廣州地鐵環(huán)控系統(tǒng)設計方案研究

1、廣州地鐵環(huán)控系統(tǒng)設計方案研究（二）前言在建筑物林立的城市鬧市區(qū)修建地鐵，設置地面風亭是一項十分困難的事情，地面風亭數(shù)量越多，設置難度越大，為了避免風亭風口之間的相互影響，地鐵規(guī)范規(guī)定各風口之間的間距應大于5m。車站一端設置4個風亭時，4個風口如果在立面上錯開，則風亭成為一個龐然大物，影響城市景觀，4個風口如果在平面上錯開時，占地面積很大，地方難找且協(xié)調(diào)工作十分艱巨。目前國內(nèi)地鐵傳統(tǒng)的設計是車站一端設置4個風亭，車站兩端共設置8個地面風亭，工程量巨大。能否將風亭數(shù)量減少一些，應是設計者研究課題之一。廣州地鐵1號線采用開/閉式系統(tǒng)，在其前期設計階段，設置的地面風亭每個車站為8個，為了解決多個風亭設

2、置的困難，當時作為環(huán)控設計負責人的本人，對其進行了分析與研究，提出了將每站8個風亭數(shù)量減少的設想，并經(jīng)過艱巨努力，使每站按6個風亭付諸工程實施，為廣州地鐵節(jié)省了一筆十分可觀的工程投資。風亭數(shù)量可以減少的原因，作者已在廣州地鐵1號線環(huán)控設計總結（收入回顧與思考一書第九章環(huán)境控制系統(tǒng)）中進行了介紹，這里不再說明。遺憾的是這一設計進步，沒有得到業(yè)內(nèi)人士的認可，致使在其后采用開/閉式系統(tǒng)的上海地鐵2號線和南京地鐵1、2號線仍然按照每站8個地面風亭進行設計施工，為此作者感到十分可惜。廣州地鐵25號線采用了屏蔽門系統(tǒng)，2、3號線每個地鐵車站均設置了8個地面風亭，4、5號線則是部分車站按照8個地面風亭設計，

3、部分車站按6個地面風亭設計。8個地面風亭設計方案就是作者第一篇文章（簡稱“文章1”）中介紹的A型設計方案，6個地面風亭設計方案就是文章1中的B型方案。本文除了對開/閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)各站均可以按照6個地面風亭進行設計加以肯定外，還將進一步探討能能否使各站風亭減少至4個或更少的可能性，以便最大限度減少地鐵風道風亭土建工程量和工程投資。 一、A型方案設計情況的討論1、A型方案8個風亭設置情況概述將車站大系統(tǒng)劃入文章1中的A型設計方案系統(tǒng)圖后，則成為本文所示的系統(tǒng)圖1，因此A型設計方案就是8個風亭的方案，既車站每一端有2個隧道風亭、1個進（送）風亭及1個排（出）風亭，計4個，車站兩端合計共8個風亭

4、。它的設計基本情況是：（1）對車站通風空調(diào)系統(tǒng)設計了送風系統(tǒng)和回排風系統(tǒng)，其中送風系統(tǒng)由進風亭、進風道（井）、組合式空調(diào)機（AHU）等組成，回排風系統(tǒng)由回排風機（RAF）、排風亭（包含排風道（井），以下風亭均包含了風道（井）等組成；（2）對區(qū)間隧道在車站兩端分別為左、右線設置了各1個活塞通風系統(tǒng)及機械通風系統(tǒng)，活塞通風系統(tǒng)由活塞通風道、活塞通風閥、活塞通風亭等組成，機械通風系統(tǒng)由TVF風機、機械通風亭等組成，顯然活塞通風亭與機械通風亭共同合用一個風亭，故稱為隧道風亭，活塞通風與機械通風系統(tǒng)緊密相連，通常稱其為區(qū)間隧道通風系統(tǒng)；（3）對站內(nèi)隧道設計了單一的排風（排熱）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由車頂和站臺下均

5、勻排風（OTE和UPE）道、TEF風機、排風亭等組成。圖示表明排熱系統(tǒng)的風亭與車站排系統(tǒng)的風亭共同合用一個風亭，由此可見“合用設計”已經(jīng)存在，并不是新概念，本文只是給以明確，并按照“合用設計”這一概念進一步探討風亭設計數(shù)量減少的可能性。為了進行文字表述，圖1中的編號不同于各條地鐵線路設計，其編號規(guī)定詳見圖1中的說明。2、A型方案隧道通風氣流的基本分析隧道通風系統(tǒng)由活塞通風與機械通風組成，圖2對A型方案的右線隧道活塞通風與機械通風氣流進行了分解。圖中（1）是沒有機械通風，僅列車在區(qū)間隧道內(nèi)運行時所產(chǎn)生的活塞風風流狀況，列車前方為正壓，因此，列車前方的風亭均為排（出）風，列車后方為負壓，其后方風亭

6、均為進風，圖中用風流箭頭的多少來表示各風亭和各通風段的相對風量大小，列車前后用3個風流箭頭表示的隧道段風量最大，其它用2個箭頭表示的風亭和隧道段的風量并不完全相等，而只是表示它比用1個箭頭表示的風量大而已。圖中（2）是車站兩端區(qū)間隧道沒有列車運行，僅站內(nèi)隧道排熱系統(tǒng)的TEF風機運轉時的風流狀況，同上圖一樣，圖中用風流箭頭的多少來表示各風亭和各通風段的風量大小。由圖可知：（1）列車在區(qū)間隧道內(nèi)運行時所形成的活塞風流，在沒有其它風流影響時，對各車站進站端的1風亭而言，以排（出）風為主，對各車站出站端的2風亭而言，以進風為主；（2）在沒有列車活塞風影響時，車站兩端的1與2風亭均是TEF風機進行機械排

7、風時的進風通路。3、A型方案隧道通風氣流的綜合分析正常運行時隧道（包括區(qū)間隧道和站內(nèi)隧道）通風是由列車運行的活塞通風與TEF風機機械通風共同組成的。TEF風機機械通風可以認為是一穩(wěn)定流，列車運行所產(chǎn)生的活塞通風則是一動態(tài)的非穩(wěn)定流，兩者的組合仍為動態(tài)非穩(wěn)定流，其計算比較復雜，一般需要借助電腦程序進行。但個人認為，定性分析和靜態(tài)分析是程序計算的基礎之一，作為工程應用，進行靜態(tài)的定性分析乃是我們進行設計問題研究的重要方法之一，同時也是我們檢查程序計算結果的重要手段之一。為此，本文進行了圖3所示的靜態(tài)的定性分析。為了進行氣流分析與疊加，我們對圖2氣流作以下簡化設定：略去較小風量影響，僅對中等風量和較

8、大風量進行分析，且均用單一風流箭頭表示。為此對一個車站兩端風亭而言，對應于圖2-（1）可以形成圖3-（1）所示的氣流圖，對應于圖2-（2）可以形成圖3-（2）所示的氣流圖。將圖3中的（1）圖與（2）圖疊加則形成（3）圖，由圖3-（3）可以看出：（1）車站進站端的1風亭及其活塞通風道內(nèi)，兩種氣流方向相反，互相抵消通風量減小；（2）車站出站端2風亭及其活塞通風道內(nèi)，兩種氣流方向相同，互相加強通風量增大。4、A型方案隧道通風綜合分析小結通過以上綜合分析我們可以認為A型方案設置在車站進站端的1風亭及其活塞通風道的對外通風作用十分有限，可以取消，設置在車站出站端的2風亭及其活塞通風道的通風作用明顯，需要

9、加強。三、B型方案設計情況的討論1、B型方案6個風亭設置情況概述按照A型方案通風綜合分析車站進站端的1風亭及其活塞通風道可以取消的結論，可以使車站的風亭數(shù)量由8個減少為6個。將車站大系統(tǒng)畫入文章1中的B型設計方案系統(tǒng)圖后，則成為本文所示的系統(tǒng)圖4，該圖示即為廣州地鐵4、5號線一些車站所采用，并被作者在文章1中稱為的B型設計方案。B型方案為車站每端有1個出站端的隧道通風亭（2#）和車站通風空調(diào)進風亭（3#）及排風亭（4#），計為3個風亭。其實取消車站進站端的1風亭及其活塞通風道后的隧道通風系統(tǒng)可以按照文章1的建議方案1或建議方案2設計，本文為了兩篇文章的銜接和避免不必要的誤解繼續(xù)沿用文章1的B型

10、方案系統(tǒng)設計圖來進行表述。2、B型方案隧道通風氣流的綜合分析上面所介紹的B型方案及文章1中的建議方案1、2都是基于可以取消進站端的1風亭及其活塞通風道這一分析結論（廣州4、5號所出現(xiàn)的B型方案是否也基于這一分析結論尚不清楚，而本人是基于這一分析結論才贊同B型方案的），從風亭數(shù)量上講建議方案1、2也屬于B型方案系列。B型方案取消進站端隧道通風亭后，每個車站的站內(nèi)隧道與進站端的區(qū)間隧道形成了同一通風區(qū)段，對其通風情況本文進行了圖5所示的靜態(tài)的定性的分解分析。為了文字表述方便，圖5中的編號與文章前后的圖形編號不同，即將進站端的區(qū)間隧道、出站端的隧道風亭及TEF風機等編號與車站用同一序號表示，名稱及編

11、號后的括號內(nèi)是其縮寫。對圖5中的各分圖具體說明如下：A圖是各相鄰區(qū)間隧道內(nèi)均無列車運行，各相鄰車站內(nèi)均有列車（或均無列車）停站時的通風情況，通風氣流從本站出站端隧道風亭進入地鐵內(nèi)，然后由本站TEF排風系統(tǒng)排出地面，顯然這時各出站端的風亭進風量等于各站TEF的排風量，可用以下等式表示，即Q3F進=Q3T排、Q4F進=Q4T排、Q5F進=Q5T排、.;B圖是各相鄰區(qū)間隧道內(nèi)均有列車運行且運行情況相同，而各車站內(nèi)均無列車（或均有列車）停站時的通風情況，此時的通風則由TEF機械排風和列車運行所產(chǎn)生的活塞通風組成，各區(qū)段的通風是新風從列車后方的風亭進入，途徑運行區(qū)間，然后由前方的TEF排出地面，列車后方

12、風亭的進風量QF應等于運行區(qū)間的活塞通風量QQ，且等于列車前方車站TEF排風量QT，即Q3F進=Q4Q=Q4T排、Q4F進=Q5Q=Q5T排、Q5F進=Q6Q=Q6T排、.;C1圖是1列車在區(qū)間運行其前后區(qū)段均無列車時的通風情況，氣流從3F進入，途徑4Q進入4C，進入4C時會有三種情況：（）如果Q4Q=Q4T排時，則4F和5Q均沒有氣流；（）如果Q4QQ4T排時，則4F處于進風狀況；（）如果Q4QQ4T時，則如C1圖風流箭頭所示，4T排出部分風量剩余風量到達出站端4F接口處按三通管路進行風量分配，此時，4F處于排風狀況排出部分風量，部分風量則進入5Q和5C，進入5C后仍然會有三種情況出現(xiàn)；（1

13、）如果Q5Q=Q5T時，則5F和6Q均沒有氣流；（2）如果Q5QQ5T時，則5F有氣流進入；（3）如果Q5QQ5T時，則5T排出一部分風量后剩余風量到達出站端5F接口處按三通進行風量分配，部分由5F排出，部分進入6Q和6C.，因為Q3F進=Q排4T排Q4F排Q5Q，Q5Q=Q5T排Q5F排Q6Q，所以，Q3F進Q4F排Q5F排；C2圖情況與C1圖雷同，只是列車前進了一個區(qū)間，4號風亭可由C1圖可能存在的第（）種排風情況變成了進風情況，這種隨著列車運行位置的不同，對1個風亭而言有時進風有時排風的情況，就是人們常說的活塞通風，本文將其稱為對外活塞通風，并將上述列車運行區(qū)間的活塞通風稱為對內(nèi)活塞通風

14、。對內(nèi)活塞通風的風向為單向風流，風向與行車方向始終一致；對外活塞通風的風向則可能為雙向，為時進時出，如果活塞通風道長度較長，可能會出現(xiàn)地鐵內(nèi)的熱空氣還沒有排出風亭（或排出量很?。r又處于進風狀況使其又返回入地鐵內(nèi)而沒有達到對外活塞通風的目的，為此各條地鐵線路都對活塞通風道的長度進行了限制，同時為了達到較好的對外活塞通風效果還對活塞通道的過風面積大小設計有所規(guī)定。D圖是1列車在區(qū)間運行其前后區(qū)段車站均有列車停站時的通風情況，通風情況與C1圖接近只是各通風區(qū)段的風量大小有所變化。需要指出的是D圖與C1、C2圖一樣沒有顯示（）、（）Q4QQ4T排時的情況，而只顯示了（）Q4QQ4T時的情況。上面所說

15、的列車在區(qū)間隧道內(nèi)運行的對內(nèi)活塞通風量大小取決于隧道面積、列車正面積、列車長度、隧道通風管路阻力系統(tǒng)、及列車運行速度等，這些參數(shù)除列車速度為變量外，其余則是常量。因此地鐵各種邊界條件確定后對內(nèi)活塞通風量大小主要決于列車運行速度，列車從一個車站運行到下一個車站，一般經(jīng)歷三個運行階段：啟動加速運行、高速惰性運行、制動減速運行。加速運行時隧道內(nèi)活塞通風量由小逐漸加大，惰性運行時隧道內(nèi)活塞通風量最大，減速運行時隧道內(nèi)活塞通風量由大逐漸減小，列車停站后活塞風速尚有一個衰減過程。在活塞通風量逐漸加大和逐漸減小過程中，C1圖和D圖中的（）、（）Q4QQ4T排時的情況總是會存在的，且會有一定的時間，即在此時間

16、內(nèi)4F風亭不向外排風而處于進風情況；在活塞通風量最大階段，可以有兩種情況，即Q4QQ4T排和Q4QQ4T排，只有后一種情況才使4F風亭向外排風。3、B型方案風亭數(shù)量能否進一步減少問題的討論通過以上分析，顯然可以認為這里存在一個設計問題，如果各個車站的TEF風機的風量設計的足夠大，將本區(qū)段列車運行活塞通風量全部由本區(qū)段一個車站的TEF排出，則出站端的隧道風亭就始終不會向外排風而成為單一的進風亭，作為進風亭就可以與車站通風空調(diào)系統(tǒng)的進風亭（3）合為1個地面風亭，使車站每端成為只有進風與排風的2個風亭，即可將每個車站風亭從6個改為4個風亭設計。當然QT排過大將使TEF能耗加大運營費用提高而不經(jīng)濟，相

17、反如果QT排過小，雖可使QF排加大，但同時又會使串入下一個區(qū)間或下兩個區(qū)間的熱風量加大，可能使區(qū)間隧道的溫度升高而超過設計標準，可見設計的關鍵是TEF排風量的確定。圖5中的A圖和B圖情況很難發(fā)生但可能會發(fā)生，C圖和D圖則是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，從設計角度講，為了節(jié)能和降低運營費用C圖和D圖中的（）Q4QQ4T時的情況是難以避免的，但通過上面的分析，可以認為每個車站的出站端的風亭以進風為主，進風量遠大于排風量，且進風時段大于出風時段。為此我們設想在活塞通風道內(nèi)設置一個止回風閥，讓它只進風不排（出）風，改變風亭對外活塞通風雙向氣流為單向氣流，從而對區(qū)間隧道空間形成新風由出站端隧道風亭進入，完全由車站TE

18、F進行排出的通風形式，在C、D圖（）Q4QQ4T情況下則由2個或3個站的TEF排出去，顯然這比上述的1個車站TEF排出去要經(jīng)濟節(jié)能。此時既然出站端隧道風亭改變成了進風通路，那么在設計上就可以取消按雙向氣流要求的活塞通風道設計時的長度限制和風道過風面積的規(guī)定，這給風亭位置的選擇和風道斷面的設計帶來了很大的便利。此外還可以與車站通風空調(diào)的進風通路合并為一個地面風亭，使車站每端的風亭由3個變?yōu)?個。車站每端按照1個進風亭和1個排風亭設計時，本文結合文章1中的建議方案1提出的設想方案系統(tǒng)圖如圖6所示。設想方案實施時TEF風機的風量確定和風道斷面設計是設計計算的關鍵，需要根據(jù)各線的具體線路和列車等條件進行動態(tài)程序計算的多方案比選，選取最佳計算結果，設想方案實施時需對止回風閥研制，小型止回風閥有其產(chǎn)品，大型止回風閥尚無，需要調(diào)研，想來困難不大。當然設想方案這只是風亭數(shù)量減少，對于風亭因通風量的加大，過風面積需要加大，但其加大的工程量及設計難度遠比風亭數(shù)量多時的工程量及設計難度和工程量小的多。需要指出的是設想方案是按照車站兩端對