屏蔽門(mén)對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響及分析摘要:通過(guò)加裝屏蔽門(mén)系統(tǒng)必要性的分析及對(duì)廣州地鐵一號(hào)線隧道通風(fēng)工程的研究,提出加裝屏蔽門(mén)后隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正常和事故運(yùn)行方案,通過(guò)模擬計(jì)算和分析比較得出,只要每個(gè)車站兩端的活塞風(fēng)井與出站端隧道連通,原車站隧道的軌頂和站臺(tái)下回風(fēng)系統(tǒng)改造成為排風(fēng)系統(tǒng),就可以滿足正常運(yùn)行和事故運(yùn)行的要求。關(guān)鍵詞:加裝屏蔽門(mén) 必要性 隧道通風(fēng)系統(tǒng) 活塞風(fēng)井0加裝屏蔽門(mén)系統(tǒng)的必要性 地鐵屏蔽門(mén)系統(tǒng)屬于車站設(shè)備系統(tǒng)之一,屏蔽門(mén)系統(tǒng)安裝在站臺(tái)邊緣,將站臺(tái)公共區(qū)與隧道軌行區(qū)完全屏蔽,減少站臺(tái)區(qū)與軌行區(qū)之間冷熱氣流的交換,降低了環(huán)控系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)能耗。屏蔽門(mén)系統(tǒng)的設(shè)置可以有效防止乘客有意或無(wú)意跌入軌道,減小噪聲及活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)候車乘客的影響,改善了乘客候車環(huán)境的舒適度,為軌道交通實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前內(nèi)地深圳地鐵一號(hào)線、廣州地鐵二號(hào)線均設(shè)置了屏蔽門(mén)系統(tǒng),目的是為了簡(jiǎn)化環(huán)控系統(tǒng),節(jié)約能源,提高乘客候車的安全性和舒適性[1]。 廣州地鐵一號(hào)線采用開(kāi)閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。早期規(guī)劃時(shí),在東南亞各軌道交通系統(tǒng)中,只有新加坡地鐵系統(tǒng)采用屏蔽門(mén)技術(shù),同時(shí)由于投入使用年限較短,其安全及可靠性還未能驗(yàn)證且屏蔽門(mén)系統(tǒng)投資較高,因此一號(hào)線采用了開(kāi)閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。廣州地鐵一號(hào)線全線自1999年投入運(yùn)營(yíng)以來(lái),由于車站的熱環(huán)境條件受隧道活塞風(fēng)影響通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗比較大,約占整條線路能耗的三分之一以上。從廣州地鐵二號(hào)線有屏蔽門(mén)系統(tǒng)來(lái)看,屏蔽門(mén)使車站與區(qū)間隧道的氣流相互隔離,避免列車運(yùn)行產(chǎn)生的熱負(fù)荷對(duì)車站的影響,同時(shí)取消了車站兩端的迂回風(fēng)道和線路由地面轉(zhuǎn)入地下時(shí)在洞口設(shè)置的空氣幕系統(tǒng),從而簡(jiǎn)化了車站環(huán)控系統(tǒng),降低運(yùn)營(yíng)能耗,可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)約38%左右。由上可見(jiàn),廣州地鐵一號(hào)線增設(shè)屏蔽門(mén)系統(tǒng)是完全必要的。 目前香港的原有地鐵線路如荃灣線、觀塘線和港島線的車站均已開(kāi)始了增設(shè)屏蔽門(mén)系統(tǒng)的改造工作[2]。1工程概況 廣州市地下鐵道一號(hào)線工程設(shè)16座地鐵車站,其中地下車站14座,地面站2座,隧道長(zhǎng)約16.46km,公農(nóng)區(qū)間設(shè)有與二號(hào)線的聯(lián)絡(luò)線。采用開(kāi)/閉式的隧道通風(fēng)系統(tǒng),隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立又相互密切關(guān)聯(lián)。區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)有兩種設(shè)置方式: 隧道通風(fēng)機(jī)設(shè)置于站廳層,推力風(fēng)機(jī)設(shè)于列車出站一側(cè)的線路外側(cè)或站廳層板上或站臺(tái)板上。推力風(fēng)機(jī)將車站站臺(tái)上的冷空氣送到區(qū)間隧道內(nèi),以冷卻阻塞停車的列車空調(diào)冷凝器。從黃沙站B端至體育中心A端10個(gè)區(qū)間隧道兩頭,及芳村A端廣州東站B端采用如圖1的設(shè)置形式。 隧道風(fēng)機(jī)設(shè)于站臺(tái)層,在隧道風(fēng)機(jī)端部增設(shè)噴嘴,芳村站B端至黃沙站A端與體育中心B端至廣州東站A端采用如圖2的設(shè)置形式。 在站廳、站臺(tái)公共區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)有通風(fēng)空調(diào)管道均勻送風(fēng)、排風(fēng)。在站臺(tái)下及軌道頂設(shè)有排風(fēng)管。列車進(jìn)站端一側(cè)車站端部設(shè)集中冷風(fēng)送風(fēng)口,以冷卻進(jìn)站熱風(fēng),集中送風(fēng)量占總送風(fēng)量的20%~25%。排風(fēng)比例為軌頂(OTE)排60%,站臺(tái)下(UPE)排40%。站臺(tái)下排風(fēng)道采用土建式風(fēng)道,軌頂排風(fēng)道為鋼板風(fēng)管。2隧道通風(fēng)系統(tǒng)方案比較及分析 根據(jù)廣州地鐵一號(hào)線的現(xiàn)有情況及改造工程的設(shè)計(jì)原則,在車站站臺(tái)加裝屏蔽門(mén)后,將改善原有隧道通風(fēng)系統(tǒng)火災(zāi)運(yùn)行的條件,使原有系統(tǒng)更容易組織排除煙氣、熱量及送入新風(fēng),更利于乘客逃生。
2.1正常運(yùn)行方案 方案一:開(kāi)啟車站兩端活塞風(fēng)道和兩條隧道的迂回風(fēng)道的風(fēng)閥,即左右線在車站兩個(gè)端頭連通且與活塞風(fēng)道連通。 方案二:開(kāi)啟車站兩端活塞風(fēng)道和迂回風(fēng)道出站端風(fēng)閥,即活塞風(fēng)道設(shè)于車站的出站端。 方案三:開(kāi)啟車站兩端活塞風(fēng)道和迂回風(fēng)道進(jìn)站端風(fēng)閥,即活塞風(fēng)道設(shè)于車站的進(jìn)站端。 每種方案又分加冷氣與不加冷氣兩種情況,進(jìn)行模擬計(jì)算,并分析比選。2.1.1不加冷氣的正常運(yùn)行方案 以上三個(gè)方案均不需要改變?cè)O(shè)計(jì)活塞風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥的設(shè)置,只需改變正常運(yùn)行的運(yùn)行模式。根據(jù)前面三個(gè)方案,建立了隧道通風(fēng)模擬計(jì)算模型,用SES(SubwayEnvironmentalSimulationComputerProgram,美國(guó)交通部組織編寫(xiě),目前最新版本為SES-V4.1)進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3所示。 從圖3中可以看出正常運(yùn)行時(shí),方案一、二、三,隧道內(nèi)溫度普遍超過(guò)35℃,且超過(guò)一半的隧道溫度達(dá)到38℃以上,甚至部分區(qū)段達(dá)到40℃以上,不能滿足列車正常運(yùn)行的環(huán)境溫度要求。同時(shí)也可看出,方案三在進(jìn)站端開(kāi)啟活塞風(fēng)道的情況最差,方案一和方案二的基本情況相差不大,但方案二略優(yōu)。2.1.2加冷氣的正常運(yùn)行方案 為解決隧道內(nèi)溫度超標(biāo)問(wèn)題,利用原系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在進(jìn)站端集中送入冷風(fēng)的條件送入6.5m3/s的空調(diào)冷風(fēng)(冷量約200kW),再次進(jìn)行模擬計(jì)算,其結(jié)果如圖4所示。 從圖4中可以看出隧道溫度已有較大改善,但方案三仍然偏高,方案一、二的隧道溫度基本控制在37℃以下,且方案二略優(yōu),故設(shè)計(jì)推薦采用方案二,即活塞風(fēng)道只與車站隧道的出站端相連通。 如果按方案二運(yùn)行,仍有部分區(qū)間隧道及車站溫度超過(guò)原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)35℃,其環(huán)境條件不滿足現(xiàn)有列車壽命內(nèi)的運(yùn)行條件,所以對(duì)近期的情況也進(jìn)行了模擬計(jì)算,根據(jù)原設(shè)計(jì),列車近期(15年后)高峰小時(shí)行車對(duì)數(shù)為20對(duì),即發(fā)車間隔為180秒進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出區(qū)間隧道及車站隧道內(nèi)的溫度均低于35℃。因此近期內(nèi)采用方案二對(duì)列車運(yùn)行環(huán)境無(wú)影響。由于列車空調(diào)的使用年限約為15年,使用15年后基本上需要更換,推薦在15年后的列車空調(diào)改造及采購(gòu)新列車時(shí),列車空調(diào)按37℃的運(yùn)行環(huán)境改造及設(shè)計(jì),以滿足遠(yuǎn)期的運(yùn)營(yíng)要求。2.2事故運(yùn)行方案 由于原隧道通風(fēng)系統(tǒng)阻塞運(yùn)行時(shí),雖然初始溫度較原設(shè)計(jì)有約2℃的提高,但改善了原設(shè)計(jì)隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)效果,從總體來(lái)說(shuō)原設(shè)計(jì)基本應(yīng)能滿足阻塞運(yùn)行的要求。當(dāng)發(fā)生區(qū)間阻塞情況時(shí),可開(kāi)啟阻塞區(qū)間后方車站同一條隧道兩端的兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)送風(fēng),前方車站一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)排風(fēng),并相應(yīng)打開(kāi)前方車站的車站軌道排風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)方向與行車方向一致,同時(shí)屏蔽門(mén)應(yīng)保持關(guān)閉狀態(tài),以保證區(qū)間的氣流組織,如圖6所示。并且在設(shè)置有射流風(fēng)機(jī)或推力風(fēng)機(jī)的特殊區(qū)段,還可運(yùn)行相關(guān)輔助設(shè)備強(qiáng)制組織氣流方向,保證區(qū)間隧道的平均溫度及風(fēng)速滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)情況時(shí),排煙組織需根據(jù)列車的具體著火部位選定執(zhí)行模式。一般而言,當(dāng)列車車頭著火時(shí),采用與行車方向一致的方向組織排煙;當(dāng)列車車尾著火時(shí),采用與行車方向相反的方向組織排煙;當(dāng)列車中部著火時(shí),則根據(jù)列車與兩邊中間聯(lián)絡(luò)通道的距離確定送風(fēng)方向;當(dāng)火災(zāi)位置不清楚時(shí),按與行車一致的方向送風(fēng)。排煙模式運(yùn)行時(shí),需通過(guò)區(qū)間兩端車站的隧道通風(fēng)設(shè)備的組合運(yùn)行,保證火災(zāi)隧道的斷面風(fēng)速≥2m/s,有效控制煙氣的流向,防止煙氣蔓延。2.3方案實(shí)施 推薦方案采用每個(gè)車站兩端的活塞風(fēng)井與出站端隧道連通,原車站隧道的軌頂和站臺(tái)下回風(fēng)系統(tǒng)改造成為排風(fēng)系統(tǒng),由車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按各車站的改造工藝完成,因此只需調(diào)整原有系統(tǒng)的運(yùn)行模式而不增加任何設(shè)備,即只需改造BAS系統(tǒng)軟件即可。3廣州地鐵一號(hào)線加裝屏蔽門(mén)經(jīng)濟(jì)性比較 車站加裝屏蔽門(mén)后,將車站與隧道隔成兩個(gè)空間,極大地減少了車站冷量泄漏,從而大幅度地減少了車站的冷負(fù)荷,按遠(yuǎn)期運(yùn)行條件計(jì)算,各車站公共區(qū)的冷負(fù)荷比原系統(tǒng)有較大減少,包括計(jì)入送入隧道的冷量后,平均到每臺(tái)組合式空調(diào)器的冷負(fù)荷基本上比每個(gè)車站原有一臺(tái)組合式空調(diào)器冷量略有減少,總的送風(fēng)也略有減少。以目前正在改造的黃沙站為例,改造前和改造后的空調(diào)設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用比較如表1所示。 從表1可以看出,加裝屏蔽門(mén)后車站的主要空調(diào)設(shè)備數(shù)量減少了一半,年運(yùn)行費(fèi)用可以減少99.1萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。4結(jié)論 ①?gòu)V州地鐵一號(hào)線加裝屏蔽門(mén)降低了站臺(tái)空調(diào)能耗、節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。 ②由于采用屏蔽門(mén)可以減少空調(diào)設(shè)備和環(huán)控機(jī)房的土建初投資;而采用的屏蔽門(mén)國(guó)產(chǎn)化,則又可以降低初投資,所以總投資并非很高,因此廣州現(xiàn)設(shè)計(jì)的幾條地鐵線都采用了屏蔽門(mén)系統(tǒng)。 ③采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)的地鐵隧道內(nèi)溫度有可能超出規(guī)范要求,因此要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的模擬計(jì)算才可確定是否需要往隧道內(nèi)送冷量。一號(hào)線加裝屏蔽門(mén)隧道通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)模擬分析,須往隧道內(nèi)加冷氣才能滿足溫度要求。參考文獻(xiàn)[1]孫增田.屏蔽門(mén)系統(tǒng)在地鐵的應(yīng)用前景[J].地鐵與輕軌,2005,(2):22-26[2]劉承東.屏蔽門(mén)系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2000,(1):34-38
2.1正常運(yùn)行方案 方案一:開(kāi)啟車站兩端活塞風(fēng)道和兩條隧道的迂回風(fēng)道的風(fēng)閥,即左右線在車站兩個(gè)端頭連通且與活塞風(fēng)道連通。 方案二:開(kāi)啟車站兩端活塞風(fēng)道和迂回風(fēng)道出站端風(fēng)閥,即活塞風(fēng)道設(shè)于車站的出站端。 方案三:開(kāi)啟車站兩端活塞風(fēng)道和迂回風(fēng)道進(jìn)站端風(fēng)閥,即活塞風(fēng)道設(shè)于車站的進(jìn)站端。 每種方案又分加冷氣與不加冷氣兩種情況,進(jìn)行模擬計(jì)算,并分析比選。2.1.1不加冷氣的正常運(yùn)行方案 以上三個(gè)方案均不需要改變?cè)O(shè)計(jì)活塞風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥的設(shè)置,只需改變正常運(yùn)行的運(yùn)行模式。根據(jù)前面三個(gè)方案,建立了隧道通風(fēng)模擬計(jì)算模型,用SES(SubwayEnvironmentalSimulationComputerProgram,美國(guó)交通部組織編寫(xiě),目前最新版本為SES-V4.1)進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3所示。 從圖3中可以看出正常運(yùn)行時(shí),方案一、二、三,隧道內(nèi)溫度普遍超過(guò)35℃,且超過(guò)一半的隧道溫度達(dá)到38℃以上,甚至部分區(qū)段達(dá)到40℃以上,不能滿足列車正常運(yùn)行的環(huán)境溫度要求。同時(shí)也可看出,方案三在進(jìn)站端開(kāi)啟活塞風(fēng)道的情況最差,方案一和方案二的基本情況相差不大,但方案二略優(yōu)。2.1.2加冷氣的正常運(yùn)行方案 為解決隧道內(nèi)溫度超標(biāo)問(wèn)題,利用原系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在進(jìn)站端集中送入冷風(fēng)的條件送入6.5m3/s的空調(diào)冷風(fēng)(冷量約200kW),再次進(jìn)行模擬計(jì)算,其結(jié)果如圖4所示。 從圖4中可以看出隧道溫度已有較大改善,但方案三仍然偏高,方案一、二的隧道溫度基本控制在37℃以下,且方案二略優(yōu),故設(shè)計(jì)推薦采用方案二,即活塞風(fēng)道只與車站隧道的出站端相連通。 如果按方案二運(yùn)行,仍有部分區(qū)間隧道及車站溫度超過(guò)原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)35℃,其環(huán)境條件不滿足現(xiàn)有列車壽命內(nèi)的運(yùn)行條件,所以對(duì)近期的情況也進(jìn)行了模擬計(jì)算,根據(jù)原設(shè)計(jì),列車近期(15年后)高峰小時(shí)行車對(duì)數(shù)為20對(duì),即發(fā)車間隔為180秒進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出區(qū)間隧道及車站隧道內(nèi)的溫度均低于35℃。因此近期內(nèi)采用方案二對(duì)列車運(yùn)行環(huán)境無(wú)影響。由于列車空調(diào)的使用年限約為15年,使用15年后基本上需要更換,推薦在15年后的列車空調(diào)改造及采購(gòu)新列車時(shí),列車空調(diào)按37℃的運(yùn)行環(huán)境改造及設(shè)計(jì),以滿足遠(yuǎn)期的運(yùn)營(yíng)要求。2.2事故運(yùn)行方案 由于原隧道通風(fēng)系統(tǒng)阻塞運(yùn)行時(shí),雖然初始溫度較原設(shè)計(jì)有約2℃的提高,但改善了原設(shè)計(jì)隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)效果,從總體來(lái)說(shuō)原設(shè)計(jì)基本應(yīng)能滿足阻塞運(yùn)行的要求。當(dāng)發(fā)生區(qū)間阻塞情況時(shí),可開(kāi)啟阻塞區(qū)間后方車站同一條隧道兩端的兩臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)送風(fēng),前方車站一臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)排風(fēng),并相應(yīng)打開(kāi)前方車站的車站軌道排風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)方向與行車方向一致,同時(shí)屏蔽門(mén)應(yīng)保持關(guān)閉狀態(tài),以保證區(qū)間的氣流組織,如圖6所示。并且在設(shè)置有射流風(fēng)機(jī)或推力風(fēng)機(jī)的特殊區(qū)段,還可運(yùn)行相關(guān)輔助設(shè)備強(qiáng)制組織氣流方向,保證區(qū)間隧道的平均溫度及風(fēng)速滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)情況時(shí),排煙組織需根據(jù)列車的具體著火部位選定執(zhí)行模式。一般而言,當(dāng)列車車頭著火時(shí),采用與行車方向一致的方向組織排煙;當(dāng)列車車尾著火時(shí),采用與行車方向相反的方向組織排煙;當(dāng)列車中部著火時(shí),則根據(jù)列車與兩邊中間聯(lián)絡(luò)通道的距離確定送風(fēng)方向;當(dāng)火災(zāi)位置不清楚時(shí),按與行車一致的方向送風(fēng)。排煙模式運(yùn)行時(shí),需通過(guò)區(qū)間兩端車站的隧道通風(fēng)設(shè)備的組合運(yùn)行,保證火災(zāi)隧道的斷面風(fēng)速≥2m/s,有效控制煙氣的流向,防止煙氣蔓延。2.3方案實(shí)施 推薦方案采用每個(gè)車站兩端的活塞風(fēng)井與出站端隧道連通,原車站隧道的軌頂和站臺(tái)下回風(fēng)系統(tǒng)改造成為排風(fēng)系統(tǒng),由車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按各車站的改造工藝完成,因此只需調(diào)整原有系統(tǒng)的運(yùn)行模式而不增加任何設(shè)備,即只需改造BAS系統(tǒng)軟件即可。3廣州地鐵一號(hào)線加裝屏蔽門(mén)經(jīng)濟(jì)性比較 車站加裝屏蔽門(mén)后,將車站與隧道隔成兩個(gè)空間,極大地減少了車站冷量泄漏,從而大幅度地減少了車站的冷負(fù)荷,按遠(yuǎn)期運(yùn)行條件計(jì)算,各車站公共區(qū)的冷負(fù)荷比原系統(tǒng)有較大減少,包括計(jì)入送入隧道的冷量后,平均到每臺(tái)組合式空調(diào)器的冷負(fù)荷基本上比每個(gè)車站原有一臺(tái)組合式空調(diào)器冷量略有減少,總的送風(fēng)也略有減少。以目前正在改造的黃沙站為例,改造前和改造后的空調(diào)設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用比較如表1所示。 從表1可以看出,加裝屏蔽門(mén)后車站的主要空調(diào)設(shè)備數(shù)量減少了一半,年運(yùn)行費(fèi)用可以減少99.1萬(wàn)元,經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。4結(jié)論 ①?gòu)V州地鐵一號(hào)線加裝屏蔽門(mén)降低了站臺(tái)空調(diào)能耗、節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。 ②由于采用屏蔽門(mén)可以減少空調(diào)設(shè)備和環(huán)控機(jī)房的土建初投資;而采用的屏蔽門(mén)國(guó)產(chǎn)化,則又可以降低初投資,所以總投資并非很高,因此廣州現(xiàn)設(shè)計(jì)的幾條地鐵線都采用了屏蔽門(mén)系統(tǒng)。 ③采用屏蔽門(mén)系統(tǒng)的地鐵隧道內(nèi)溫度有可能超出規(guī)范要求,因此要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的模擬計(jì)算才可確定是否需要往隧道內(nèi)送冷量。一號(hào)線加裝屏蔽門(mén)隧道通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)模擬分析,須往隧道內(nèi)加冷氣才能滿足溫度要求。參考文獻(xiàn)[1]孫增田.屏蔽門(mén)系統(tǒng)在地鐵的應(yīng)用前景[J].地鐵與輕軌,2005,(2):22-26[2]劉承東.屏蔽門(mén)系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2000,(1):34-38
