深圳市城市轨道交通环控系统应用现状.docx
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深圳市城市轨道交通环控系统应用现状
1前言
1.1研究背景
伴随着城市的蓬勃发展,深圳也滋生了很多大城市病,其中交通越来越拥堵、人们出行困难已经成为众多顽症中的一个。
发展公共交通是在交通系统层面上以改善交通出行结构、集约利用交通资源为手段的缓解大城市交通问题的有效途径。
而轨道交通作为一种效率高、人均占用资源少的公共交通方式被国内外许多大城市所采用,缓解城市交通拥堵效果显著。
截至2016年10月28日,深圳地铁共有8条线路、198座车站、运营线路总长285公里,轨道交通线路长度居中国第3(仅次于上海、北京)世界第8位,构成覆盖深圳市罗湖、福田、南山、宝安、龙华、龙岗六座市辖行政区的地铁网络。
如今,深圳地铁和深圳公交构成了深圳市公共交通的骨干。
而城市轨道交通环控系统作为地铁重要组成部分,为乘客、工作人员提供舒适、安全的环境,并且在能耗方面占有很大比重,所以环控系统是地铁能否正常运营的关键因素之一。
1.2研究意义
地铁一般部深处地下,车站和列车行车隧道被数米至数十米厚的土层覆盖,与外界的空气交换只能通过车站的出入口和有限的隧道风井来进行。
同时列车运行、设备运转和乘客等会发出大量的热量;列车刹车时产生大量粉尘,乘客和工作人员的新陈代谢也产生大量的热湿负荷和C02流体;同时由于地铁周围土壤通过地铁围护结构的渗湿量也很大。
仅靠空气的自然流动和扩散,是无法排除如此巨大的热湿负荷和污染物,从而难以保持地铁内部环境的舒适性。
因此,必须设置地铁环控系统,对地铁内部的空气温湿度、气流速度和空气质量等空气环境因素进行控制,为乘客和工作人员创造一个生理和心理上都能够满意的适宜环境,并满足地铁设备正常运转的需要。
其中“节能”是地铁环控系统必须考虑的问题。
地铁环控系统的造价仅相当于整个地铁的8%~10%,但在运行过程中,用电量却占了相当大的比重。
采用空调系统的地铁环控系统用电量约占整个地铁耗电量的40%左右。
对于广州等炎热地区,地铁环控系统的能耗占地铁总能耗的50%。
地铁内部的空间和发热量大,为了维持其热环境,环控系统的风机、制冷机、空调机的装机容量都相当大,由此引起大量的设备投资和运行能耗费用,严重影响到地铁的运营经济性。
因此,在地铁环控系统的设计和运行中,要针对地铁的特点,充分利用有利的因素,克服不利的因素,在满足设备及人员对环境的要求的基础上,采用合理的环控系统设计并进行科学的运行控制,实现最小的初投资和最低的运行费用。
1.3研究现状
文献[1]以深圳地铁(屏蔽门系统)香蜜湖岛式车站的隧道通风系统为研究对象,根据隧道活塞风的空气动力学控制方程和活塞风速的理论计算,分析列车在行车过程中由于活塞效应对车站隧道、区间隧道和活塞风阀各个断面所产生的不同影响,确定地铁隧道活塞风的测试方案。
文献[2]利用可靠性的工作过程分析深圳地铁一期工程环控系统在可靠性上存在的问题和采取的整改方案。
提出新线建设对此类问题的处理办法,提高了环控系统的可靠性。
文献[3]根据地铁环控系统的能耗特点,提出一种环境整体节能控制策略。
文献[4]对前海湾站环控设计进行了观察以及分析。
文献[5]对闭式系统和屏蔽门系统进行比较,并发现屏蔽门系统在技术方面胜于闭式系统。
文献[6]对地铁屏蔽门、闭式系统以及屏蔽门系统的能耗问题进行了研究,并搜集对应的数据进行分析,得出屏蔽门系统可以有效节能的结论。
文献[7]对南京地铁一号线环控系统节能方面做了研究,发现该线路环控系统经过改进以后,能耗得到了减少,从而达到节约资金的目的。
为其它地铁线的环控节能运营提供了一定的理论依据和实际运用的示范。
1.4研究内容
本文主要从环控系统的历程出发,探索环控系统产生的必然过程,从而了解环控系统形成条件以及它们存在的必要性。
再延伸到如今环控系统的组成以及它们相对应的选择方案,找出目前最适合当地轨道交通的方案。
最后重点调查深圳某个车站的环控系统,从而推断出深圳地铁环控系统的整体现状,并对此进行合理的分析。
2环控系统的发展原因以及历程
20世纪30年代末以前,大多数轨道交通地下工程都没有考虑环境控制。
到了现代,该项工程才逐步成形,成为如今的环控系统。
2.1发展原因
轨道交通的地下线路是一个狭长的地下建筑,除各站的出、入口,送排风口与外界大气相通外,基本上市与外界隔绝的;另外,由于列车的高密度运行以及大量乘客的集散,形成独特的环境特点:
地下铁道的车站和区间隧道除出入口等极少部位与外界相连通外,基本上与外界隔绝,只有用人工气候环境才能满足乘客的要求。
列车各种设备的运行和高度密集的乘客都将释放出大量的热,如不及时排出,将使车站和区间的温度上升,使乘客在此环境中难以忍受。
由于地层蓄热作用,运营初期系统内部的温度会逐年升高,若处理不当,会对系统的远期环境造成影响。
车站内高度密集的人群会释放出大量的异味和二氧化碳,如果没有足够的新鲜空气和有效排出废气的措施,将会使车站内的空气十分污浊。
轨道交通地下工程是一个狭长封闭的地下建筑,列车以及各种设备运行产生的噪声不易消除,对乘客影响较大。
列车运行时产生的“活塞效应”,若不能合理利用,会干扰车站的气流组织,使乘客感到不舒适,并影响车站的负荷。
当发生事故、尤其是发生火灾事故时,将导致环境恶化,不易救援,需要采取有效措施。
正因为其环境与地面建筑有很大的不同,要想吸引更多的乘客来乘坐地铁,就需要营造一个良好、舒适的人工环境,以满足众多乘客和轨道交通内部工作人员的生理和心理上的要求,这种要求,或者说人工环境,实际上是一个多功能、多方面的综合要求,设计地下轨道环境中空气的温度、湿度、气流速度、空气品质、噪声控制、环境色调与照明亮度以及装饰的协调与配合诸多因素,是一项复杂的系统工程。
于是,致力于控制轨道交通地下工程环境的设计人员不断探索,经过不断发展,更加关注局部排风、局部空调以及紧急情况下的通风,于是概念也得到更新,轨道交通地下工程环境(环控系统)就应运而生了。
2.2发展历程
1863年,世界第一条轨道交通地下工程“大都会”号在伦敦开通,由于是蒸汽机车驱动,冒烟的发动机在地下运行时污染环境使人感觉很不舒服。
“大都会”号以后的伦敦轨道交通地下工程在引入电机机车时又遇到新的问题。
电机机车的功率很大,放出的热量也更多,由于散热量的增加和客运量的增大,使人在伦敦地铁内处于一种难以忍受的窒息状态。
1901年纽约轨道交通地下工程开始修建,设计人员对于隧道和车站的强迫通风没有特别的考虑,相信人行道上的通风口就能成为地下工程系统提供的新鲜空气。
1905年10月,纽约第一条轨道交通开通运行,次年夏天由于地面通气口不定而引起轨道交通地下工程内温度过高问题变得严重起来。
为了增加通气量,车站的房顶上设置了更多的通气口,车站之间修建了风机管和通风管。
1909年5月开始建造了波士顿轨道交通地下工程,设计人员已经认识到为乘客们提供一个舒适环境的必要性,提出“采用人工通风方式获得纯净空气,在隧道内使用电灯提供照明”并总结出“温度问题与通风有关,加大通风换气次数,将减少隧道内外温差”。
在波士顿轨道交通地下工程采用隧道顶部的风管进行通风,并且车站出入口设计较大,使得轨道交通地下工程内有比较良好的环境。
在设计芝加哥轨道交通地下工程的一开始,人们就考虑了环境控制的问题。
芝加哥第一条轨道交通地下工程于1943年建成,EdisonBrock为这条轨道交通地下工程的通风系统的建立做出了巨大贡献。
Brock在“芝加哥轨道交通地下工程中实现热量平衡,Brock不仅考虑了为保持舒适的轨道交通地下工程环境所需的空气变化,同时也考虑了隧道壁、土壤温度日变化和年变化影响以及热量的累积作用,并测定了多种温度及循环下的累积效应,在设计芝加哥轨道交通地下工程时充分利用了这些数据,创造了未使用空调几乎全年都能提供充分通风和宜人工程通风系统。
芝加哥地铁内的环境成功解决,使得其他许多计划修建地铁的城市,在设计的早期阶段开始寻找解决环境问题的方案。
1954年开通的多伦多地铁,基本上是以芝加哥地铁设计为蓝本的。
多伦多地铁克服了空气的告诉流动对月台和乘客的压力和压力波,采用了一些结构上的改变以及利用隧道周围岩土层的蓄热(冷)性能,采用夜间通风,较好地改善了候车、乘车环境。
总之,早期的地铁环境控制,都仅限于自然(活塞效应)通风,或者在后期改造中,以安装机械式强制通风设备作为最终解决措施。
如今,地铁环境控制已取得了很大的突破,在安全性、舒适性方面都得到了很大的提高。
3环控系统的要求、组成及方案选择
轨道交通地下工程环控系统(environmentalcontrolsystem)的目的就是在正常运行期间为乘客、工作人员提供舒适的环境,以及在紧急情况下能够迅速帮主乘客离开危险地并尽可能减少损失。
3.1基本要求
轨道交通地下工程不论采用何种环控系统都必须满足以下3个基本要求。
列车正常运行时,环控系统能根据季节气候,合理、有效地控制系统内空气温度、湿度、流速和清新度、气压变化和噪声,保持舒适、卫生的空调环境。
列车阻塞运行时,环控系统能够确保隧道内空气流通,列车空调器正常运行,乘客们感到舒适。
紧急情况时,环控系统能够控制烟、热气扩散方向,为乘客撤离和救援人员进入提供安全通道。
轨道交通地下工程环控方式有多种,不同的城市其气候条件、室外温湿度差异很大。
因此,选用何种环控方案,应根据客观条件、工程造价、运行效果等方面综合分析。
3.2组成
轨道交通地下工程环控系统一般由区间隧道通风系统、车站隧道通风系统、大系统、小系统、水系统几个部分组成。
(1)区间隧道通风系统
区间隧道通风环控系统主要用作隧道的通风换气,在隧道中发生火灾时,此系统也兼有防灾报警功能。
区间隧道通风系统主要靠通风来降低隧道内的空气湿度,一方面由设在站台两段的事故风机在夜间列车停运时向隧道内送风和排风来降低区间内的空气湿度;另一方面白天列车运行时,所产生的活塞风经过活塞风道,由地面上的风亭排出区间内的空气和吸入外界的温度较低的空气,对隧道内进行通风。
为了避免和减少列车运行所产生的活塞风进入车站的站台层和站厅层,在车站和区间的交汇处设置冷却阻尼风,它是由车站空调系统中的空调箱送出的冷风,风量时整个车站空调送风的25%。
(2)车站隧道通风系统
“车站隧道通风系统”是指服务于车站范围内屏蔽门外侧列车停车区域隧道的通风及防排烟系统。
上述两部分合称“隧道通风系统”,一般均由专门的系统设计单位进行设计,车站设计人员仅需根据系统专业要求合理的将其实现即可。
在正常运行状态下,打开所有的区间隧道排热风机,隧道的换气主要靠列车运行时产生的活塞风进行空气交换。
早、晚间列车停止运行时,打开区间隧道通风机和隧道排热风机对隧道进行空气交换。
如遇到列车故障,比如列车阻塞在站内时,此时只需打开此站的部分隧道通风机以及相应的电动组合风门来增加排风量,依靠空气的自然流动来进行空气交换。
如果列车阻塞在区间隧道内,此时打开区间两端隧道通风机以及相应的电动组合风门对隧道区间强制进行空气交换。
当列车在运行过程中发生火灾时,此时区间隧道通风系统各设备运行的原则是:
必须保证隧道中的风向与旅客疏散的方向相反,以保证旅客的生命安全。
这里有四种可能的火灾模式,即隧道列车尾部发生火灾、隧道列车头部发生火灾、隧道列车中部发生火灾和站台列车发生火灾。
(3)大系统
“大系统”是指服务于站厅、站台公共区(即乘客所处区域)的通风空调以及防排烟系统,又称公共区空调通风环控系统。
车站大系统空调通风系统包括站厅层、站台层公共区的所有环控设备。
在正常情况下,环控系统通过测量新风、送风、回风、混合风的温湿度和CO2浓度来调节空调机组回水管自动调节阀门的开度,控制风阀开关和风机的启停。
(4)小系统
“小系统”是指服务于设备、管理用房区(即工作管理人员及设备所处区域)的通风空调及防排烟系统。
车站空调通风小系统是一套独立的系统。
其运行方式比较简单。
在正常运行时,送/排风机的
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