复合式通风空调系统在太原地铁2号线中的应用

李德辉 邓保顺 郭永桢 黎元龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

复合式通风空调系统在太原地铁2号线中的应用

李德辉 邓保顺 郭永桢 黎元龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

对太原市地铁2号线工程概况进行了介绍，结合太原市气候特点，确定了公共区室内外设计参数，并通过对通风空调系统形式的比较分析，采用全空气新风冷却空调系统，指出该系统设计方案安全、合理，可显著提高车站环境的舒适性。

地铁，空调系统，设计参数，气候

1 工程概况

太原市地铁2号线线路总长37.2 km，共设30座车站。2号线分两期建设，一期工程南起人民南路站，北至西涧河站，全长23.7 km，共设21座地下车站(5座换乘站)，平均站间距1 213 m。设车辆段及综合维修基地1座、主变电站2座，与1号，3号，4号，5号线共用一个控制中心。车辆采用A型车，4动2拖6节编组；远景年限最大行车密度30对/h；最高运行速度80 km/h。设计年度：初期2020年、近期2027年、远期2042年。

于2013年1月23日～25日，完成《太原市城市轨道交通2号线一期工程(小店南～西涧河)可行性研究报告》评审，2014年1月15日～17日，完成《太原市城市轨道交通2号线一期工程(人民南路～西涧河)初步设计》评审。

通风空调系统设计主要包括全部地下车站通风空调防排烟系统设计和全线地下区间隧道通风防排烟系统设计，其中公共区室内外设计参数的确定、通风空调系统形式确定是工程设计的重难点。

2 公共区室内外设计参数的确定

2.1 太原市与国内其他城市气象资料对比

利用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》(1984年—2003年近20年)及太原市气象部门提供的气象参数(2001年—2011年近11年)，对太原市气象资料的分析、整理和汇总，经研究分析，太原市气候有如下特点：

1)年平均温度低。太原市的年平均温度为10.8 ℃，年平均温度除比沈阳市、哈尔滨市和兰州市高外，均低于其他城市的年平均温度，与大连市接近。

2)全年气温变化幅度较大。太原市一月份的平均温度为-4.3 ℃，七月份的平均温度为24.58 ℃，变化幅度为28.88 ℃，其变化幅度与大连市、天津市、兰州市比较接近，比沈阳市、北京市和哈尔滨市的变化幅度小外，均大于其他城市。

3)夏暖冬冷、夏季空气相对干燥。太原市最热月平均温度24.58 ℃，且6月，7月，8月，三个月的月平均温度均在22 ℃左右；最冷月平均温度为-4.3 ℃，1月，2月，12月，三个月的月平均温度均低于0 ℃，具有明显的夏暖冬冷特点，且各季节温度变化比较明显。太原市极端最高温度为37.4 ℃，与成都市接近，略高于大连市和沈阳市外，均低于其他城市；太原市没有日最高气温不小于35 ℃的天数，典型年份日最高温度为34.2 ℃；夏季最热月月平均相对湿度为70.4%，全年平均相对湿度为55.7%，低于除兰州市外的其他城市。因此，具有全年四季比较分明、夏暖冬冷、气候干燥的特点。

4)夏季空调室外计算焓值低。太原市夏季空调计算干球温度为31.1 ℃，与沈阳市、成都市接近，高于大连市、哈尔滨市外，均低于其他城市。夏季空调室外计算焓值为77.50 kJ/kg，与站厅站台室内平均计算焓值69.75 kJ/kg(站厅、站台室内设计标准的确定详见2.3节)相差较小，室外焓值高于室内焓值的时段较短，约为16 d。

5)夏季空调时间较短。太原市日最高温度超过30 ℃的年平均天数为33 d，北京为67 d，天津为60 d，沈阳为33 d，哈尔滨为26 d，兰州为35 d，在夏季有约一个月的高温天气，且室外焓值高于室内焓值的时段约为16 d，即夏季需要开启空调的时间较短。

综上，太原市全年温度变化大、夏暖冬冷、早晚温差大、全年空气相对湿度低、空气比较干燥，通风空调系统的设置应充分考虑气候特点，其气候特点与哈尔滨、大连市、兰州市较为接近，地铁工程通风空调系统的设计可借鉴哈尔滨市、大连市、兰州市地铁设计经验。

2.2 室外设计参数

地铁车站公共区由于高峰客流时段不同于地面建筑设计负荷最大时段，所以GB 50157—2003地铁设计规范[1]中对于地下车站通风空调设计参数的规定为：“地下车站公共区夏季空调室外计算干、湿球温度，采用近20年夏季地铁晚高峰负荷时平均每年不保证30 h的干、湿球温度”“计算隧道和地下车站公共区通风风量时，夏季通风室外计算温度为近20年最热月月平均温度的平均值”。而GB 50019—2003采暖通风与空气调节设计规范[2]对室外设计参数规定为：“夏季空调室外计算干湿球温度，采用历年平均不保证50 h的干湿球温度”“夏季通风室外计算温度，采用历年最热月14时的月平均温度的平均值”。

由于地铁晚高峰一般出现在17时～18时，而地面建筑设计温度一般采用12时～14时，此时并非地铁运营晚高峰，据北京、上海、广州的地铁资料统计，12时～14时的客运负荷仅为晚高峰负荷的50%～70%，如果按此时客流计算空调冷负荷很难满足地铁晚高峰负荷的要求，若同时采用夏季不保证50 h干球温度与地铁晚高峰客流负荷来计算空调冷负荷，就形成两个峰值的叠加，系统负荷偏大，因此地铁室外设计参数不同于地面建筑设计参数的选取，采用地铁晚高峰负荷出现时相对应的室外温度更合理。所以对于太原的第一条地铁线路，室外设计参数需经过对近20年气象数据分析计算确定。

利用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》及太原市气象部门提供的气象参数，进行设计参数的统计、分析处理，确定的太原地铁车站公共区通风空调设计室外干、湿球温度如下：

夏季空调室外计算干球温度：31.1 ℃；夏季空调室外计算湿球温度：24.1 ℃；夏季通风室外计算温度：24.58 ℃；冬季通风室外计算温度：-4.3 ℃。

2.3 室内设计参数

根据《地铁设计规范》规定：“当车站采用空调系统时，站厅中公共区的空气计算温度应比空调室外空气计算干球温度低2 ℃～3 ℃，且不应超过30 ℃；站台公共区的空气计算温度比站厅的空气计算温度低1 ℃～2 ℃，相对湿度均应在40%～70%之间。”根据确定的夏季室外空调计算干球温度31.1 ℃低2 ℃～3 ℃，最终确定站厅公共区室内设计温度30 ℃，站台公共区室内设计温度比站厅低1 ℃～2 ℃，为29 ℃。通风空调室内设计参数如表1所示。

表1 室内设计参数

3 通风空调系统形式的选择

3.1 设计规范及标准的相关规定

《地铁设计规范》中设置空调系统的条件：“在夏季当地最热月的平均温度超过25 ℃，且轨道交通高峰时间内每小时的行车对数和每列车车辆数的乘积大于180时，可采用空气调节系统。”建标104—2008城市轨道交通工程项目建设标准[3]中规定：“地下车站设置空调必须符合下列条件：当车站采用机械通风时，站内夏季的空气计算干球温度超过30 ℃时；当地夏季最热月平均温度超过25 ℃。”可见，地铁工程是否设置空调系统，最主要的指标是当地最热月的平均温度。

3.2 国内常见通风空调系统

地铁通风与空调系统主要功能是为其运营创造一个与之相适应的环境，保证其内部环境的空气质量、温度、湿度、气流组织以及气流速度、噪声等满足人员的生理及心理条件要求，为人员提供必须的安全卫生条件，为列车及设备的正常运转和事故工况运行提供必要的条件。地铁工程中通风与空调系统形式通常有三种：通风系统、站台设置安全门或不设门的通风与空调系统(简称闭式系统)和站台设置屏蔽门的通风与空调系统(简称屏蔽门系统)。国内地铁工程的通风空调系统设置情况如表2所示。

表2 地铁工程通风空调系统设置情况表

3.3 通风空调系统形式选择

太原地铁2号线初、近、远期采用A型车6辆编组，远期列车运行对数为30对/h。太原市年平均温度为10.8 ℃、最热月的平均温度为24.58 ℃。从以上条件可以看出，虽然高峰时间内每小时的行车对数和每列车车辆数的乘积等于180，但无论是最热月平均温度还是全年平均气温，都没有达到《地铁设计规范》及《标准》中设置空调系统需要达到的25 ℃和15 ℃的条件。

根据太原市的地理位置、气候特点，并参考与太原市气候相近的其他正在建设轨道交通的城市，如大连市(最热月的平均温度为24.6 ℃，全年平均温度为11 ℃)、哈尔滨市(最热月的平均温度为22.9 ℃，全年平均温度为4 ℃)以及兰州市(最热月的平均温度为22.4 ℃，全年平均温度为10.2 ℃)、沈阳市(最热月的平均温度为24.7 ℃，全年平均温度为8.5 ℃)均采用全高安全门通风系统。因此，在遵守国家现有地铁设计规范、规程的前提下，从节约能源、节省投资、简化系统、减少运行维护费用等角度出发，工可设计阶段太原地铁2号线地下车站公共区采用全高安全门的通风系统。

4 通风空调系统形式优化

4.1 优化的必要性

太原市最热月平均温度为24.58 ℃，气候条件十分接近国家标准规定的应设置空调系统的指标(最热月平均气温25 ℃)。太原是最近几年城市化发展较快的城市之一，大型商场和宾馆酒店均设置空调系统，2号线列车车辆亦设置有空调系统；考虑到近年来气候变暖、人们生活水平提高后对公交出行舒适性的要求逐步提高、后期通过改造增设空调系统对运营的影响风险以及太原第一条轨道交通线路客流发展的不确定性等因素，为了适应以后城市发展的需要，作为城市窗口的地铁工程适当提高通风空调系统设置标准，有利于提高城市服务水平，宣传城市品牌，增强城市活力。因此，在初步设计阶段，结合太原市的气候条件，对土建规模、征地拆迁、工程投资以及长期运营费用等方面综合考虑，对系统形式进行了优化改进。

4.2 通风空调系统优化

地铁工程中设置空调的系统形式通常有两种：闭式系统和屏蔽门系统。由于传统闭式系统和屏蔽门系统均需设置庞大的冷冻、冷却水系统，在通风系统的基础上需增设冷水机房、公共区通风空调机房，对于单个典型地下车站而言，机房面积分别要增加约1 000 m2,450 m2，土建及设备综合投资分别要增加约1 200万元，500万元，年运行费用分别要增加约90万元，100万元，采用传统闭式系统和屏蔽门系统明显不合理，不推荐采用。

从近20年间气象参数分析可知，夏季太原地区有约一个月的高温天气，意味着夏季需要开启空调系统的时间较短。因此，空调系统着重考虑在工可阶段选定的通风系统基础上如何实现对土建方案影响较小、形式简单、控制灵活，适合短时间内开启空调的系统形式，适合于地铁工程可供选择的有风机盘管加新风系统、多联机空调系统以及全空气新风冷却空调系统。

由于风机盘管加新风系统还需设置冷冻、冷却水系统，需增设冷水机房、新风机房，也不适合于2号线工程。多联机空调系统以及蒸发冷凝直膨式空调系统均不设置冷冻、冷却水系统，无需设置冷水机房、公共区通风空调机房。多联机空调系统在公共区吊顶内设置室内机，在站外地面或建筑物上设置室外机，其缺点是：冷媒管道长度在120 m～200 m之间，系统运行效率较低，室外机数量多，室外占地面较大，影响城市景观，布置困难，因此也不推荐采用。

全空气新风冷却空调系统是在通风系统基础上，增加蒸发冷凝直膨式空调机组，是一种通风系统与直膨式空调复合成的新型地铁通风空调系统。蒸发冷凝直膨式空调机组实质是大型分体式空调，由室内、外机组成，室外机为风(水)冷螺杆式制冷压缩冷凝机组，室内机含直接蒸发式空气冷却器、节流降压机构、干燥过滤器以及空气过滤器等。将室内机设置在车站两端的新风道内，室外机设置在对应的室外地面。其优点是制冷剂吸热蒸发直接冷却空气，省去制备冷冻、冷却水的中间环节，制冷效率提高，操作控制便捷。

在初、近期，根据客流、列车运行对数以及太原早晚温差大的气候特点等实际情况，空调送风系统可不运行，大幅降低初、近期运行费用。在远期需要空调时，仅供给满足乘客所需的最小新风，区间隧道采用开式运行，开启车站排风系统及空调送风系统，将室外空气通过室内机组降温除湿后送入车站站厅、站台公共区，与室内空气进行充分的热湿交换后经排风机排出室外，为乘客提供较为舒适的过渡性乘车环境。春秋季节运行时，区间隧道通风系统采用开式运行，车站关闭送风系统及室内机组、开启排风系统，采用机械通风进行通风换气的模式，当室外温度达到活塞风可满足地铁内部环境温度要求时，则关闭车站机械通风系统，由活塞风进行自然通风换气。冬季运行时，采用闭式通风模式运行，关闭区间隧道通风系统及车站送、排风系统，开启迂回风阀，利用活塞风对区间隧道和车站公共区进行通风换气。

对于单个典型地下车站而言，采用蒸发冷凝直膨式空调系统，在通风系统的基础上机房面积增加约160 m2，土建及设备综合投资增加约300万元，年运行费用增加约15万元，与传统闭式系统和屏蔽门系统比较，机房面积分别减少约840 m2，290 m2，土建及设备综合投资分别减少约900万元，200万元，年运行费用分别减少约75万元，85万元。在机房面积稍有增加、综合投资增加不大、运行费用较省的情况下，实现空调效果，可显著提高车站环境舒适性，满足了公交出行舒适性要求的不断提高，避免了后期改造增设空调系统对运营的影响风险，有利于提高城市服务水平，适应城市长期发展的需要。

4.3 系统优化后关键问题的解决

采用全空气新风冷却空调系统，存在蒸发冷凝直膨式空调机组在国内地铁工程中仅有部分城市的个别车站采用，生产供货厂家相对较少，在整条线路大规模选用时，设备的生产供货能力是否能满足工程建设进展要求，如何开展设备招标等尚无成功经验可循；室外机设于室外地面，对城市景观的影响以及产生的噪声也是需要重点解决的问题。

目前，工程正在开展用户需求书编制工作，参建各方正在积极进行设备调研、完善用户需求书的详细技术要求、落实招标采购方式。经对全线车站地面规划、环保要求及车站周边情况梳理，21座车站中19座车站两端的风亭旁边场地开阔、无噪声敏感点，满足设置风冷蒸发冷凝式制冷主机的条件，有2座车站室外场地受限、无条件布置风冷蒸发冷凝式制冷主机，可采用风冷蒸发冷凝式制冷主机设置在排风井内的方案，关键问题正在有条不紊的落实解决。

5 结语

2号线通风空调系统设计经过大量的气象数据处理，按照规范确定了合理的室内、外设计气象参数，并根据当地气候特点对通风空调系统形式进行了充分的技术经济比较和优化，确定采用全空气新风冷却空调系统。该系统设计方案技术先进、投资经济合理、运行安全节能，是在机房面积稍有增加、综合投资增加不大、运行费用较省的情况下，在通风系统基础上实现空调效果，可显著提高车站环境舒适性的系统，是在类似太原地区气候特点城市地铁建设中一次大胆的通风空调系统设计的创新和尝试。

2014年1月15日～17日，《太原市城市轨道交通2号线一期工程(人民南路～西涧河)初步设计》完成评审。目前，工程设计正在按计划工期稳步推进，相信在参建各方的共同努力下，新型通风空调系统将在2号线的建设中顺利实施，为太原地铁提供一个经济合理、安全节能的通风空调系统。

[1] GB 50157—2003，地铁设计规范[S].

[2] GB 50019—2003，采暖通风与空气调节设计规范[S].

[3] 建标104—2008，城市轨道交通工程项目建设标准[S].

On application of combined ventilation air-conditioning system in No.2 Line of Taiyuan Subway

Li Dehui Deng Baoshun Guo Yongzhen Li Yuanlong

(ChinaRailwayNo.1SurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd,Xi’an710043,China)

The paper introduces the No.2 Subway in Taiyuan, identifie the indoor and outdoor design parameter in public areas by combining with the climate features in Taiyuan, undertakes the comparative analysis of the ventilation air-conditioning system, adopts the whole fresh air cooling air-conditioner system, points out the design scheme of the system is safe and reasonable, it can enhance the comfort of the station environment.

subway, air-conditioner system, design parameter, climate

2015-01-13

李德辉(1968- )，男，教授级高级工程师； 邓保顺(1970- )，男，教授级高级工程师； 郭永桢(1978- )，男，高级工程师； 黎元龙(1976- )，男，工程师

1009-6825(2015)09-0126-03

U231.5

A