现代化地铁通风系统的设计_李懋

空调技术

现代化地铁通风系统的设计

）李懋（译

（中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江杭州３１０００４）

摘要：相对家用汽车来说，地铁虽然是一个更好的选择，但重要的是，这样一个脆弱系统的设计者应该意识到地铁建设、维护和运行对环境造成的影响。M o h ammad Tabarra 等人将地铁系统的热性能看做

一个整体，分析了系统热性能对地铁运行及可持续性发展的影响。

关键词：地铁通风；系统热性能；经济性；可持续发展ＤＯＩ：10.3969/J.ISSN.2095-3429. 2014.04.012

ＴＵ８３１中图分类号：

文献标识码：Ｂ

文章编号：２０９５－３４２９（２０１４）０４－００５０－０４

Design of a Modern Subway Ventilation System

（translation ）LI Mao

）（East Branch of China Railway Eryuan Engineering Group Co. ，Ltd ，Hangzhou 310004，China

Abstract ：Ａｌｔｈｏｕｇｈｓｕｂｗａｙｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｓａｎｉｎｈｅｒｅｎｔｌｙｍｏｒｅｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｏｐｔｉｏｎｔｈａｎｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｓｕｓｉｎｇｃａｒｓ，ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｒｏｆｓｕｃｈａｎｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｗａｒｅｏｆｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｏｆｉｔｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｍａｉｎｔｅ－ｎａｎｃｅａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ＭｏｈａｍｍａｄＴａｂａｒｒａ，ａｓｓｏｃｉａｔｅ，Ａｒｕｐ（ＮｅｗＹｏｒｋ），ＤａｖａｒＡｂｉ－Ｚａｄｅｈｄｉｒｅｃｔｏｒ，Ａｒｕｐ（Ｌｏｎｄｏｎ）ａｎｄＳｔｅｆａｎＳａｄｏｋｉｅｒｓｋｉ，ｇｒａｄｕａｔｅｅｎｇｉｎｅｅｒ，ａｌｓｏｏｆＡｒｕｐ（Ｌｏｎｄｏｎ），ｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｓａｗｈｏｌｅ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｔｈｉｓｗｉｌｌｈａｖｅｏｎｉｔｓｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｓｓｏｃｉａｔｅｄｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｎｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ．

Key words ：ｓｕｂｗａｙｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ；ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ

０引言

在地铁系统初设阶段，本文采用常用的分析方法对地铁通风系统的相关影响因素进行分析，探讨每个影响因素的作用及相关因素的综合效应，使其后期工程设计方案既满足系统的经济性要求，又做到满足可持续性发展的要求。

通过合理确定各个变量之间的相互关系，我们可以同时满足地铁系统的空气动力学要求和舒适性标准。某些参数对列车运营环境具有决定性作用，但是选取不当则会影响到系统性能和运营成本。因此，本研究的目的就是通过系统优化，来创建一个合理的具有较高成本效益的系统。

１现代通风系统概述

在地铁系统中，运行的列车可以被视为一个移动热源，其热量主要由列车制动系统产生，同时列车空调器以及列车上的乘客都会产生热量。但同时，列车运行时又带动隧道、车站和通风竖井内的空气流动，即活塞效应。

列车运行分三种模式，即正常模式为列车在信号系统控制下，准确地停靠在车站站台的模式；阻塞模式，由于多种原因，列车可能会在隧道内停下来；应急模式指发生火灾时，列车被困在隧道里的情况。

正常模式下，通风系统需要考虑温度和空气品质，

作者简介：李懋（1964-），男，四川南充人，本科，高级工程师，注册公用设备工程师。

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来提供一个适宜的环境。通过设计适宜尺寸和位置的鼓风井可满足上述要求，列车运行时的活塞效应会使隧道及车站与室外进行通风换气。当然，在较热环境下，保证制冷系统的正常运行也是必要的。

上述系统还必须能够在阻塞模式下为阻塞的列车提供新鲜空气；在应急模式下，控制烟气流动来提供一个安全的疏散路线。此时，还需要车站内的隧道通风机提供所必需的风量，来满足隧道内一定的气流速度要求。

图１所示为一个有两个车站和一段隧道的典型通风布置图。该布置图显示的是通风井通过旁路系统和机械通风系统结合在一起，在正常运行时，隧道通风机关闭，通过旁路系统进行自然通风，以缓解列车引起的活塞效应。

３整体系统的设计

隧道通风系统的风量通常是由火灾运行时排烟要求来确定的。由于突发火灾时需要确保乘客的安全，系统设计必须安全可靠。按照火灾时系统整体设计运行，可能引起隧道及车站的工作温度较低，为了控制温度，可减少机械通风时间，进而降低电力消耗、磨损、维修和更换成本，达到系统优化设计的目的。

４通风井尺寸

通风井横截面面积会影响隧道和周围环境之间的空气交换量。对于夏季无空调系统的车站，应尽可能多地引入室外空气，来降低系统内的温度。图２绘制了隧道和车站站台温降与通风井尺寸间的关系。

图２通风井横截面积与温降的关系

图１车站两端的独立通风井和隧道通风机

研究结果表明，通风井尺寸在通常设计范围内，对隧道内温度影响较对站台上的温度影响大。如在通风井横截面积为１５ｍ２时，隧道内的温度变化在４℃左右，

２系统影响参数研究

研究对象选取一个典型的四站模型，其中每个车

表１模型设定的基本参数

参数地铁深处温度环境设计温度列车最高速度隧道公称直径隧道的横截面面积列车横截面积通风井横截面积车站入口总面积

隧道结构

基值１２℃３０℃９０ｋｍ／ｈｒ５．５ｍ２０ｍ２１０．８ｍ２３２．５ｍ２１５ｍ２双孔隧道

站两端有独立通风井

（每个隧道只有一个竖井），建模工具为地铁环境模拟软件（ＳＥＳ）。表１列出了模型的基本参数，并对这些基本参数进行了对比研究。模拟针对一个夏季典型日进行，假设系统为自然通风，无机械通风或冷却运行。各参数变化的影响最终表现为隧道和站台温度的变化。

而对站台的温度影响不超过１℃。同时可以看出，进一步增加通风井的尺寸效果并不明显，而且诸如空间限制和建设成本等因素也决定着通风井大小。

如果车站内设有空调系统使其空气温度低于环境温度，引入室外新风通常对隧道内是有益的，但对车站热环境是不利的。

车站埋深通常由线路走向和岩土工程方面的考虑决定。车站越深，意味着通风井越长，其空气阻力就越大。当气流方向变化时，通过风井的风量减少，而空气再循环量则会增加。因此，如果其他参数保持不变，相对深的站台（３０～４０ｍ）比浅的站台和盖式站台的温度通常高出约２℃。

车站的布局亦会影响到隧道／车站的环境。文章对从上夹层到地面有一、二和三个出口布局的车站进行

２

了模拟，模型中均为有两个７．５ｍ（截面积）的楼梯间。

车站布局对温度的影响如图３所示，可以看出，要达到

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使用轻质材料（如塑料和聚合物等），其结果往往可能适得其反，这是因为这些材料的火灾负荷较金属材料更大。然而，列车载货量（每位乘客携带）在世界各地的地铁系统中差别很大，这一部分还是大有潜力的。

列车速度对系统温度的影响是复杂的。降低列车的速度将减少每次刹车时动能转化的热量，而且可减小列车的活塞效应，进而减少外部空气渗入量和冷却系统的制冷量。选用不同的信号系统，可减少列车运行最高速度，但是这样会影响客流服务水平。因此列车速度不能根据通风设计要求在实际中有所限制。

也可通过改变出口面积，而不仅限于改变相同的效果，

出口数量。但出口的大小往往取决于很多因素，如客流

预测及建筑布局。

应当指出的是，该模拟是选择一个存在被动通风的炎热夏季的一天。如果车站采用机械冷却方式，环境空气渗透量应该最小化。

６采用可再生能源的冷却系统

空调对于实现适宜的系统在热／炎热气候条件下，

环境起着非常重要的作用。此外，创造更舒适的车站环

图３车站出入口的数量对隧道和车站环境的影响

境，有助于吸引地铁的客流量。在这种情况下，相较于

传统的制冷循环，可考虑采用可再生能源。替代品包括地热、河流、海洋或地下水冷却或蒸发冷却。一些地方的地下水十分丰富，这些水可以用来冷却车站或隧道，用完后再回灌到地下。

５轨道坡度和垂直校准

轨道的垂直走向会影响列车制动和推进热量的产生，进而影响到系统的热环境。理想的情况下，车站的入口应该向上倾斜，减少由于制动产生的热负荷。为减少加速耗能，车站出口隧道应该向下倾斜，才能充分利用列车自身的势能。为最大限度减少能耗，司机可充分利用列车惯性进站。

对于典型的地铁隧道，其隧道高度存在一些随机的变化。该模型中假定了轨道垂直方向梯度改变的三种形式—双峰型、井型、水平型。而模拟中假定所有其他参数都保持不变。

模拟结果表明，与基本情况相比，自然通风下的站台温度大约比“双峰”模型站台的温度低３℃，比“水平”模型高１℃，比“井型”模型高４℃。显然“双峰”模型将形成一个更好的车站热环境，而且此时机车牵引力也较小。

应当指出的是，大隧道梯度可能会在其他方面影响通风系统。临界速度和热浮力的增加将需要更大的通风量，火灾时用于推动烟气向下流动。排水装置和运营的成本也会增加。通过减少列车的质量或速度，可减少列车运行中的动能，而列车动能的减少使列车进站所需要的制动力下降，进而减少进站时制动产生的热量。

虽然减少载货量在降低能耗和发热量方面有明显的益处，但其他因素也必须要考虑。比如

７通风系统的设计

除了那些无法由通风设计工程师控制的其它相关专业确定的参数之外，某些情况下，暖通工程师还是可

以积极地采取一些具体措施来调控隧道和车站的室内环境。

在强热源处直接排除发散的热量是阻止列车热负荷进入车站环境的最有效手段。根据列车制动系统或附属空调设备的准确位置，通过站台下方排风（ＵＰＥ）或轨顶排风（ＯＴＥ）系统（如图４所示）进行机械排风来排除系统热量。轨顶的排风也对车站站台顶部的排烟非常重要，通过排烟要求可计算轨顶排风管道的尺寸。

图４车站站台下和轨道上典型的排风和送风系统

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射流风机的原理是纵向推力装置，通常安装在隧道顶、墙壁或角落。大量的空气从一端吸入，加压成高速气流射向另一端。空气被反复加压推动，沿着隧道方向流动。

射流风机可提供一种非常高效的方式来满足隧道所需的流量和促使空气流动。在没有射流风机的系统

图５没有射流风机时的气流组织分布

（如图５所示）中，空气将沿着阻力最小的路径，主要是流向敞开的车站或非事故隧道。射流风机可以用以抵消这种效应，还可以引导应急情况下的逃生路线。

图６给出了使用射流风机的好处。风机型号一定，图７给出了流入事故隧道的有效风量占比与在隧道里运行的射流风机（额定推力７００Ｎ）的数量关系。模拟的火源强度为１５ＭＷ，火源位置介于两车站之间隧道的中部（图５、图６和图７）。

图６有射流风机的气流组织分布

在晚上，可以使用应急隧道通风机，给隧道通风冷却，这能够带动隧道和车站内大量的空气，比自然通风排除了更多的热量。然而，其经济性还需要综合运行成本来衡量。

８进一步设计的可能性

还有许多进一步减少通风量或者年供应时间的可能性。这些可能性存在很多技术难题，但是一旦克服，就能显著减少地铁系统对环境的影响。隧道通风机的噪声控制、再生刹车、外部电阻器网格和站台屏蔽门（ＰＳＤ）都有待研究。特别是ＰＳＤ，在以更大的投资和更多的维护代价下，会减少车站内７５％的热负荷。

有效流动流量的百分比图７总风量维持１１０ｍ３／ｓ不变情况下，

与射流风机数量的关系

如果空调运行，最好确保车站维持常压或者微正压。因此排风量必须要和室外新风量保持平衡，以减少

从隧道环境的渗透。沿着单位站台长度，维持一个合适的排风量，可以使车站的整体温度下降约１０℃。

隧道通风机，一般使用在阻塞模式和应急模式，也可以取代站台下方排风（ＵＰＥ）和轨顶排风（ＯＴＥ）。但隧道风机的这种多功能特性也限制了其安装位置，通常需安装在车站的一端，如图１所示，这样可大大节省空间、资金以及使用周期成本。如果选择这种综合风机的设计，隧道通风井应该从车站向隧道方向倾斜，以增加进入事故隧道空气的比例，进而减少风机房的大小。或者在水平方向上倾斜或者在垂直方向上倾斜，但是这样会显著地影响该区域建筑物的布局，因此要在工程设计的早期就加以实施。广告索引

封面：堃霖冷冻机械（上海）有限公司封底：深圳麦克维尔空调有限公司

９结语

需要对室外空气的温度进行处理，在地铁系统内，

目的是给乘客提供新鲜的空气，在应急情况下，控制烟

气的流动，保证乘客安全逃生。在某些情况下，车站的机械冷却系统要满足全年设计工况。

通常，隧道通风系统的风量由消防应急模式的排烟量决定。但是，通过对通风系统的精心设计和其他系统参数研究，控制温度和供室外新风的机械通风量就会减少。这种更优化的地铁通风设计不仅会减少系统对环境的影响，还会减少投资和运营成本。

２０１４－０５－１５收稿日期：

修回日期：２０１４－０５－２７

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