对国内城市轨道交通通风空调系统若干习惯做法的质疑

对国内城市轨道交通通风空调系统若干习惯做法的质疑中铁二院工程集团有限责任公司刘伊江自1965年7月北京地铁1号线的开工建设起，在近半个世纪的城市轨道交通建设过程中，我国积累了大量宝贵的经验，城市轨道交通的通风空调系统设计中也逐渐形成了一些“习惯作法”。轨道交通工程初投资大、运营费用高，其通风空调系统占用机的房面积动辄上千平米，一座地下车站的年能耗往往是几百万度电，这些也似乎早已成为业内人士习以为常的现实。然而，这些“习惯作法”是否合理？在节能、环保问题日益突出的大背景下，有必要对轨道交通通风空调系统几十年来的一些“习惯作法”进行全面的反思。一、隧道通风系统1.1车站段隧道横向通风国内建设的第一条地铁线路北京1号线，在车站段隧道未设置横向通风系统。从上海地铁1号线、广州地铁1号线肇始，不论是否采用屏蔽门制式，在车站段隧道设置轨顶、轨底排风道似乎成了“标准作法”。此种方案的设计初衷是紧靠热源（车载空调冷凝器及车载制动电阻）设置排风口，就近排除列车停站期间所散发的热量。但事实上，深圳、重庆、西安等城市的地铁线路，车站段隧道虽设置了横向通风系统，但几乎从不开启或仅开启极短的时间。既然不运行，这套系统设置的必要性则需要深入反思。在非屏蔽门制式下，轨顶、轨底的排风口兼作空调系统的回风口，是否恰当姑且不论。在屏蔽门制式下，这种横向通风的方案实际使用效果却不好，无法达到“就近排热”的初衷。究其原因，由流体力学可知，排风口的流态模型是“汇流”，其速度场衰减很快，要达到“就近排热”的目的，排风口须十分靠近热源。但因限界设计的制约（需综合考虑列车动态包络线、受电弓与接触网、中压环网电缆桥架等），轨顶风口与车载空调冷凝器的最小距离通常大于0.7m，轨底风口与制动电阻的实际距离则通常大于1m。加之因为前、后列车的活塞风效应，地铁隧道内（尤其是在屏蔽门制式下）始终存在着纵向的风速场，故列车停站期间散发的热量很难“乖乖地”进入轨顶、轨底风口。在屏蔽门制式下，横向排风系统的运行会造成车站段隧道较大的负压。在屏蔽门关闭的时段内，会由车站两端的活塞风道大量引入隧道外的新风。如果外界新风温度高于隧道内空气温度，则横向排风系统的运行不但起不到“排热”的作用，反而会“加热”隧道。屏蔽门开启的时段内，车站段隧道的负压又会造成室外新风由出入口大量侵入车站，在空调季会明显增加空调系统的负荷。1.2射流风机国内外的铁路、公路的山岭隧道中，均大量采用射流风机作为机械通风手段。自上世纪九十年代后，射流风机因其体量小、设置灵活的特点，在国内城市轨道交通工程中也日渐地大行其道。但射流风机真的适合轨道交通工程吗？笔者认为，不适合。原因有二：其一为安全性，其二为经济性。任何技术方案的适用性均需综合考虑具体的工程条件及特点。与公路工程相比，地铁或城轨列车车重远大于公路隧道中行驶的汽车，并且多数采用钢轮钢轨系统，故而车辆行驶过程中引起的隧道结构壁振动较大，易造成安装螺栓松动，形成安全隐患。与铁路隧道相比，城市轨道交通工程中车-隧阻塞比大，换言之，铁路隧道的断面往往远大于城市轨道交通隧道，故铁路隧道内如需设置射流风机，完全有条件留出足够的安全空间并设置相应的安全措施。射流风机本身设备投资较低，轨道交通工程中经常使用的6.3#射流风机通常约2万元/台，这也正是很多暖通工程师愿意采用射流风机的原因。但由于射流风机通常需设置在远离环控电控室或0.4kV开关柜室的隧道内，且负荷较小，电力专业通常只能采用加粗电缆的方式保证配电线路的压降符合要求，因而用一条100万甚至200万元的电缆为一台2万元的射流风机配电的现象屡见不鲜。1.3早、晚通风每天列车运营之前以及收班之后，隧道通风系统运行0.25～0.5h，这似乎也是城市轨道交通隧道通风系统的“标准做法”。由于隧道风机功率很大（电机功率通常为75～110kW），按单台轴功率80kW、每天运行0.5h计算，仅一座地下车站每年因早、晚通风就需用电58400kWh。早、晚通风的目的在于对隧道“换气”。但事实上，因设于各车站地面的隧道风亭存在高差，加之隧道内、外空气温度的差异，在“烟囱效应”的作用下，自然对流形成的换气量已足够大。以一条1km长的隧道为例，在隧道内外空气温差1℃、两端隧道风亭高差1m的条件下，自然对流对隧道形成的换气次数约0.3～0.5次/h。1.4阻塞工况气流组织阻塞工况下，通常按行车方向组织气流，这是为了能尽量利用空气的惯性以及非阻塞区段运行列车所形成的纵向的活塞风压。但这种原则不应该成为“教条”。由于隧道壁及阻塞列车的阻尼作用，阻塞形成一段时间后，阻塞区段的活塞风速会迅速衰减；非阻塞区段列车运行所形成的活塞风压则会因远端的隧道风井的泄压作用，对阻塞区段的影响甚小。若是单侧隧道阻塞，对侧隧道列车仍保持运行，则对侧隧道的活塞风压会通过车站、风道、配线区段等左、右线连通空间作用于阻塞侧隧道，一定程度上削弱阻塞侧隧道按行车方向组织的纵向通风。若是左、右线同时阻塞，活塞风速的衰减更快，此时更不必拘泥于“顺行车方向”组织气流。综上，阻塞工况下隧道通风的目的仅是保证阻塞区段内人员的新风需求，原则上可按行车方向组织气流。但出于简化控制模式等方面考虑，阻塞工况下全线采用单一的气流组织方向也是可行的。1.5消声器的设置隧道风机两端接天圆地方再接壳体式消声器，这也几乎成了隧道风机的“标配”。从气流阻力角度看，隧道风机全压的约50～60%消耗在了“捆绑”设置于风机前后的消声器上。从消声的角度看，消声器距风机应在4倍直径以上。风机与消声器“捆绑”设置，不仅会引起二次的气动噪声，同时既无法消除风机壳体的噪声辐射，也无法消除列车噪声（包括轮轨噪声及鸣笛）。二、通风空调系统2.1全空气系统国内绝大多数地铁车站公共区通风空调系统均采用全空气系统，只有广州地铁二号线江南西、五号线西村、小北、六号线一德路等部分暗挖车站采用了空气—水系统。北京地铁1、2号线原设计无空调系统，2008年奥运会之前改造加装空调，也采用了空气—水系统。全空气系统可提前关停冷水系统进入通风工况，有利于非空调季的运行节能。但是，全空气系统相较于空气—水系统存在以下问题：（1）工程造价高：全空气系统的造价明显高于空气—水系统：一方面设备初投资高，另一方面对机房面积要求较大，土建初投资也高；（2）输配能耗高：一方面，由于空气的质量比热容远小于水的质量比热容（1/3454），输送相同的能量采用空气系统所需的输配能耗远大于采用水系统；另一方面，因全空气系统集中设置空气处理设备，空气输配管路长，且集中设置挡水、消声、风量调节等局部管件，使得风机能耗进一步加大；（3）使用灵活性差：由于全空气系统设备数量少，单台容量大，使用中不便根据实际负荷情况灵活组合，在部分负荷下只能靠变频运行调节风量。另外，一旦某台设备故障则系统将损失一半的能力。如前所述，全空气系统的优势在于可提前关停冷水机组，按通风工况运行。但全空气系统的二次输配（风机）能耗远大于空气—水系统，冷源制备（冷水机组）及一次输配（水泵）的能耗则基本相同。全年运行能耗取决于当地气象条件所决定的冷源制备、一次输配及二次输配各子系统的实际运行时长。我国幅员辽阔，各地气候条件差异极大。对夏热冬冷地区，如上海、南京、成都、贵阳等，全年空调期约100～180天，通风季则相对较长，按全年综合能耗比较，全空气系统具有一定优势；对于夏热冬暖地区，如广州、深圳、福州、厦门等城市的地下车站而言，空调期约为270～330天，则全空气系统全年能耗明显高于空气—水系统。换言之，在夏热冬暖地区采用全空气系统，每年仅1～2个月可利用通风工况节能，而在10～11个月的空调期内综合能耗（二次输配能耗）则明显高于空气—水系统，得不偿失。2.2双风机系统全空气一次回风双风机系统，几乎成了轨道交通暖通工程师的唯一选择。全空气系统的合理性已如前述。即使做全空气系统，是否有必要总是做“双风机”？《采暖通风与空调调节设计规范》（GB50019-2003）第6.3.8条及《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）第7.3.6条均规定：“符合下列情况之一时，全空气空调系统可设回风机。……1不同季节的新风量变化较大、其他排风出路不能适应风量变化要求；2系统阻力较大，设置回风机经济合理。”两个条件中，地下车站公共区各季节新风量变化虽大，但即使按全新风量计算，由楼扶梯口、出入口通道全部排出时所需的正压仅2～5Pa。显然，这些开口部位完全可“适应风量变化要求”。地下车站的平面布置通常是不对称的，车控室所在一端因空调管路较长，可以认为“系统阻力较大”，因而设置回风机“经济合理”；而非车控室一端，空调机房与公共区往往仅一墙之隔，若在机房与公共区的隔墙上设集中回风口并以风管接入空调柜后的混合风室，管路阻力仅约5～10Pa。非车控室一端设置回风机则非常不经济、不合理。2.3换气次数《采暖通风与空调调节设计规范》（GB50019-2003）第6.5.8条规定：“空气调节区的换气次数，应符合下列规定：1舒适性空气调节每小时不宜小于5次，但高大空间的换气次数应按其冷负荷通过计算确定……”。因此，全国几乎所有城市的轨道交通线路的通风空调系统均强调公共区5次/h的换气次数，公共区的送、排风机即使变频运行也大多强调以5次/h换气次数为电机变频的下限。事实上，暖通设计规范该条文的本意旨在约束送风温差，避免因送风温差过大引起不适，并进而特别指出高大空间的换气次数应按计算确定。车站公共区属大空间，按最大负荷计算确定的总送风量通常大于5次/h换气次数。但最大负荷仅出现在高峰小时，多数时段内负荷率很低，也即需要的送风量很小。如果把“5次/h”换气次数作为风机变频的下限，则是僵化地理解规范，把规范条文“教条化”了。2.4新风量空调新风量通常按人员指标19m3/人·h、最小新风比二者取大值，有的城市考虑屏蔽门漏风，按三者取最大值，这都没有问题。问题在于，系统是否有必要按恒定新风量运行？很多城市为了保证最小新风量，特意单独设置了空调小新风机。空调负荷包括室内负荷及新风负荷两部分（不考虑再热），城市轨道交通工程公共区空调系统的新风负荷往往占总负荷的30～40%甚至更高，如果空调季始终按恒定新风量运行，高调负荷必然居高不下。《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）第5.3.8条规定：“在人员密度相对较大且变化较大的房间，宜采用新风需求控制。即根据室内CO2浓度检测值增加或减少新风量，使CO2浓度始终维持在卫生标准规定的限值内”。定新风量运行显然有悖于本条规定。2.5连锁风阀轨道交通工程中，几乎每台风机都设置连锁的电动风阀。大量设置电动风阀，不仅增加暖通专业本身的投资，配电专业的投资及运行成本也相应地增加。设置连锁风阀的目的在于避免并联设置的风机在部分停运时形成气流短路。但只要风机（轴流风机）不需双向运行，在风机的一端设置止回阀同样可起到避免短路的作用。多数设计者拘泥于止回阀动作风速“8m/s”的要求而担心阻力过大，但若采用自力式或阻尼可调的重锤式止回阀，则完全不必担心“8m/s”风速的问题。三、空调水系统3.1集中供冷城市轨道交通线路通常沿中心城市干道敷设，受地面工程条件限制，往往很难找到冷却塔的设置位置。为解决此矛盾，很多城市热衷于做集中供冷，甚至把集中供冷当作一种“节能”措施推广。然而，大量的暖通专业文献指出，不同于集中供热，集中供冷的运行能耗远高于分散供冷。为解决冷却塔设置问题，并不是只有“集中供冷”一种方案。集中冷却或采用可设置于封闭空间的闭式冷却塔或鼓风式冷却塔均可行。3.2冷水泵大多数轨道交通线路的空调水系统均采用一级泵定流量系统。一些设置集中供冷系统的线路设置了二级泵系统，但因受隧道内限界条件的制约，同一供冷臂上的各车站均由同一台（组）二级泵供冷。然而《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）第8.5.4条规定：“集中空调冷水系统的选择，应符合下列规定：1除设置一台冷水机组的小型工程外，不应采用定流量一级泵系统；2冷水水温和供回水温差要求一致且各区域管路压力损失相差不大的中