窗关闭，也可实现节能运行。地铁火灾工况下，环控系统根据需要由正常运行模式切换到防排烟模式，为疏散救援创造条件，其中跨海隧道采用区间风机房将区间分成多个通风区段，发生火灾时，每个通风区段采用纵向通风方案。个别车站公共区从单端送、排风时，采用空气分布器可保证送排风均匀性，解决站台层管线排布困难问题。

（3）蒸发冷凝冷水机组放置地下方案可解决冷却塔占地困难问题。现有车站的环控系统方案影响其他站节能运行时，根据土建条件进行改造，可保证空调工况时全线各站公共区与区间隧道隔离，达到整体节能。