李 娟 房 爍 徐清榮 胡海明

地鐵車站設(shè)置排熱風(fēng)機必要性研究

李 娟1房 爍1徐清榮2胡海明2

（1.蘇州市軌道交通集團有限公司 蘇州 215004； 2.蘇交科集團股份有限公司 南京 210003）

為了探討排熱風(fēng)機設(shè)置的必要性，通過調(diào)研南京、蘇州等地排熱風(fēng)機控制模式與應(yīng)用現(xiàn)狀，并對蘇州地鐵2號線車站隧道氣溫進行測試，結(jié)合測試結(jié)果與相關(guān)研究成果來研究排熱風(fēng)機降溫效果及功能替代性。結(jié)果表明：排熱風(fēng)機實際運營只在夏季客流高峰運行時開啟，其他時間僅在進行狀況檢查時開啟。排熱風(fēng)機對車站隧道降溫效果有限，可分別降低隧道氣溫峰谷1.75℃和0.4℃，排熱風(fēng)機可在地鐵運營初期不開啟。排熱風(fēng)機排煙功能可由隧道風(fēng)機替代，就排熱風(fēng)機功能而言，其不具有設(shè)置必要性。

地鐵；車站隧道；氣溫；排熱風(fēng)機；隧道風(fēng)機；功能

0 引言

國內(nèi)地鐵設(shè)計，通常每個車站設(shè)置兩臺排熱風(fēng)機，分別設(shè)置在車站的兩端。對于風(fēng)量，一般根據(jù)客流量及行車對數(shù)等數(shù)據(jù)，采用模擬[1-3]（SES軟件或STESS軟件）的方法確定。排熱風(fēng)機參數(shù)按照最不利情況選定，在實際運行中，需線路運行一定年份和達到一定行車對數(shù)才需開啟最大風(fēng)量。因地鐵建成初期隧道內(nèi)熱平衡尚未形成，隧道處于總體吸熱階段，加之該階段客流未達到設(shè)計客流，不開啟排熱風(fēng)機仍可能滿足隧道溫度要求。實地調(diào)研南京、蘇州等地的地鐵運營公司知，排熱風(fēng)機在實際運營時很少開啟，僅在夏季客流高峰運行時啟用，而其他時間僅在進行狀況檢查時開啟。蘇州地鐵進行專項研究測試表明，當(dāng)前蘇州已運行地鐵不開啟排熱風(fēng)機，在夏季也能滿足隧道溫度要求。

根據(jù)我國已運營地鐵線路現(xiàn)狀，排熱風(fēng)機雖已選用變頻風(fēng)機，但實際執(zhí)行中，其變頻技術(shù)潛力只部分發(fā)揮或完全未發(fā)揮。收集南京、武漢、蘇州相關(guān)設(shè)計資料表明，其排熱風(fēng)機控制模式基本相同。南京、武漢的控制原理為：排熱風(fēng)機選用變頻風(fēng)機，在運行中根據(jù)行車對數(shù)確定排熱風(fēng)機的變頻運行狀態(tài)，行車對數(shù)為20對/h以上時，排熱風(fēng)機工頻運行，行車對數(shù)12～20對/h，排熱風(fēng)機風(fēng)量取某一定值（如50m3/s），行車對數(shù)6～12對/h，排熱風(fēng)機風(fēng)量取某一定值（如40m3/s）。地鐵運營公司在實際運營過程中，根據(jù)初、近、遠期線路實際運行情況以及運營管理經(jīng)驗，調(diào)節(jié)排熱風(fēng)機的運行狀態(tài)，以達到環(huán)控設(shè)備節(jié)能經(jīng)濟運營的目的。蘇州的設(shè)計文件也要求排熱風(fēng)機采用變頻運行，但只規(guī)定變頻運行時以行車對數(shù)作為輸入?yún)?shù)。BAS系統(tǒng)監(jiān)控變頻控制柜的主要參數(shù)，變頻運行應(yīng)顯示其頻率，具體如何操作，全憑無任何數(shù)據(jù)依據(jù)的運營管理人員根據(jù)經(jīng)驗控制，因此造成了客觀條件下的能源浪費。

排熱風(fēng)機的實際應(yīng)用現(xiàn)狀，使很多人對其存在必要性產(chǎn)生懷疑，認為沒有排熱風(fēng)機也是可以的。當(dāng)然也有人認為排熱風(fēng)機是必要的，其擔(dān)負著車站隧道排熱與排煙等多項功能。依據(jù)排熱風(fēng)機工作原理及功能是否具有可替代性，研究排熱風(fēng)機是否有設(shè)置必要性。

1 排熱風(fēng)機功能分析

對于屏蔽門系統(tǒng)，排熱風(fēng)機主要有兩項功能，其一，排除車站隧道熱空氣，為其降溫；其二，負擔(dān)車站隧道排煙功能，排除車站隧道內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣。在某些設(shè)計方案中，排熱風(fēng)機還負擔(dān)站臺公共區(qū)輔助排煙功能。在站臺公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，打開車站屏蔽門和排熱風(fēng)機，輔助排除站臺層煙氣。

通常情況下其排煙系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

排熱風(fēng)機排熱工作流程為：當(dāng)達到排熱開啟條件時，軌頂、軌頂風(fēng)孔對應(yīng)風(fēng)閥開啟，排熱風(fēng)機啟動抽取軌頂、軌底風(fēng)道內(nèi)的熱氣，通過排風(fēng)井排至室外。

排熱風(fēng)機排煙工作流程為：當(dāng)車站隧道或站臺層發(fā)生火災(zāi)時，軌頂風(fēng)孔開啟或軌頂風(fēng)孔與屏蔽門同時開啟，排熱風(fēng)機啟動，通過軌頂風(fēng)孔，將車站隧道內(nèi)煙氣排出室外。

圖1 排熱通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

2 排熱風(fēng)機設(shè)置對土建影響

設(shè)置排熱風(fēng)機時，其對土建會產(chǎn)生多種影響。首先，車站范圍內(nèi)，軌頂和軌底需設(shè)置排熱風(fēng)道，風(fēng)道的設(shè)置對車站土建方案及層高有較大影響，如圖2所示。

圖2 帶軌頂軌底風(fēng)道地鐵站典型剖面圖

設(shè)置軌頂風(fēng)道，將占據(jù)一定的車站隧道層高，對站臺層層高有一定的抬升。如果不設(shè)置軌頂風(fēng)道，站臺層層高將可降低100mm～300mm。另外，由于設(shè)置了軌頂風(fēng)道，車站端部的活塞風(fēng)孔將無法設(shè)置在軌頂風(fēng)道范圍內(nèi)，只能在軌頂風(fēng)道外側(cè)設(shè)置，不利于壓縮車站長度。對于端頭外掛的標(biāo)準(zhǔn)站，在不設(shè)置軌頂風(fēng)道時，排風(fēng)道等可壓縮，車站總長度可壓縮3m～5m；設(shè)置軌底風(fēng)道，將占據(jù)一定的站臺板下空間，對于有混合變電所的雙柱車站，軌底風(fēng)道需避讓柱子及變電所電纜孔等，設(shè)置困難。對于某些限制條件較多的車站，往往因設(shè)置軌頂軌底風(fēng)道而導(dǎo)致車站被拉長，使車站面積大于實際需要面積，造成一定的浪費。其次，因設(shè)置排熱風(fēng)機，需加大排風(fēng)道、排風(fēng)井的截面積，也需對排風(fēng)道做夾層，將車站排風(fēng)與排熱風(fēng)分開，這些需求均可增加車站土建造價，而風(fēng)井面積的加大將增加車站征地面積（風(fēng)井占地）。其三，對于換乘車站，因設(shè)置軌頂、軌底風(fēng)道，換乘節(jié)點處的某條線（上行線或下行線）的排熱風(fēng)和活塞風(fēng)需過軌，無論采用上部過軌還是軌底過軌，均加大車站規(guī)模，增加土建成本。加上其他限制因素，可能導(dǎo)致過軌的活塞風(fēng)效果差或無效果。其四，設(shè)置排熱風(fēng)機，需在環(huán)空電控室、FAS、BAS等房間設(shè)置控制柜或監(jiān)控柜，相應(yīng)增加房間面積，加大車站規(guī)模。

圖3 不帶軌頂軌底風(fēng)道地鐵站典型剖面圖

3 排熱風(fēng)機設(shè)置必要性分析

排熱風(fēng)機設(shè)置是否必要，應(yīng)從其功能考慮。在減去排熱風(fēng)機后，其所負擔(dān)的功能若能通過其他途徑解決，則無設(shè)置必要性；若其所負擔(dān)功能無法分擔(dān)或不能達到規(guī)范要求，則其有設(shè)置必要。

3.1 排熱風(fēng)機降溫功能與隧道氣溫

對于區(qū)間隧道內(nèi)空氣品質(zhì)，《地鐵設(shè)計規(guī)范》GB 50157-2013[4]中有相應(yīng)規(guī)定，具體規(guī)定為：13.2.1條，“區(qū)間隧道正常通風(fēng)應(yīng)采用活塞通風(fēng)，當(dāng)活塞通風(fēng)不能滿足排除余熱要求或布置活塞通風(fēng)道困難時，應(yīng)設(shè)置機械通風(fēng)系統(tǒng)?！?；13.2.2條，“區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)的進風(fēng)應(yīng)直接采自大氣，排風(fēng)應(yīng)直接排出地面。”；13.2.3條，“區(qū)間隧道內(nèi)二氧化碳（CO2）日平均濃度應(yīng)小于1.5‰?！?；13.2.5條，區(qū)間隧道內(nèi)空氣夏季的最高溫度應(yīng)滿足：“列車車廂設(shè)置空調(diào)，車站不設(shè)置全封閉站臺門時，不得高于35℃，列車車廂設(shè)置空調(diào)，車站設(shè)置全封閉站臺門時，不得高于40℃?！薄?/p>

《地鐵設(shè)計規(guī)范》中所指區(qū)間隧道，對于屏蔽門系統(tǒng)，包括車站之間的區(qū)間隧道和車站范圍內(nèi)的車站隧道，車站隧道內(nèi)空氣品質(zhì)同樣需滿足規(guī)范要求。為驗證排熱風(fēng)機的降溫功能，對車站隧道內(nèi)空氣溫度進行了測試，采用設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 測試設(shè)備參數(shù)表

將測試設(shè)備捆扎在下行線隧道右側(cè)側(cè)壁，安裝高度為3.5m左右，測試安排如表2所示。

表2 測試安排表

三測點在排熱風(fēng)機開啟后，溫度較正常情況均有不同程度降低，具體見圖4。

圖4 三測點氣溫曲線圖

由圖4可知，三個測點溫度峰值相對正常情況分別平均降低0.5℃、1.75℃、1℃，溫度谷值分別降低0.15℃、0.4℃、0.25℃，可知排熱風(fēng)機對車站隧道溫度有一定降溫作用，但降溫幅度有限。華正博[5]等在相關(guān)研究論文中也探討了排熱風(fēng)機對車站隧道的降溫作用。結(jié)論顯示，不設(shè)置排熱風(fēng)機較設(shè)置排熱風(fēng)機時隧道最高氣溫高2.9℃，與實測結(jié)果基本吻合。從上圖還可看出，各測點溫度變化幅度介于1℃～3℃之間，當(dāng)無車輛通過時隧道氣溫不超過37℃，其在車輛通過時隧道氣溫也不會超過40℃。綜合上述分析，對于屏蔽門系統(tǒng)地鐵隧道，排熱風(fēng)機對車站隧道空氣降溫有限，無車輛通過時隧道氣溫不超過37℃，其隧道氣溫?zé)o論是否有車輛通過均不會超過規(guī)范規(guī)定溫度限值。

理論上排熱風(fēng)機可取消，但是理論研究的結(jié)論，對于取消排熱風(fēng)機后隧道氣溫是否超標(biāo)，還需實測數(shù)據(jù)。通過整理測試數(shù)據(jù)，各測點在夏季與冬季每天最高、最低溫度見圖5。

圖5 三測點測試日最高、最低氣溫圖

從實際測試的車站隧道溫度看，三個測點在夏季氣溫最高時段，車站隧道內(nèi)氣溫均不超過29℃，在冬季隧道最高氣溫均未超過19℃。另外，從該線路區(qū)間隧道測試數(shù)據(jù)知，車站隧道氣溫較區(qū)間隧道氣溫高，通過測試車站隧道氣溫即可判斷隧道氣溫是否超標(biāo)。由此可判斷，對于蘇州地鐵，其在運營初期，排熱風(fēng)機無開啟必要性，就隧道氣溫而言，無設(shè)置排熱風(fēng)機必要性。胡浩明[6]等基于西安地鐵2號線隧道氣溫測試與CFD模擬，也得出運營初期不需開啟排熱風(fēng)機的結(jié)論。所以，在地鐵運營初期，不開啟排熱風(fēng)機，地鐵隧道氣溫不會超標(biāo)，采用該種運營方案，將產(chǎn)生較大節(jié)能效果。

鑒于測試線路運營時間只有2年左右，隧道壁溫尚未達到最高值，隧道仍處于吸熱階段。為此，收集國內(nèi)相關(guān)測試、研究成果，楊波力[7]在2011年9月15日至10月12日，分別對上海軌道交通1號線和10號線的衡山路站區(qū)間和陜西南路站區(qū)間隧道氣溫進行了測試，并對室外氣溫進行了測試，測試結(jié)果見圖6。

圖6 上海地鐵1號線、10號線隧道及室外氣溫圖

由圖可知，上海地鐵1號線與10號線隧道氣溫均未超過35℃，分別不超過29℃和33℃，1號線隧道氣溫較10號線高4℃左右。1號線和10號線均為屏蔽門系統(tǒng)，兩條線測試區(qū)間通車時間分別為1995年4月10日和2010年4月10日，測試日期距離開通運營日期分別為16年5個月和1年5個月。從運營時間看，1號線隧道已經(jīng)達到熱平衡，而10號線仍處于吸熱狀態(tài)，可知，同一系統(tǒng)形式，同一城市地鐵隧道，達到熱平衡隧道氣溫比運營2年左右的隧道氣溫高4℃左右，蘇州地鐵2號線測試日期距開通日期有2年左右，其隧道達到熱平衡時，隧道在夏季的最高溫度應(yīng)接近33℃（29℃+4℃），不超過規(guī)范規(guī)定的40℃臨界溫度。即使考慮5℃的未知因素影響，39℃的隧道氣溫也小于規(guī)范規(guī)定溫度。綜合上述分析，僅考慮隧道溫度，地鐵車站隧道有取消排熱風(fēng)機的可能性。

3.2 排熱風(fēng)機排煙功能

排熱風(fēng)機負擔(dān)著車站隧道的排煙功能。當(dāng)車輛在車站發(fā)生火災(zāi)或車站隧道相關(guān)線纜著火時，排熱風(fēng)機開啟，通過軌頂風(fēng)道抽取車站隧道內(nèi)的煙氣至排風(fēng)道，而后從排風(fēng)井排至室外。相關(guān)研究也表明，該種方案能較好的實現(xiàn)車站隧道的排煙功能。對于取消排熱風(fēng)機，如何實現(xiàn)車站隧道通風(fēng)、排煙，國內(nèi)相關(guān)人員也做了一些研究。華正博[8]提出了正常運行時無軌頂/軌底排熱風(fēng)道的通風(fēng)控制方法；朱躍[9]研究了軌頂/軌底風(fēng)道的地鐵軌行區(qū)煙氣控制，提出聯(lián)合排煙模式，研究表明，列車及站臺火災(zāi)工況下，加大隧道風(fēng)機排風(fēng)量、開啟相鄰區(qū)間隧道風(fēng)機、加裝射流風(fēng)機三種方案均可使隧道口的邊界風(fēng)速達到設(shè)計要求，且加裝射流風(fēng)機效率最高。由上述研究可知，利用臨近隧道風(fēng)機或加裝射流風(fēng)機均可實現(xiàn)車站隧道的排煙功能。因此，就排煙功能而言，排熱風(fēng)機可取消。同時，對于屏蔽門系統(tǒng)，屏蔽門將車站公共區(qū)與車站隧道完全分割開，其對車站與車站隧道內(nèi)煙氣相互擴散有很好控制作用[10]，故屏蔽門系統(tǒng)取消排熱風(fēng)機更有實施可行性。日本《地鐵防火規(guī)范詳解》中指出：對于屏蔽門系統(tǒng)地鐵，當(dāng)車站隧道起火，可采用隧道縱流排煙[11]，借鑒該思路，可由車站端部隧道風(fēng)機分擔(dān)排熱風(fēng)機的排煙功能。

3.3 排熱風(fēng)機功能替代研究

取消排熱風(fēng)機，需著力解決其對車站隧道排氣降溫與排煙兩大功能。針對這兩項功能，結(jié)合限于車站系統(tǒng)模式與設(shè)備配置，主要有三種替代方案，如圖7-9所示。

圖7 方案一/帶軌頂軌底風(fēng)道

圖8 方案二/帶軌頂風(fēng)道

圖9 方案三/無軌頂軌底風(fēng)道

對于各方案優(yōu)劣分析如表3所示。

表3 車站隧道三種排煙方案比較表

綜合對比三種模式，前兩種模式均難徹底擺脫排熱風(fēng)道對土建結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)施工的影響，在隧道風(fēng)機兼做排熱風(fēng)機時，需增加相關(guān)閥門，對應(yīng)的隧道風(fēng)機控制模式也變復(fù)雜較多。第三種模式不但取消了軌頂軌底風(fēng)道，徹底避免了風(fēng)道對土建方案的影響，還有利于土建工期安排（盾構(gòu)施工后方可施工風(fēng)道）。

國內(nèi)相關(guān)研究人員，在深圳地鐵11號線（屏蔽門系統(tǒng)）A8編組車站寶安站（島式車站），實測隧道風(fēng)機與排熱風(fēng)機不同組合的排煙效果，車輛停站后，車廂車門與屏蔽門均打開，選取列車中部（4、5號車廂連接處）放煙，結(jié)果如表4所示。

表4 不同排煙方案實測結(jié)果

從測試結(jié)果可知，采用2臺隧道風(fēng)機+2臺排熱風(fēng)機排煙方案和采用4臺隧道風(fēng)機排煙的方案，均可實現(xiàn)車站隧道排煙功能，且排煙效果良好，說明利用隧道風(fēng)機替代排熱風(fēng)機擔(dān)負車站隧道排煙功能是可行的，故排熱風(fēng)機第三種替代方案是可行的，可利用隧道風(fēng)機排除無軌頂軌底風(fēng)道車站隧道煙氣和隧道熱氣。

4 結(jié)論

（1）排熱風(fēng)機在國內(nèi)屏蔽門系統(tǒng)地鐵線路基本上均有設(shè)置，其在實際運營中應(yīng)用較少，各方對其是否有設(shè)置必要存有疑問；

（2）排熱風(fēng)機設(shè)計基本需設(shè)置軌頂軌底風(fēng)道，對土建方案、車站規(guī)模、建設(shè)工期等有不利影響；

（3）對運營兩年左右的地鐵車站隧道（屏蔽門系統(tǒng)）氣溫測試發(fā)現(xiàn)，排熱風(fēng)機對隧道氣溫峰谷值分別有最大1.75℃和0.4℃的降溫效果，降溫幅度有限；

（4）地鐵（屏蔽門系統(tǒng)）運營初期，車站隧道最高氣溫一般不超過29℃，排熱風(fēng)機可不開啟；

（5）排熱風(fēng)機降溫效果有限，排煙功能可由隧道風(fēng)機替代，故其不具有設(shè)置必要性。

[1] 朱穎心,江億,楊旭東,等.地鐵系統(tǒng)環(huán)控方案分析[J].地鐵與輕軌,1991,(1):21.

[2] 馮煉.地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境控制數(shù)值模擬研究[D].成都:西南交通大學(xué),2001.

[3] 彭良新.城市地鐵屏蔽門隧道通風(fēng)模式的研討[J].鐵道勘察與設(shè)計,2003,130(4):67-70.

[4] GB50157-2013,地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

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[6] 胡浩明,趙蕾,李德輝,等.地鐵運營初期關(guān)閉OTE/UPE風(fēng)機運行的可行性探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2015,59(1): 122-126.

[7] 楊波力,臧建彬,龔偉,等.地鐵區(qū)間隧道環(huán)境溫度影響因素分析和預(yù)測模型研究[J].城市軌道交通研究,2013,(3):68-72.

[8] 華正博.屏蔽門制式地鐵軌行區(qū)通風(fēng)模式研究[D].成都: 成都:西南交通大學(xué),2011.

[9] 朱躍.無軌頂/軌底風(fēng)道的地鐵軌行區(qū)煙氣控制研究[D].成都:西南交通大學(xué),2013.

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[11] 日本國土交通省鐵路局.地鐵防火規(guī)范詳解[M].向上(譯).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

Study on the Necessity of Setting up Exhaust Fan in Metro Station

Li Juan1Fang Shuo1Xu Qingrong2Hu Haiming2

( 1.Suzhou Rail Transit Group Co., Ltd, Suzhou, 215004; 2.JSTI GROUP, Nanjing, 210003 )

To explore the necessity of set up exhaust fan, investigational the exhaust fan control mode and application status in Nanjing, Suzhou and other places, tested the metro line 2 of tunnel air temperature Suzhou, combined with the test results and the related research results, research exhaust fan cooling effect and function of alternative. The results show that the exhaust fan seldom opens when it is in operation, only runs at the peak of summer passenger flow, and check opens at other times. The cooling effect of the exhaust fan on the station tunnel is limited, and the temperature of the tunnel can be reduced by 1.75 and 0.4 Celsius respectively, and the exhaust fan can be not opened at the early stage of the metro operation. The exhaust smoke function of the exhaust fan can be replaced by the tunnel fans, and only considers functionality it is not necessary to set up.

metro; tunnel; tunnel air temperature; exhaust fan; tunnel fan; function

U231.5

A

1671-6612（2018）02-162-07

李 娟（1980-），女，工程師，碩士，主要從事隧道通風(fēng)研究及科研項目管理，E-mail：muzi_lee@126.com

徐清榮（1963-），男，高級工程師，本科，主要從事隧道通風(fēng)研究及環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能研究，E-mail：276017706@qq.com

2017-07-12