广州地铁一号线公园前站环境控制设计
2008年05月25 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网
1、概述
广州地铁一号线主要为东西走向，大部分穿过老城区，全长18.48公里，南起西朗站，东至广州东站，共设14个地下站和两个地面站。投资总概算为127.15亿元人民币，主要设备从德国、英国、日本、美国等国家引进，整个系统达到80年代末、90年代初国际先进水平，设计最高车速为80公里/小时，平均运行速度为35公里/小时，最小发车间隔2分钟，可满足2023年的预测客流量。
公园前站位于广州市文化、商业、金融、贸易中心的中山五路地段，是广州市轨道路网规划中一、二号线的立交换乘车站，该站创造性地采用一岛两侧的站台形式，是东南亚目前最大的地铁换乘站。
2、地铁环控系统主要功能
地铁环控系统是通过对影响环境的空气温度、湿度、空气流速和空气品质等主要因素的控制来创造一个适于地铁设备正常运转、人员安全舒适的人工环境：
在列车正常运行时，排除余热余湿，提供人员所需的新风量，为乘客和工作人员提供一个适宜的人工环境，满足站内各种设备正常运转所需的温、湿度要求；
列车阻塞在区间隧道时，向阻塞区间提供一定的通风量，保证列车空调等设备正常工作，维持车厢内乘客在短时间内能接受的环境条件；
在发生火灾事故时，提供迅速有效的排烟手段，给乘客和消防人员提供足够的新鲜空气，并形成一定的迎面风速，引导乘客安全迅速地撤离。
3、地铁环控系统设计特点
3.1 车站空调负荷受外界气象影响小
根据有关资料，地铁车站空调负荷主要由以下几方面组成：列车本身发热及列车空调冷凝器散热约占74%，车站照明、广告灯箱的灯光负荷约占6%，自动扶梯、售票机、检票机等动力负荷约占5%，乘客散热约占15%。由此可见，地铁车站的主要热源来自列车本身，受外界气象条件影响较小。
3.2 某些设计参数的确定不同于民用建筑
在地铁设计中，确定夏季空气调节新风的室外计算干球温度时，采用“近20年夏季地下铁道晚高峰负荷时平均每年不保证30h的干球温度”，而不采用《采暖通风与空气调节设计规范》（以下简称“暖通规范”）规定的“采用历年平均不保证50h的平均温度”，因为暖通规范是主要针对地面建筑工程的，与地下铁道的情况不同。暖通规范的每年不保证50h的干球温度一般出现在12～14时，而据地铁运营资料统计，此时地铁客运负荷较低，仅为晚高峰负荷的50～70%，若按此计算空调负荷，则不能满足地铁晚高峰负荷要求；若同时采用夏季不保证50h干球温度与地铁晚高峰负荷来计算空调冷负荷，则形成两个峰值叠加，使空调负荷偏大。因此采用地下铁道晚高峰负荷出现的时间相对应的室外温度较为合理。由此根据气象资料统计得出广州地铁空调室外新风计算干球温度为32.5℃，比暖通规范中规定的33.5℃低约1℃。
又如室内参数的确定，地铁车站空调属舒适性空调。一般情况下，乘客从进站、候车到上车在车站仅3～5分钟，下车出站约需3分钟，其余约3/4的时间在车厢内。因此车站的空调有别于一般的舒适性空调。既然乘客在站厅和站台的时间特别短，只是通过和短暂停留，为了节约能源，只考虑乘客由地面进入地下铁道车站有较凉快的感觉，满足于“暂时舒适”就可以了，而人们对温度变化有明显感觉的温差为2℃以上，因此广州地铁一号线站厅夏季的空调计算温度取30℃（比空调新风室外计算温度32.5℃低2.5℃）；站台比站厅低1℃，取29℃；而车站管理用房等，由于工作人员长时间在里面工作，取27℃；列车车厢中取27℃等。
3.3 噪声控制难度大
地铁的噪声源主要有：列车运行时的噪声，这是站台的主要声源，当列车以60km/h运行时，噪声约为100db（A），因此隧道内列车通过时噪声在100db（A）左右，而当列车进、出站台时使得站台噪声在75db（A）以上，但时间不长；其次为风机的噪声，它主要是站厅及地面风亭的声源，对站台影响较大，这部分噪声主要以中、低频为主的宽频带噪声，一般声功率级都在100分贝以上；其他如变压器、水泵、制冷机等为次声源。
在消声处理方面，对控制难度大的列车噪声只在建筑方面作相应处理；对可控声源风机等在其进、出口上均设有消声器，以满足规范要求；对水泵、制冷机等次声源均设有减震措施。
3.4 排烟系统设计尤为重要
由于地铁是人员密集的地下建筑，而且相对来说地下车站直接出入地面的出口较少且距地面较远；另据国内外的资料分析，发生火灾时造成的人员伤亡，绝大多数是被烟气熏倒、中毒、窒息所致。因此排烟设计在地铁中显得很重要。
排烟系统的设计原理为：当站厅或站台发生火灾时，要对火灾区进行迅速而有效的机械排烟；当列车在隧道发生火灾时，要对发生火灾的隧道进行机械送风和机械排烟；当列车事故阻塞在隧道中时，要对事故点进行机械送风。
但与民用建筑相比，地铁排烟的某些要求又有所不同。如地下车站的防烟分区面积可扩大至750m2；又如选择排烟风机及烟气流经的辅助设备如风阀、消声器等时，要求能保证150℃时连续有效工作1h。
4、地铁环控系统设计组成部分
地铁环控系统主要由以下四部分组成：区间隧道机械通风（兼排烟）及活塞风系统，简称隧道通风系统；车站公共区部分（站厅、站台、人行通道）的空调、通风（兼排烟）系统，简称车站大系统；车站管理用房及设备用房的空调、通风（兼排烟）系统，简称车站小系统；车站制冷供冷系统，简称车站水系统。
4.1 隧道通风系统
隧道通风系统的设备主要由分别设置在车站两端站厅、站台层的四台隧道通风机、两台推力风机及组合式风阀等组成，其作用是通过机械送、排风或列车活塞风作用排除区间隧道内余热余湿，保证列车和隧道内设备的正常运行，另外在每天清晨运营前半小时打开隧道风机，进行冷却通风。既可以利用早晨外界清新的冷空气对地铁进行换气和冷却，又能检查设备及时维修，确保事故时能投入使用；在列车由于各种原因停留在区间隧道内，而乘客不下列车时，顺列车运行方向进行送—排机械通风，冷却列车空调冷凝器等，使车内乘客仍有舒适的旅行环境；当列车发生火灾时，应尽一切努力使列车运行到车站站台范围内，以利于人员疏散和灭火排烟。当发生火灾的列车无法行驶到车站而被迫停在隧道内时，应立即启动风机进行排烟降温：隧道一端的隧道风机向火灾地点输送新鲜空气，另一端的隧道通风机从隧道排烟，以引导乘客迎着气流方向撤离事故现场，消防人员顺着气流方向进行灭火和抢救工作。
4.2 车站大系统
车站大系统主要由分设于车站两端的两台站厅全新风机、四台站台全新风机、两台站厅空调新风机、两台站台空调新风机、四台站厅回/排风机、四台站台回/排风机、两台站厅组合式空调机组、四台站台组合式空调机组及相应的各种风阀、防火阀等设备组成，其作用是通过空调或机械通风来排除车站公共区的余热余湿，为乘客创造一个舒适的乘车环境，并在发生火灾时通过机械排风方式进行排烟，使车站内形成负压区，新鲜空气由外界通过人行通道或楼梯口进入车站站厅、站台，便于乘客撤离和消防人员灭火。
在正常运行工况条件下，车站大系统有小新风空调、全新风空调、全新风通风等三种运行模式（由于篇幅有限，在此不作详细介绍）。站厅层空调采用上送上回形式，站台层采用上送上回与下回相结合的形式（在列车顶部设置轨顶回/排风管将列车空调冷凝器的散热直接由回风带走；同时在站台下设置站台下回/排风道，直接将列车下面的电器、刹车等发热和尘埃用回风带走）。
列车阻塞在区间隧道时，车站空调、通风系统按正常运行。当推力风机需运转时，车站按全新风空调通风运行。在运行推力风机端的站台回/排风机停止运行，使车站的冷风经推力风机送至列车阻塞的隧道内。
车站站台（包括列车）发生火灾时，除车站的站台回/排风机运转向地面排烟外，其它车站大系统的设备均停止运行，使站台到站厅的上、下通道间形成一个不低于1.5m/s的向下气流，便于乘客迎着气流撤向站厅和地面；车站站厅发生火灾时，站厅回/排风机全部启动排烟，大系统的其它设备均停止运行，使得出、入口通道形成由地面至车站的向下气流，便于乘客迎着气流撤向地面。
4.3 车站小系统
车站小系统主要包括为车站的设备及管理用房服务的轴流风机、柜式、吊挂式空调机组及各种风阀，其作用是通过对各用房的温、湿度等环境条件的控制，为管理、工作人员提供一个舒适的工作环境，为各种设备提供正常运行的环境。在火灾发生时，通过机械排风方式进行排烟，有利于工作人员撤离和消防人员灭火。在气体灭火的用房内关闭送、排风管进行密闭灭火。
4.4 车站水系统
车站水系统的作用是为车站内空调系统制造冷源并将其供给车站大、小系统，同时将热量通过冷却水系统送出车站。
因公园前站规模较大，故该站在广州地铁一号线各站中唯一采用在车站两端分别设置制冷机房的形式，分别为两端的空调系统提供冷源。每端采用两台离心式冷水机组和一台活塞式冷水机组组合运行的模式，两台离心式冷水机组按大系统空调冷负荷选型，一台活塞式冷水机组按小系统空调冷负荷选型，活塞式冷水机组既可单独运行，也可并入大系统，与离心式冷水机组联合运行。
在正常运行工况的空调季节，根据车站冷负荷的大小来控制离心式及活塞式冷水机组启停的台数；非空调季节，水系统全部停止运行。当发生区间隧道堵塞事故时，水系统按当时正常的运行工况继续运行。当站厅层、站台层公共区或区间隧道发生火灾时，关闭作为大系统冷源的那部分水系统，只运行与小系统有关的部分；当小系统设备用房发生火灾时，水系统全部停止运行。
5、存在的几个问题
在地铁环控系统的调试、运行中，发现存在一些问题：
5.1 全新风机与空调新风机的设置
在设备联机调试时，出现全新风机不能与组合式空调机组同时正常串联运行的情况，或者是全新风机运行电流超出额定值，或者是组合式空调机组运行电流超出额定值。
经分析，全新风机与组合式空调机组的单台设计风量均大于110000m3/h，对应的风机机外余压均大于600Pa，这样的两台全新风机并联后，再与两台并联的组合式空调机组串联运行，因为通过前后串联的两台风机的流量相等而压头等于两台风机压头之和，所以提供给系统的压头将超过1000Pa，而系统送风管路的计算阻力仅为650Pa左右，势必造成数百帕的剩余压头，从而使风机电流过大，电机过载保护而停机。而且一般说来，象这种两台并联的设备与另两台并联的设备串联运行要比单机运行的效果为差，运行工况复杂，调节困难。在调试过程中还发现，如果关闭全新风机，仅开启组合式空调机组，则完全能利用组合式空调机组内风机的压头来克服新风道的阻力，使空调机组及整个空调系统都能正常运行。另外空调新风机虽然能与组合式空调机组同时正常串联运行，但在调试时发现，如果关闭空调新风机，而通过调节回/排风阀与新风阀的开度，也能达到设计要求。
建议取消全新风机及空调新风机，而在选择组合式空调机组时，考虑新风道的阻力，这样既能满足空调通风系统运行模式的要求，又能节省环控机房的面积，使系统模式的转换简单，节约能源、减少投资。
5.2 回/排风机与排烟风机的设置
在车站站厅层两端，各设置两台相同性能的风机分别作为站厅回/排风机，平时运行其中一台风机排风；发生火灾时，开启两台风机并联运行排烟。
但公园前车站的实际情况是，站厅层平时排风量为16.7m3/s，火灾时排烟量为25m3/s。而站厅回/排风机又是主要根据站厅层平时的回/排风量来选择的，并校核两台风机并联运行能否达到排烟量的要求，由于两台风机并联运行时提供给系统的总风量，小于两台风机单独运行时提供的风量之和，并与空调系统的管路特性曲线有很大的关系：如果管路特性曲线平缓，则并联后风量增加明显；反之，则风量增加较少。这样，选择既能运行一台风机满足平时排风量的要求、又能在火灾时并联运行两台风机满足排烟量要求的风机是比较困难的,实际情况是，选择的站厅回/排风机虽然能满足平时排风的要求，但在火灾时并联运行提供给系统风量却大大超出所需的排烟量，造成浪费。既使能为系统匹配满足要求的风机，也会给系统的运行操作及模式控制提出更高的要求。同时，两台风机并联运行是否经济合理，也是值得考虑的问题。常常出现这样的情况，并联运行时其中一台风机处于最高效率区运行，另一台风机则不能同时处于最高效率区运行，不利于节能。
建议采用分别设置两台不同的风机，一台作为排风用，另一台排烟用；或者设置一台双速风机，低速工况满足平时排风量及风压的要求、高速工况满足火灾时排烟量及风压的要求；或者设置一台变频调速风机，既能满足平时排风、火灾排烟的要求，还能满足将整个地铁空调系统改为变风量系统，根据空调负荷的变化灵活运行，达到节约能源的要求。
5.3 冷水机组的选型
车站每端分别设置两台离心式冷水机组和一台活塞式冷水机组，两台离心式冷水机组满足大系统空调冷负荷，一台活塞式冷水机组满足小系统空调冷负荷。
公园前站两端设备管理用房的冷负荷分别为120kW、485kW。因活塞式冷水机组单机制冷量为52～1060kW，负荷较小端采用活塞式冷水机组较为合理；但另一端笔者认为小系统选用螺杆式冷水机组更合理，因为螺杆式冷水机组单机制冷量为352～3870kW，而且与活塞式相比，还具有结构简单、紧凑、重量轻，易损件少，可靠性高，维修周期长；采用滑阀装置，制冷量可在10～100%范围内进行无级调节，并可在无负荷条件下启动；热效率高；运转平稳等优点。而采用活塞机比采用螺杆机的耗电率约大10%左右，同时活塞机的噪声也比螺杆机大。因此建议小系统负荷较大端配置螺杆式冷水机组，但由此又会引起整个系统的制冷机种类过多（分别有离心式、活塞式及螺杆式等三种冷水机组），给系统的操作、控制及备件的储备带来困难。这样须经经济技术比较、综合各方面情况考虑后，再确定冷水机组的型式。
6、结束语
地铁车站的环境控制系统的设计是一个复杂的系统工程，涉及的方面还有很多，同时随着我国地下铁道建设的不断进步，有关环控系统的理论模式和计算方式也不断成熟。本文仅对广州地铁一号线公园前车站的环控系统设计作一简单的介绍，并对存在的问题提出一些看法，其目的只在于抛砖引玉，希望大家对此进行深入地研究、讨论，共同促进我国地铁建设。
