广州地铁环控系统设计方案研究.doc

广州地铁环控系统设计方案研究（二）前言在建筑物林立的城市闹市区修建地铁，设置地面风亭是一项十分困难的事情，地面风亭数量越多，设置难度越大，为了避免风亭风口之间的相互影响，地铁规范规定各风口之间的间距应大于5m。车站一端设置4个风亭时，4个风口如果在立面上错开，则风亭成为一个庞然大物，影响城市景观，4个风口如果在平面上错开时，占地面积很大，地方难找且协调工作十分艰巨。目前国内地铁传统的设计是车站一端设置4个风亭，车站两端共设置8个地面风亭，工程量巨大。能否将风亭数量减少一些，应是设计者研究课题之一。广州地铁1号线采用开/闭式系统，在其前期设计阶段，设置的地面风亭每个车站为8个，为了解决多个风亭设置的困难，当时作为环控设计负责人的本人，对其进行了分析与研究，提出了将每站8个风亭数量减少的设想，并经过艰巨努力，使每站按6个风亭付诸工程实施，为广州地铁节省了一笔十分可观的工程投资。风亭数量可以减少的原因，作者已在广州地铁1号线环控设计总结（收入回顾与思考一书第九章环境控制系统）中进行了介绍，这里不再说明。遗憾的是这一设计进步，没有得到业内人士的认可，致使在其后采用开/闭式系统的上海地铁2号线和南京地铁1、2号线仍然按照每站8个地面风亭进行设计施工，为此作者感到十分可惜。广州地铁25号线采用了屏蔽门系统，2、3号线每个地铁车站均设置了8个地面风亭，4、5号线则是部分车站按照8个地面风亭设计，部分车站按6个地面风亭设计。8个地面风亭设计方案就是作者第一篇文章（简称“文章1”）中介绍的A型设计方案，6个地面风亭设计方案就是文章1中的B型方案。本文除了对开/闭式系统和屏蔽门系统各站均可以按照6个地面风亭进行设计加以肯定外，还将进一步探讨能能否使各站风亭减少至4个或更少的可能性，以便最大限度减少地铁风道风亭土建工程量和工程投资。 一、A型方案设计情况的讨论1、A型方案8个风亭设置情况概述将车站大系统划入文章1中的A型设计方案系统图后，则成为本文所示的系统图1，因此A型设计方案就是8个风亭的方案，既车站每一端有2个隧道风亭、1个进（送）风亭及1个排（出）风亭，计4个，车站两端合计共8个风亭。它的设计基本情况是：（1）对车站通风空调系统设计了送风系统和回排风系统，其中送风系统由进风亭、进风道（井）、组合式空调机（AHU）等组成，回排风系统由回排风机（RAF）、排风亭（包含排风道（井），以下风亭均包含了风道（井）等组成；（2）对区间隧道在车站两端分别为左、右线设置了各1个活塞通风系统及机械通风系统，活塞通风系统由活塞通风道、活塞通风阀、活塞通风亭等组成，机械通风系统由TVF风机、机械通风亭等组成，显然活塞通风亭与机械通风亭共同合用一个风亭，故称为隧道风亭，活塞通风与机械通风系统紧密相连，通常称其为区间隧道通风系统；（3）对站内隧道设计了单一的排风（排热）系统，该系统由车顶和站台下均匀排风（OTE和UPE）道、TEF风机、排风亭等组成。图示表明排热系统的风亭与车站排系统的风亭共同合用一个风亭，由此可见“合用设计”已经存在，并不是新概念，本文只是给以明确，并按照“合用设计”这一概念进一步探讨风亭设计数量减少的可能性。为了进行文字表述，图1中的编号不同于各条地铁线路设计，其编号规定详见图1中的说明。2、A型方案隧道通风气流的基本分析隧道通风系统由活塞通风与机械通风组成，图2对A型方案的右线隧道活塞通风与机械通风气流进行了分解。图中（1）是没有机械通风，仅列车在区间隧道内运行时所产生的活塞风风流状况，列车前方为正压，因此，列车前方的风亭均为排（出）风，列车后方为负压，其后方风亭均为进风，图中用风流箭头的多少来表示各风亭和各通风段的相对风量大小，列车前后用3个风流箭头表示的隧道段风量最大，其它用2个箭头表示的风亭和隧道段的风量并不完全相等，而只是表示它比用1个箭头表示的风量大而已。图中（2）是车站两端区间隧道没有列车运行，仅站内隧道排热系统的TEF风机运转时的风流状况，同上图一样，图中用风流箭头的多少来表示各风亭和各通风段的风量大小。由图可知：（1）列车在区间隧道内运行时所形成的活塞风流，在没有其它风流影响时，对各车站进站端的1风亭而言，以排（出）风为主，对各车站出站端的2风亭而言，以进风为主；（2）在没有列车活塞风影响时，车站两端的1与2风亭均是TEF风机进行机械排风时的进风通路。3、A型方案隧道通风气流的综合分析正常运行时隧道（包括区间隧道和站内隧道）通风是由列车运行的活塞通风与TEF风机机械通风共同组成的。TEF风机机械通风可以认为是一稳定流，列车运行所产生的活塞通风则是一动态的非稳定流，两者的组合仍为动态非稳定流，其计算比较复杂，一般需要借助电脑程序进行。但个人认为，定性分析和静态分析是程序计算的基础之一，作为工程应用，进行静态的定性分析乃是我们进行设计问题研究的重要方法之一，同时也是我们检查程序计算结果的重要手段之一。为此，本文进行了图3所示的静态的定性分析。为了进行气流分析与叠加，我们对图2气流作以下简化设定：略去较小风量影响，仅对中等风量和较大风量进行分析，且均用单一风流箭头表示。为此对一个车站两端风亭而言，对应于图2-（1）可以形成图3-（1）所示的气流图，对应于图2-（2）可以形成图3-（2）所示的气流图。将图3中的（1）图与（2）图叠加则形成（3）图，由图3-（3）可以看出：（1）车站进站端的1风亭及其活塞通风道内，两种气流方向相反，互相抵消通风量减小；（2）车站出站端2风亭及其活塞通风道内，两种气流方向相同，互相加强通风量增大。4、A型方案隧道通风综合分析小结通过以上综合分析我们可以认为A型方案设置在车站进站端的1风亭及其活塞通风道的对外通风作用十分有限，可以取消，设置在车站出站端的2风亭及其活塞通风道的通风作用明显，需要加强。三、B型方案设计情况的讨论1、B型方案6个风亭设置情况概述按照A型方案通风综合分析车站进站端的1风亭及其活塞通风道可以取消的结论，可以使车站的风亭数量由8个减少为6个。将车站大系统画入文章1中的B型设计方案系统图后，则成为本文所示的系统图4，该图示即为广州地铁4、5号线一些车站所采用，并被作者在文章1中称为的B型设计方案。B型方案为车站每端有1个出站端的隧道通风亭（2#）和车站通风空调进风亭（3#）及排风亭（4#），计为3个风亭。其实取消车站进站端的1风亭及其活塞通风道后的隧道通风系统可以按照文章1的建议方案1或建议方案2设计，本文为了两篇文章的衔接和避免不必要的误解继续沿用文章1的B型方案系统设计图来进行表述。2、B型方案隧道通风气流的综合分析上面所介绍的B型方案及文章1中的建议方案1、2都是基于可以取消进站端的1风亭及其活塞通风道这一分析结论（广州4、5号所出现的B型方案是否也基于这一分析结论尚不清楚，而本人是基于这一分析结论才赞同B型方案的），从风亭数量上讲建议方案1、2也属于B型方案系列。B型方案取消进站端隧道通风亭后，每个车站的站内隧道与进站端的区间隧道形成了同一通风区段，对其通风情况本文进行了图5所示的静态的定性的分解分析。为了文字表述方便，图5中的编号与文章前后的图形编号不同，即将进站端的区间隧道、出站端的隧道风亭及TEF风机等编号与车站用同一序号表示，名称及编号后的括号内是其缩写。对图5中的各分图具体说明如下：A图是各相邻区间隧道内均无列车运行，各相邻车站内均有列车（或均无列车）停站时的通风情况，通风气流从本站出站端隧道风亭进入地铁内，然后由本站TEF排风系统排出地面，显然这时各出站端的风亭进风量等于各站TEF的排风量，可用以下等式表示，即Q3F进=Q3T排、Q4F进=Q4T排、Q5F进=Q5T排、.;B图是各相邻区间隧道内均有列车运行且运行情况相同，而各车站内均无列车（或均有列车）停站时的通风情况，此时的通风则由TEF机械排风和列车运行所产生的活塞通风组成，各区段的通风是新风从列车后方的风亭进入，途径运行区间，然后由前方的TEF排出地面，列车后方风亭的进风量QF应等于运行区间的活塞通风量QQ，且等于列车前方车站TEF排风量QT，即Q3F进=Q4Q=Q4T排、Q4F进=Q5Q=Q5T排、Q5F进=Q6Q=Q6T排、.;C1图是1列车在区间运行其前后区段均无列车时的通风情况，气流从3F进入，途径4Q进入4C，进入4C时会有三种情况：（）如果Q4Q=Q4T排时，则4F和5Q均没有气流；（）如果Q4QQ4T排时，则4F处于进风状况；（）如果Q4QQ4T时，则如C1图风流箭头所示，4T排出部分风量剩余风量到达出站端4F接口处按三通管路进行风量分配，此时，4F处于排风状况排出部分风量，部分风量则进入5Q和5C，进入5C后仍然会有三种情况出现；（1）如果Q5Q=Q5T时，则5F和6Q均没有气流；（2）如果Q5QQ5T时，则5F有气流进入；（3）如果Q5QQ5T时，则5T排出一部分风量后剩余风量到达出站端5F接口处按三通进行风量分配，部分由5F排出，部分进入6Q和6C.，因为Q3F进=Q排4T排Q4F排Q5Q，Q5Q=Q5T排Q5F排Q6Q，所以，Q3F进Q4F排Q5F排；C2图情况与C1图雷同，只是列车前进了一个区间，4号风亭可由C1图可能存在的第（）种排风情况变成了进风情况，这种随着列车运行位置的不同，对1个风亭而言有时进风有时排风的情况，就是人们常说的活塞通风，本文将其称为对外活塞通风，并将上述列车运行区间的活塞通风称为对内活塞通风。对内活塞通风的风向为单向风流，风向与行车方向始终一致；对外活塞通风的风向则可能为双向，为时进时出，如果活塞通风道长度较长，可能会出现地铁内的热空气还没有排出风亭（或排出量很小）时又处于进风状况使其又返回入地铁内而没有达到对外活塞通风的目的，为此各条地铁线路都对活塞通风道的长度进行了限制，同时为了达到较好的对外活塞通风效果还对活塞通道的过风面积大小设计有所规定。D图是1列车在区间运行其前后区段车站均有列车停站时的通风情况，通风情况与C1图接近只是各通风区段的风量大小有所变化。需要指出的是D图与C1、C2图一样没有显示（）、（）Q4QQ4T排时的情况，而只显示了（）Q4QQ4T时的情况。上面所说的列车在区间隧道内运行的对内活塞通风量大小取决于隧道面积、列车正面积、列车长度、隧道通风管路阻力系统、及列车运行速度等，这些参数除列车速度为变量外，其余则是常量。因此地铁各种边界条件确定后对内活塞通风量大小主要决于列车运行速度，列车从一个车站运行到下一个车站，一般经历三个运行阶段：启动加速运行、高速惰性运行、制动减速运行。加速运行时隧道内活塞通风量由小逐渐加大，惰性运行时隧道内活塞通风量最大，减速运行时隧道内活塞通风量由大逐渐减小，列车停站后活塞风速尚有一个衰减过程。在活塞通风量逐渐加大和逐渐减小过程中，C1图和D图中的（）、（）Q4QQ4T排时的情况总是会存在的，且会有一定的时间，即在此时间内4F风亭不向外排风而处于进风情况；在活塞通风量最大阶段，可以有两种情况，即Q4QQ4T排和Q4QQ4T排，只有后一种情况才使4F风亭向外排风。3、B型方案风亭数量能否进一步减少问题的讨论通过以上分析，显然可以认为这里存在一个设计问题，如果各个车站的TEF风机的风量设计的足够大，将本区段列车运行活塞通风量全部由本区段一个车站的TEF排出，则出站端的隧道风亭就始终不会向外排风而成为单一的进风亭，作为进风亭就可以与车站通风空调系统的进风亭（3）合为1个地面风亭，使车站每端成为只有进风与排风的2个风亭，即可将每个车站风亭从6个改为4个风亭设计。当然QT排过大将使TEF能耗加大运营费用提高而不经济，相反如果QT排过小，虽可使QF排加大，但同时又会使串入下一个区间或下两个区间的热风量加大，可能使区间隧道的温度升高而超过设计标准，可见设计的关键是TEF排风量的确定。图5中的A图和B图情况很难发生但可能会发生，C图和D图则是经常出现的情况，从设计角度讲，为了节能和降低运营费用C图和D图中的（）Q4QQ4T时的情况是难以避免的，但通过上面的分析，可以认为每个车站的出站端的风亭以进风为主，进风量远大于排风量，且进风时段大于出风时段。为此我们设想在活塞通风道内设置一个止回风阀，让它只进风不排（出）风，改变风亭对外活塞通风双向气流为单向气流，从而对区间隧道空间形成新风由出站端隧道风亭进入，完全由车站TEF进行排出的通风形式，在C、D图（）Q4QQ4T情况下则由2个或3个站的TEF排出去，显然这比上述的1个车站TEF排出去要经济节能。此时既然出站端隧道风亭改变成了进风通路，那么在设计上就可以取消按双向气流要求的活塞通风道设计时的长度限制和风道过风面积的规定，这给风亭位置的选择和风道断面的设计带来了很大的便利。此外还可以与车站通风空调的进风通路合并为一个地面风亭，使车站每端的风亭由3个变为2个。车站每端按照1个进风亭和1个排风亭设计时，本文结合文章1中的建议方案1提出的设想方案系统图如图6所示。设想方案实施时TEF风机的风量确定和风道断面设计是设计计算的关键，需要根据各线的具体线路和列车等条件进行动态程序计算的多方案比选，选取最佳计算结果，设想方案实施时需对止回风阀研制，小型止回风阀有其产品，大型止回风阀尚无，需要调研，想来困难不大。当然设想方案这只是风亭数量减少，对于风亭因通风量的加大，过风面积需要加大，但其加大的工程量及设计难度远比风亭数量多时的工程量及设计难度和工程量小的多。需要指出的是