地鐵地下車站環(huán)控設(shè)計問題分析摘要　通過對工程實踐的經(jīng)驗總結(jié),提出地鐵地下車站環(huán)控設(shè)計中存在的一些共性問題,并給出改進意見。關(guān)鍵詞　地下車站　環(huán)控設(shè)計　機房　風(fēng)亭 地鐵工程設(shè)計中環(huán)控專業(yè)的任務(wù)是:當(dāng)列車正常運行時保證地鐵內(nèi)部環(huán)境的空氣質(zhì)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(shè)備正常運轉(zhuǎn);當(dāng)列車阻塞在區(qū)間隧道內(nèi)時向阻塞區(qū)間提供一定的送、排風(fēng)量,以保證列車空調(diào)冷凝器的繼續(xù)運行,從而維持列車內(nèi)部乘客能接受的熱環(huán)境條件;當(dāng)軌道交通系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)時,根據(jù)火災(zāi)發(fā)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(fēng),并形成一定的迎面風(fēng)速,引導(dǎo)乘客安全撤離。環(huán)控方案的優(yōu)劣不僅影響本專業(yè)設(shè)計目的的實現(xiàn),還與建筑、結(jié)構(gòu)、工藝、規(guī)劃及車站總體造價直接相關(guān)。近年來筆者所在單位參與了國內(nèi)外多個地鐵工程的投標(biāo)、設(shè)計總包、監(jiān)理,根據(jù)工程實踐,筆者對環(huán)控設(shè)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(huán)控機房優(yōu)化 地下車站環(huán)控機房包括:區(qū)間隧道風(fēng)機(ＴＶＦ,ｔｕｎｎｅｌｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｆａｎ)風(fēng)道、軌頂軌底排熱Ｕ/Ｏ風(fēng)機風(fēng)道、環(huán)控大小系統(tǒng)空調(diào)機房與新回風(fēng)道、冷水機房等。一個標(biāo)準(zhǔn)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(huán)控機房面積至少2000ｍ2,占車站總面積的1/5以上。筆者認(rèn)為環(huán)控機房的優(yōu)化十分必要且大有節(jié)能潛力,本文從以下兩點分析。1)與建筑、結(jié)構(gòu)方案密切配合 地鐵環(huán)控有別于地上公共建筑,其公共區(qū)大系統(tǒng)無論平時的通風(fēng)空調(diào)負荷還是火災(zāi)時的排煙負荷都相對較大;設(shè)備管理用房小系統(tǒng)因有牽、降變電所,設(shè)備發(fā)熱量大,為滿足工藝要求其通風(fēng)空調(diào)負荷也相對較大。因此,大、小系統(tǒng)均存在著設(shè)備尺寸和送排風(fēng)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(huán)控機房要達到設(shè)備布置、系統(tǒng)安裝、氣流組織的合理優(yōu)化須由暖通、建筑、結(jié)構(gòu)、工藝等各專業(yè)綜合協(xié)調(diào)及互相配合。建筑布局的合理是其方案優(yōu)化的前提,而建筑方案受限于城市規(guī)劃與地鐵線路等諸多因素。環(huán)控專業(yè)設(shè)計人員應(yīng)主動參與各階段建筑方案設(shè)計與調(diào)整,密切配合各環(huán)節(jié)接口方案優(yōu)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(huán)控方案本來比一般兩層車站復(fù)雜,但設(shè)計時巧妙地利用了空間,其特點是:平面布置緊湊,各系統(tǒng)與設(shè)備的設(shè)置打破常規(guī)的思路,利用機房層高局部設(shè)置設(shè)備夾層,通過設(shè)備、風(fēng)道、風(fēng)室、風(fēng)閥的功能協(xié)調(diào),實現(xiàn)了設(shè)備布置與氣流組織的合理化。特別是區(qū)間機械ＴＶＦ風(fēng)道與軌頂軌底排熱Ｕ/Ｏ風(fēng)機風(fēng)道的設(shè)置,其特點是每一端的每一臺風(fēng)機都能設(shè)置在最佳位置,有的利用空間,有的則利用延長風(fēng)道,真正實現(xiàn)了機房和風(fēng)道面積最小化。上海明珠線浦東大道站為標(biāo)準(zhǔn)地下兩層島式曲線站,建筑面積9850ｍ2。該站環(huán)控設(shè)計值得借鑒的是工藝設(shè)備用房的建筑平面布置。主要工藝用房牽、降變電所等設(shè)置在有利于環(huán)控送回風(fēng)的最佳位置,這樣氣流順暢,同時節(jié)省機房面積及建筑空間。筆者認(rèn)為以上兩個地鐵車站的環(huán)控設(shè)計較理想,實現(xiàn)了環(huán)控與建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)的最佳配合。由于設(shè)計圖紙較復(fù)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(jīng)常提出的研討課題。目前國內(nèi)地鐵多為各站分設(shè)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(wǎng)(敷設(shè)在地下或地鐵隧道內(nèi))送至各車站。此方案需要根據(jù)不同線路和車站的方案具體從技術(shù)、經(jīng)濟、安全、節(jié)能、城市規(guī)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(nèi)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(tǒng)的設(shè)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(yōu)勢:供冷半徑小,節(jié)約機房面積,減少站外冷卻塔與膨脹水箱數(shù)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(jié)省人員開支,提高制冷機ＣＯＰ值,節(jié)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(shù)據(jù)與論點。徐家匯站是即將建設(shè)的地鐵Ｒ3,Ｒ4線與現(xiàn)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(shè)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(jù)徐家匯站全年冷負荷時間頻數(shù)、各制冷機部分負荷的性能曲線及系統(tǒng)在各負荷下的運行方案對全年系統(tǒng)運行能耗費用進行初步比較,結(jié)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(shè)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(tǒng)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(tǒng)每年可節(jié)電43.2萬ｋＷｈ,年節(jié)約運行費用27萬元,經(jīng)濟效益顯著,并且運營管理與維護人員相對減少,設(shè)備維護集中方便,可進一步節(jié)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(yōu)化環(huán)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(tǒng)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(fēng)亭、冷卻塔設(shè)置的優(yōu)化 一個地鐵車站至少要設(shè)置活塞ＴＶＦ風(fēng)井4個(排活塞風(fēng)方案)、排風(fēng)井2個(Ｕ/Ｏ與回、排風(fēng)合用方案)、新風(fēng)井2個、冷卻塔2個。風(fēng)亭設(shè)計形式有高、低風(fēng)亭,獨立與合建風(fēng)亭。無論哪種方案都須使設(shè)計達到兩個條件:一是保證環(huán)控氣流組織合理并使風(fēng)道最短以減少沿程與局部阻力;二是滿足室外與城市規(guī)劃的完美結(jié)合及噪聲達標(biāo)。目前國內(nèi)已運行和正在建設(shè)的地鐵站的風(fēng)亭與冷卻塔的設(shè)置均不是很理想。其原因是:風(fēng)亭設(shè)計方案與站內(nèi)平面布局密切相關(guān),而平面布局受限于當(dāng)?shù)匾?guī)劃與建筑形式;設(shè)計前期建筑專業(yè)側(cè)重于城市規(guī)劃而環(huán)控專業(yè)參與配合滯后,往往建筑布置滿意、規(guī)劃也審批了,卻發(fā)現(xiàn)環(huán)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(fēng)亭、冷卻塔、排風(fēng)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(nèi)多為合建風(fēng)亭。《地鐵設(shè)計規(guī)范》(ＧＢ50157—2003)第12.2.43條規(guī)定:“當(dāng)進排風(fēng)亭合建時,排風(fēng)口應(yīng)比進風(fēng)口高出5ｍ,或錯開方向布置,且進排風(fēng)口最小間距應(yīng)大于5ｍ。”一般設(shè)計進排風(fēng)口均能錯開布置,但不易做到最小間距5ｍ,此時環(huán)控專業(yè)必須給建筑專業(yè)提供經(jīng)計算得到的風(fēng)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(xiàn)問題,即該配合滯后于建筑規(guī)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(jié)果為:西端新風(fēng)口尺寸為3ｍ(寬)×4ｍ(高),風(fēng)速3.7ｍ/ｓ;排風(fēng)口5ｍ(寬)×4ｍ(高),風(fēng)速3.8ｍ/ｓ;設(shè)室外地面為±0.0,新風(fēng)口底2.0ｍ,頂6.0ｍ;排風(fēng)口底11.0ｍ,頂15.0ｍ。3)室外風(fēng)亭、冷卻塔噪聲超標(biāo)。設(shè)計必須對噪聲敏感點作現(xiàn)場勘察與環(huán)境影響評價,以此作為設(shè)計依據(jù),合理選擇消聲設(shè)備,制定消聲方案。上海楊浦線環(huán)境影響評價結(jié)果提出:全線選擇低噪聲優(yōu)質(zhì)冷卻塔;排風(fēng)口背向居民區(qū);排風(fēng)道消聲器加長至3.0ｍ。3設(shè)備選型優(yōu)化 地鐵車站環(huán)控設(shè)備負荷大,動力電耗相對較大。標(biāo)準(zhǔn)地下兩層島式站和一島一側(cè)站環(huán)控總電耗分別約為1200～1360ｋＷ和1500～1650ｋＷ。環(huán)控設(shè)計應(yīng)該嚴(yán)格、合理地進行各系統(tǒng)計算,優(yōu)化設(shè)備選型,舉例如下。1) 用于隧道機械通風(fēng)的可逆轉(zhuǎn)耐高溫軸流風(fēng)機(ＴＶＦ)(參數(shù)如表2所示) 由表2可見,風(fēng)量相同僅全壓降低100Ｐａ,電耗就減少22ｋＷ,如果設(shè)計時既優(yōu)化風(fēng)道又嚴(yán)格計算每個ＴＶＦ系統(tǒng),使其阻力降低100Ｐａ,那么一個車站4臺ＴＶＦ風(fēng)機就可節(jié)電88ｋＷ。2)用于車站公共區(qū)大系統(tǒng)回、排風(fēng)與火災(zāi)排煙的單向運轉(zhuǎn)耐高溫軸流風(fēng)機(ＨＰＦ) 某地下車站初步設(shè)計中車站每端選用2臺雙速12Ａ型風(fēng)機(參數(shù)見表3),運行方式為:每端平時2臺風(fēng)機低速運轉(zhuǎn),火災(zāi)時切換成1臺風(fēng)機高速運轉(zhuǎn);施工圖設(shè)計時,筆者將此改為車站每端選用2臺單速12Ａ型風(fēng)機(參數(shù)見表3),運行方式為:平時與火災(zāi)時每端均運轉(zhuǎn)2臺風(fēng)機。分析以上兩種方案(該系統(tǒng)風(fēng)道合用一套)可得,平時運轉(zhuǎn)風(fēng)量、風(fēng)壓相同的4臺單速風(fēng)機,其電耗共減小12ｋＷ;火災(zāi)時2臺單速風(fēng)機并聯(lián)運轉(zhuǎn),衰減后風(fēng)量與單臺高速風(fēng)量基本相同,風(fēng)壓也能滿足要求,此時4臺風(fēng)機電耗共減少14ｋＷ,還避免了火災(zāi)時的控制切換。由以上兩例不難看出設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化的必要性。3)重視專業(yè)配合 地下車站要達到設(shè)計方案優(yōu)秀、施工問題最少、運營最滿意,需要各專業(yè)相互配合。筆者就環(huán)控專業(yè)設(shè)計總結(jié)如下:①孔洞預(yù)留。確定設(shè)計方案后,孔洞預(yù)留是一項非常重要的工作。地下四層站僅結(jié)構(gòu)各層板上的環(huán)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(jié)構(gòu)中板和頂板一般分別為450ｍｍ和800ｍｍ厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土板,對每一個孔洞的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)留孔,從設(shè)計與施工程序上往往不易發(fā)現(xiàn),一般待土建完后的設(shè)備安裝階段才會發(fā)現(xiàn),這時問題就已嚴(yán)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(yè)影響;結(jié)構(gòu)專業(yè)補洞處理先要在板上剔洞,經(jīng)計算后現(xiàn)澆補梁,還可能影響其他專業(yè)。因此,須注意孔洞的預(yù)留。②車輛限界。地下鐵路與地上鐵路一樣,車輛限界是設(shè)計中的法律性問題。任何設(shè)備、設(shè)施的安裝一定不能超出界限,這是基本原則。設(shè)計時首先要畫上限界圖,設(shè)備與限界之間至少要預(yù)留200ｍｍ,因為土建支模施工均有誤差。當(dāng)工程竣工后測限界時,不管什么原因只要超了限設(shè)備均要拆除。地鐵有效站臺車輛上方均有環(huán)控軌頂排熱風(fēng)道,風(fēng)道下掛有電力接觸網(wǎng);車站區(qū)間有些區(qū)段在軌頂或軌側(cè)設(shè)有環(huán)控射流風(fēng)機;車站有效站臺外根據(jù)需要在軌頂設(shè)有環(huán)控風(fēng)道等,設(shè)計以上設(shè)施時均需計算限界并配合其他專業(yè)注意是否超限。③綜合管線。車站內(nèi)的綜合管線,無論在設(shè)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(nèi)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(huán)控風(fēng)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(huán)控設(shè)計首先要重視自己的系統(tǒng)管線,風(fēng)道斷面的大小要綜合計算并與設(shè)備選型協(xié)調(diào)至最經(jīng)濟、最合理。一個車站的環(huán)控大、小系統(tǒng)風(fēng)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(huán)控機房、孔洞預(yù)留位置的合理性分不開。因此,設(shè)計時環(huán)控先要做好綜合管線優(yōu)化方案,在此基礎(chǔ)上與其他各專業(yè)配合,才能做到心中有數(shù)。對要求的層高、立管孔位及需特殊處理的結(jié)構(gòu)梁、柱等均能主動提出,這樣既保證了本專業(yè)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(shè)計研究總院.ＧＢ50157—2003　地鐵設(shè)計規(guī)范[Ｓ].北京:中國計劃出版社,2003