天津地铁4号线环控系统优化设计
摘 要：文章针对天津地铁 4 号线环控系统方案与设计原则存在的问题，逐一进行了理论与应用分析，提出了改进观点。
关键词：环控系统；地铁；冷源；变频；风机
1概述
天津地铁 4 号线全长 41.4 km，35 个地下站，其中7 个换乘站。
环控系统制式为地下车站及区间隧道通风、空调系统按车站设置屏蔽门系统设计。预留列车 8B 编组。
2 系统方案
车站两端对称设置环控机房与风道，每端环控机房与风道各承担车站一半负荷与相应区间负荷，见图1。
1）全线车站均采用单活塞风井。
2）区间与车站公共区设备相互兼用。
（1）轨行区。排热风机“TUO/A”估算风量 70 m3/s，采用正反转轴流风机，平时工况为轨行区排热，同时采用风阀切换兼用于区间内阻塞、火灾事故送风、排烟与正常工况通风。
（2）车站公共区。回排风机“HPF/A”40 m3/s；送风机“SF/A”40 m3/s，其回排风机与送风机高出空调箱 45%的风量，正常工况利用变频与空调箱配用。
3）区间内阻塞、火灾事故送风、排烟采用轨行区排热风机“TUO/A”和车站公共区回排风机“HPF/A”、送风机“SF/A”三机并联工作。
3）车站公共区与管理用房两系统分设冷水机组，管理用房独立设室外风冷机组。
3优化方案
3.1主要思路
1）本线 35 个地下站，全线环控设计需要根据不同的站位、客流、与建筑内外条件分别采用不完全相同的适实且满足全面要求的系统与设备选型方案。
2）系统方案、设备匹配、机房面积等力求达到技术先进、接口合理、控制可行、经济节能、低碳环保、机房最小且用修方便。
3.2 环控系统重点方案优化论述
1)区间与车站公共区系统设备分开各自独立设置。车站两端各设 2 台区间独立使用的机械 / 事故风机，风量为 60～66 m3/h；各设 1 台区间独立使用的轨行区排热风机；车站公共区依据负荷计算独立设置 2 台空调箱与对应回排风机，担负其夏季空调；设置 1 台送风机，担负其他季通风；车站公共区排烟依据排烟量计算独立设排烟风机或兼用回排风机。
（1）对屏蔽门环控系统，区间阻塞与事故模拟计算的风量约是车站公共区系统风量的 3 倍之多。区间风量约 240～264 m3/s；公共区系统送回风设备风量之合约 78～88 m3/s 且因两系统不同，其压头也不一定能匹配，这样采取任何方式将车站公共区与区间风量差异 3倍的设备切换并联，兼用于区间阻塞和火灾事故工况均是不合理的。
（2）不同型号（不同压头、风量）轴流风机并联匹配使用是不合理的。其一，参阅天津地铁 5 号线环控系统计算（6B 编组），大多车站区间阻塞与火灾事故工况的送排风量为 60 m3/s +30 m3/s +30 m3/s。现 4 号线按 8B编组，其估算风量为 70 m3/s +40 m3/s +40 m3/s，若通过不同型号风机并联工作特性见图 2 和图 3。
由图 2 和图 3 可知，风量分别为 70、40、40 m3/s 的三台风机并联工作，其管网特性曲线如可能与三台并联风机特性曲线的“马鞍形”避开相交，则风量要小于 3台之和，既风机并联的风量不是“1+1+1=3”；相反，其管网特性曲线如不能与 3 台并联风机特性曲线的“马鞍形”避开相交或两曲线不能相交，则并联风量有可能还不足于其中一台风机的风量。显然，这两种工况 3 台风机并联工作的实际风量，均不能满足系统计算的风量。另外，不同型号轴流风机并联，由于风机结构、功率等不同，加之系统切换连接没有迂回条件，大小风机于出口气流垂直合流等问题，造成小号风机启动喘振，一旦喘振强烈会出现风机叶根断裂、叶片飞出、电机烧毁的可能。
（3）排热风机兼用区间风机是不合理的。工艺要求区间风机为正反转使用，它是全对称叶片的低效风机（75%），其用于区间早晚换气和阻塞、火灾事故是可以的；排热风机是用于站台轨行区列车排热，特点是长时用、单向转，它的叶片是不对称的高效风机（85%以上），如排热风机兼用区间风机，则需将风机改为全对称叶片，长时正常使用是非常不节能的。另外，当排热风机正常工作时，区间出现事故火灾需要马上切换风机转向、转速和相关系统风阀，此时必须考虑救灾的时间滞后与可控问题，同时对设备使用年限内的机械损衰质量要有可靠保证。
（4）车站公共区送排风机、站台轨行区排热风机兼用为区间风机，当区间出现事故火灾与阻塞时，需要马上切换停止车站的正常送、排风运行，这势必影响车站的运营环境。
（5）区间与车站公共区系统设备在风道内合设兼用，应有必备条件。除其设备费节省 7.2%外，对车站环控系统的机房占地、运行能耗、土建成本等的评价结论，应该是一个综合概念，不是任何一种环控系统方案、机房风道形式、控制运行模式决定的，而是技术合理的环控系统与全线每一个不同车站建筑功能形式最佳灵活、适实、综合、合理结合实现的。对环控设备的运行能耗，同样是设计计算、设备选型、系统匹配、合理变频、运行工况等经济合理的集成。
2）活塞风井的设置。车站于有条件的情况下设置双活塞风井；设置风亭较困难的地段，在满足换气和温度条件下设置单活塞风井；设置交错布置的单双风活塞风井；带配线的车站尽量设置双活塞风井；对于超长区间隧道，设置中间风井。车站两端与中间风井内各设2 台同型号正反转机械风机，火灾事故与阻塞工况时按两者模拟最大风量选型并联 2 台区间风机使用，该风机不变频。通过成熟的区间模拟计算可知，双活塞风井较单活塞风井的设置有利于改善区间环境状况，节省区间通风换气电耗。
天津地铁 5 号线可研评审意见已经明确：全线地下车站两端活塞风井采用单井还是双井方案需因地制宜，有条件设置双井的地区尽量采用双井方案，以充分发挥活塞效能。4 号线 35 个地下站除中间部分车站在市区，两端在全线 2/3 部分的车站在市边和郊外，因此不应“一刀切”的设置单活塞风井。
3）设备选型。原则上要求根据车站近期（2025）至远期（2040）预测的客流量和最大通过能力配置，分期实施。
（1）对远期（2040）客流负荷增长较大的车站，可以按初期（2018）～近期（2025）负荷与客流计算进行设备选型，合理预留远期设备条件与安装空间。
（2）土建预留远期（2040）后的列车 8B 节编组条件，但环控各系统设备建议不按此选型，环控机房与土建风道建议不按当今的条件（除 6 乘 8）的估算预留。因为依据《城市轨道交通工程项目建设标准》环控设备使用淘汰周期最大 20 a，任何设备全面技术换代的速度飞快，按照当今低碳环保的大势，依现在标准设计的环控设备与风道空间，应该可以保证 30 a 后增加列车 2节编组的设计条件与更新设备的安装和使用空间，否则，将会给现在设计带来很大的难点。
4）冷源与冷水机组选型。车站公共区与管理用房两系统冷源集中。根据计算的负荷比例合理的选用 2台或 3 台容量相等并可互为备用的冷水机组。当管理用房冷负荷占两系统总冷负荷的比例＞30%时，选用 2台相同容量的冷水机组；当管理用房冷负荷占两系统总冷负荷的比例＜30%时，选用 3 台相同容量的冷水机组，其冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔与冷水机组一一对应设置。两系统具有联合与各自独立使用的切换功能，必须满足管理用房空调期提前和夜间独立使用的需要。平行换乘站和站距较近的地段繁华站，充分考虑综合合理的冷水系统资源共享利用。
车站管理用房不独立设风冷冷水机组，其理由：
（1）正常使用两系统集中冷源符合 GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》5.4.1 要求；
（2）风冷冷水机组 COP 能效系数远小于水冷机组；
（3）室外设风冷机组占地、噪声与运行管理均不利于设冷却塔。
5）气流组织。
（1）管网气流组织（管道气流分配）的概念与合理设计，是不能忽视的，不同管网系统的气流垂直合流不要采用。超大的土建送风小室、超大低速的土建风道不符合 GB 50189—20055.3.17 要求，不要采用。
（2）环控设备与风道的连接，建议依据计算采用铁皮风道与静压箱，不用土建小室。其优点是节省地方、便于维修、便于施工、漏风量少、冷量损失少、压力损失少、气流组织好。
6）设备并联、变频。
（1）不采用不同型号的轴流风机并联匹配运行方案。
（2）采用变频风机时，要充分分析保证其风机选用的最佳工况点用于最大工作时间，不可以将长时的正常运行工况于低频下运行，这是非常不合理不节能的。
7）区间自然排烟、自然通风。小街—科技园段为地下一层侧式站，建议充分结合室外绿化带的利用可能，地下区间在满足规范要求的前提下，力求采用自然排烟、自然通风设计方案。这样可以给区间一个低碳节能和较舒适的采光与空气环境，还给施工回填带来很大便利。
8）车站内、外环控设备设置。
（1）积极配合建筑，将室外风亭、冷却塔设置方案达最佳，即环控系统最合理，室外建筑综合布局与景观效果统一并最优化。
（2）环控机房与相关风道的设置为达到设计方案最佳的目的，一定要密切结合建筑站位的内外条件灵活机动多样化。如：内嵌机房与风井；外挂机房与风井；双层机房与风道；机房风井于车站两端分设；机房风井于车站中部合设；风道长短的利用、机房空间的利用、维修操作空间等等。总之，35 个地下车站和区间的环控系统与布置形式不能“一刀切”，而应该在一个技术合理的环控系统基本标准模式下，进行逐站分析合理结合，不应为某唯一的方案，而是集设计计算、设备选型、设备布置、设备匹配、操作运行、经济节能、专业接口等的设计合理、运营便利为最佳。
4结语
对于区间与车站两系统设备各自独立设置还是合设兼用；车站采用单活塞风井还是双活塞风井；车站公共区与管理用房两系统合设切换使用冷水机组还是管理用房独立设室外风冷机组；不同型号的轴流风机并联工作、风机变频的合理采用等，应该以专业基础理论与设计规范为指导，结合车站建筑与结构条件，详细分析其技术与接口、操作与控制、造价与能耗，从而合理的确定环控方案，使设计达到综合最佳。
参考文献：
［1］王弈然.新型通风空调集成系统在北京地铁中的应用[J].都市快轨交通，2010，23（6）：93-97.
［2］GB 50189—2005，公共建筑节能设计标准［S］.
［3］建标 104—2008，城市轨道交通工程项目建设标准［S］.
京公网安备 11010202007575号