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1 概述

    地鐵的特點是人員密集、流動性大，一旦出現事故外部施救處理非常困難，必須依靠自身系統的可靠運作才能確保安全。因此對地鐵車站通風空調及防排煙系統（簡稱環控系統）的要求要高于一般的民用系統。環控系統須滿足兩個方面的要求，一是日常運營給乘客和設備提供舒適及適宜的環境；二是事故及災害情況下進行通風、排煙、排毒、排熱，起到生命保障及輔助滅火的作用；環控系統應確保上述兩個方面的整體安全，不宜片面強調某一方面；但環控系統不是滅火系統。

    地鐵車站環控系統看似容易，但實際實施起來確并不容易，到目前為止一些實際投運的環控系統，不是達不到功能要求，就是“超出要求”，設計極為復雜，設備多投資大，操作復雜繁瑣。有的地鐵運營已經一兩年，其控制系統還投不上去或不能很好的發揮作用。本文針對環控系統在實施過程中常見的問題，闡明自己的觀點，提出解決問題的辦法。并提出地鐵集成環控系統新概念，給出集成環控系統的原理。

2 環控系統的功能定義

    首先要將環控系統的功能進行準確定義，并將功能劃分清楚。環控系統的主要功能如下：

    1) 新風：新風為車站抽取的外界自然空氣。

    2) 送風：送風分為送全新風、混風（新風+回風）、全回風三種情況；送風經過制冷、除濕、過濾及消音，然后送到站廳、站臺及各設備房。也可不經過制冷和除濕直接送風。

    3) 回排風：回排風可分為全回風、全排風及有回有排三種情況；排風又分為固定排風和間歇排風；回排風為來自站廳、站臺及設備房的回風；當回排風溫度低于外界大氣溫度時可起到節能作用。緊急情況下可將車站的煙氣、毒氣等排掉。

    4) 固定排風：固定排風是將車站的設備房、衛生間、衛生器具間、儲物間、生活污水間、列車冷卻及隧道內的廢氣（廢氣、熱氣、濕氣、煙氣、毒氣）全部排掉不回風。

    5) 間歇排風：列車停站時間短，而間隔時間長，尤其是開通的前幾年，客流上不去，行車間隔時間更長。為了降低能耗，列車冷卻排風宜采用間歇排風方式。列車停站時開始排風，將列車產生的廢氣和熱量排走，沒有必要再循環冷卻使用，列車出站時停止排風，從而達到節能的目的。隧道排風也屬于間歇排風方式。

    6) 自然換風：車站自然換風是通過車站進出口通道和通風井的敞開，利用列車運動時產生的隧道活塞風進行自然換氣、自然冷卻。

    7) 隧道通風：分為送風、排風、自然換氣等。送風為送新風；排風為排除隧道內廢氣、熱氣、濕氣、煙氣、毒氣等。利用列車運行時產生的隧道活塞風自然換氣。

    8) 當某一地鐵車站發生火災時，如果此時恰有列車進站和出站，而車站又沒有屏蔽門的話，列車會通過活塞風將煙霧帶到其它相臨車站，造成相臨車站火災自動報警系統報警，并引發相臨車站防排煙系統開啟。這說明地鐵全線一處火災的設計原則需要深化和細化。建議改為：地鐵火災設計的原則按全線一處火災考慮，如果地鐵各車站防排煙系統的硬件設施是按相互獨立的方式設計，硬件設施自然具備適應多個車站同時發生火災的處理能力，在不增加防排煙系統投資的情況下，其控制系統軟件也應具備適應多個車站同時發生火災的處理能力；當某一地鐵車站發生火災時，發生火災的車站除應具有獨立自救和防排煙的能力外，相臨車站的防排煙系統應具有協助火災發生車站防排煙的能力，同時保留轉為獨立自救的能力。

    9) 地鐵發生火災的可能形態有：

    （1）站廳公共區火災，

    （2）站臺公共區火災，

    （3）站廳兩端設備房區火災，

    （4）站臺兩端設備房區火災，

    （5）列車火災，

    （6）車站外部區域火災（與地鐵車站連通的商業街和上蓋物業）。上述火災發生的可能形態中，列車火災如果是發生在隧道內，則由隧道通風系統負責防排煙處理；列車火災如果是發生在車站站臺公共區，則由車站環控系統和隧道通風系統共同負責防排煙處理；其它形態的火災都由車站的環控系統負責防排煙處理；當車站環控系統排煙氣能力不足時，隧道通風系統也可以協助排煙。當地鐵車站外部區域發生火災時，車站環控系統應采取正壓送風方式，防止外部煙氣串入地鐵。

    以上是地鐵車站通風空調及防排煙系統中風系統的功能要求，水系統的功能要求不同于風系統，在此就不做論述，隧道通風系統也不做詳細論述。

3 環控系統的流程劃分

    地鐵車站環控系統一般分為：環控大系統和環控小系統及隧道通風系統，并按A、B兩端分別獨立設置。環控大系統用于站廳和站臺公共區通風、空調及防排煙，A、B兩端環控大系統工藝流程是一樣的；環控小系統用于設備區設備房通風、空調及防排煙，A、B兩端環控小系統工藝流程有較為明顯的區別，但基本原理是一樣的；隧道通風系統用于隧道和站臺的通風、降溫及防排煙。因A、B兩端環控大系統工藝流程是一樣的，A、B兩端環控小系統基本原理是一樣的，因此本文只按一端的環控系統進行論述。如圖[1][2]所示

4 設計時應綜合考慮的問題

    1) 一個好的環控系統不僅要從設計和工程兩個方面考慮完善，而且還要從運營管理方面考慮完善。運營管理要考慮便于維修、方便操作、利于節能運作，系統設計時就要為節能運作考慮。地鐵車站環控系統總的設計原則是：一是日常運營給乘客和設備提供舒適及適宜的環境；二是事故及災害情況下進行通風、排煙、排毒、排熱，起到生命保障及輔助滅火的作用；三是提高系統的實用性、可控性及可靠性；四是減少環控系統的數量，降低系統復雜程度，減少環控系統控制模式，從而減少火災等緊急情況下的反應時間，確保乘客的安全；五是降低人員操作難度和培訓難度，提高系統設備的可維護性，降低運營管理成本；六是系統設計、設備選型和實際安裝結果應達到設計的總體要求，并具有對是否達到設計的總體要求進行考核的能力及系統必須的基本參數調試檢測能力。

    2) 地鐵環控系統中各種設備的作用及功能都是由人賦予并定義的，有很多設備的功能被人為限制住，往往功能發揮不出來，只好通過增加設備來實現功能。如隧道風機在正常情況下是用于隧道的送排風，在突發事件情況下可以當作站臺的排風機，這樣就可以使各系統設備的數量和容量減少或減小，充分發揮各系統設備的作用。同時也可以使各系統設備的數量和容量按正常時設計，一旦發生突發事件，可以轉變其它系統的功能，使其在突發事件中發揮作用，增大系統所需的容量。地鐵環控系統應進行系統優化設計，通過功能的協調與兼顧，對每個設備的功能進行擴展和限定，找出最優的方案，在不增加大型設備的情況下，通過增加少量風閥，賦予風機新的功能，從而降低風機改變工況時的啟停次數；通過減少系統來減少設備，以達到降低投資，簡化運營操作，方便運營管理的目的。

    3) 用于突發事件的設備，最好能“平戰”結合，這樣可以通過日常的使用，檢查設備的完好情況，能及時發現問題，便于及時修復；一旦發生突發事件，能確保設備投入使用。最好是采用主備機的形式，平常可以是一主一備交替運行，一旦發生突發事件，主備兩臺都投入使用，增強適應事件的能力。平常使用一臺發生故障另一臺投入運行，確保設備在日常使用中，不影響運行和檢修（一臺運行一臺檢修或備用），并確保在突發事件中至少能有一臺設備投入使用，提高系統的可靠性。設計時應給出維修的空間和場地，否則一旦設備出現故障，將無法維修或給維修造成相當大的困難。
4) 地鐵系統因線路長站點多，在工程實施過程中涉及的設計和施工單位多，給設計管理和施工管理帶來困難，因此迫切需要統一管理。相同的環控工藝系統流程和原理在不同車站的控制模式和內容應統一，全線各站的設計表達方式應統一，模式及模式的名稱、編號應統一；避免給系統調試、操作、人員培訓及維護管理帶來困難。

    5) 設計上應示出環控系統在各種運行模式下的設備啟動、關停的先后順序；提供環控系統工況參數及工況轉換時的參數，以便能實現各種工況下的參數平衡和控制；減少系統實際調試匹配平衡帶來的困難；給儀器儀表選型和調節閥計算提供依據。設計應考慮增設一些必要的參數檢測和控制，以方便環控工藝系統調試和參數匹配平衡，并對系統是否達到設計要求進行考核。通過增設的參數檢測和控制，實現參數安全聯鎖和狀態安全聯鎖，從而提高系統的安全性和保護能力，通過參數檢測和控制加強對系統運行的診斷來確保設備運行安全，方便維護檢修人員診斷故障。

    6) 設計時地面新風口與排風口應拉開距離，排風口與乘客進出口通道口也應拉開距離，相距太近，排出去的風又被抽回來，使得站內空氣難以改善，只能依賴列車的活塞風進行換氣。當車站內發生火災時，排出去的煙會被抽回來，使火災報警范圍迅速擴大，難以判斷火災范圍。設計時應盡量減少排風道的長度，可以避免火災排煙時，因為排煙的正壓使得封堵不嚴的地方到處冒煙，使火災報警范圍迅速擴大，難以判斷火災范圍；BAS系統難以判斷救災的模式，并會影響救災人員的呼吸和視線，給救災帶來困難。在地面新風口與排風口無法拉開間距的情況下，可采用噴射排風的方式來改善上述情況。風道設計應順暢，減少急轉彎，盡可能多的減少阻損。

    7) 設計時應考慮改善環控小通風系統的情況。環控小通風系統每天24小時一年到頭天天運行沒有備用，且安裝在高處，一旦發生故障維修時間較長，對各設備房內重要設備的運行影響極大。如果采用主備機的形式上兩套環控設備，整個系統設備會顯得更多更復雜。因此必須考慮用其它辦法解決。另外設計時應考慮改善環控小系統的送風過濾除塵裝置，提高實際使用的效果，減少各設備房的灰塵，減少清潔工作量；減少清潔過濾袋的阻力，使風量變大。

    8) 單個閥門用于多種工況，最好選擇能連續控制的調節閥。調節閥一定要計算流通能力并選擇合適的特性曲線，通過模擬量實現連續控制風量，從而提高系統參數的可控性。對動作頻繁的調節閥，應選用工業型閥門和執行器。調節閥應由搞控制的專業負責選型，由環控工藝專業負責安裝設計；調節閥應采用模擬量控制，并選擇合適的被調參數。當電源的可靠性較高時，可以考慮用調節閥取代防火閥，就象氣體滅火系統的防火閥一樣，這樣可以減少管道上閥門的數量。

    9) 防火閥的選擇非常重要，弄的不好會影響系統的安全和功能的發揮。防火閥的分區設置、選型、功能定義及與整個系統的關系應定義清楚。常用的防火閥有：自動控制反饋型（監控型）、溫控反饋（只監不控型型）、溫控型（不監不控型）等幾種。自動控制反饋型用于風機聯動風閥、調節閥、BTM1301和CO2氣體滅火系統；溫控反饋型用于需與風機聯鎖的主風道上；溫控型用于對風機運行影響不大的支管上。防火閥功能定位不清晰，不僅會影響到環控系統自身功能的發揮，也會影響BAS系統和FAS系統的設計、施工安裝及軟件編程。防火閥由FAS系統進行監控，當主風管防火閥關閉時，BAS系統得不到信息，會影響風機的安全運行。因此BAS系統和FAS系統應考慮聯鎖，或者由BAS系統直接監控。

    10) 環控系統因為設備多，已經使操作復雜。因此設計時既要考慮簡化環控系統，還要考慮簡化環控系統操作的等級數量。一般工業企業的一些重要設備操作也只需“三級”。因此地鐵車站環控系統的操作，擬為三級，最多不要超過“四級”，即“中央級操作站、車站級操作站、車站級模擬屏、車站環控電控室就地電控柜”，使得設計簡化，降低施工難度和投資，方便運營維護和操作使用。

    11) 設計時應考慮簡化環控系統模式。日常運營模式多一些問題還不大，但對用于消防的防排煙模式，因發生火災時煙氣蔓延的速度特別快，會在短時間內影響到車站的所有空間（設備房和站廳站臺），這就導致大小環控系統都必須開啟排煙，其后果會造成控制系統模式判斷選擇混亂。這就要求大小環控系統都必須具備在短時間內快速響應開啟的能力，具備多個模式并列運行的能力；系統的模式必須簡化不能太多，而且還不能相互矛盾。

    12) 火災發生時排煙和送風必須結合起來才能達到排煙的目的，否則沒有送風，煙排不出去。送風的途徑可以是出入口通道，也可以是送風系統。當采用出入口通道補充新風時，出入口通道的門必須符合緊急情況下的送風要求，必須納入BAS系統或FAS系統的監控范圍。

    13) 設計時應考慮環控系統節能運行的情況。地鐵實際運營，每天電費消耗占去運營收入的40%左右（香港地鐵每天電費消耗只占去運營收入的10%左右），其中每天電費消耗中的50%以上是環控系統消耗的，環控系統排風溫度比大氣溫度低3~6度，能耗相當驚人；活塞風損失的能耗也相當可觀，活塞風按目前行車密度約占空調系統總換風量的40%以上左右。地鐵環控系統受列車活塞風的影響波動大，能耗大，因此采用屏蔽門是必然方向，同時也可防止乘客掉到站臺路軌下，提高乘客的安全。部分能耗大，運行時間長，且運行負荷不滿能力有富余的設備，需要借助其它輔助設備排減和調節的，應考慮上變頻裝置。串聯風機的能耗較大且參數很難匹配、調整和控制，因此不推薦采用串聯風機的設計方式。

    14) 提高各設備的滿負荷運轉率，降低機械消耗，提高運轉效率。盡可能使每臺設備都運行在接近滿負荷的工況下，發揮出最大的效力。利用每臺設備都有一定的參數適應范圍和控制范圍，利用各種設備間的偶合，逐級緩慢增加設備，使系統從多級運作向整個系統的從有級向無級的過渡運作，實現系統從有級趨向到參數的無級高效節能控制。通過增加級數，縮小每一級的級差，增強適應能力，并達到節能的目的。

    15) 與控制系統相結合，與控制系統相適應。從自動控制的角度看要達到控制環境溫度的目的，可以通過以下幾個量的組合改變控制：

    （1）固定水溫、水量，改變風量；
    （2）固定水量、風量，變水溫；
    （3）固定水溫、風量、變水量；
    （4）固定水溫，改變風量、改變水量。

    上述三個量實際上都可以變，可以擇優選擇，但在控制上較為復雜；從實際可控制和可操作的角度應采用（3），從節能的角度來看，應采用（4）方式為好。（4）方式通過客流量（AFC系統預測值作為設定值）的大小來改變風量，實現變風量控制，根據環境溫度的變化改變水量，這樣可以明顯的起到節能作用。

5 集成環控工藝系統

    根據上述環控系統的功能定義和其它要求，可以設計出如圖[3]所示的新型環控系統。該系統將大小環控通風系統集成合并，組成集成環控系統；該系統可以克服以往系統的不足，減少了系統和設備，減少了設備和土建的投資，降低系統的復雜程度、降低了設備操作的復雜程度，提高了系統設備的利用率、功能、可靠性及可控性，便于系統參數的調節，可適應地下環境的各種工況。

    1) 集成環控系統將大、小環控系統合并，其送風室、混風室、排風室均適宜采用定風壓變風量的過程控制方式，以適應不同用戶的送排風要求。可以實現公共區和設備房同時送冷風或直接送風；還可以實現設備房送冷風，公共區直接送風的工況。也可以象以往一樣大小系統分別運作。

    2) 集成環控系統共有4臺排風機和4臺送風機。4臺排風機可以有多種組合方式：（1）3臺大風機和1臺小風機組合，（2）2臺大風機和2臺小風機組合，（3）2臺大風機、1臺變頻大風機和1臺小風機組合，還有其它組合方式；大風機用于白天運營時段的公共區和設備區通風空調，小風機用于夜晚非運營時段的設備區通風空調，變頻大風機適應能力較強，可作為大、小風機的補充和備用；上述三個方案中，方案（3）適應能力較強，且較為經濟。采用多臺排風機，可以一用多備或同時使用，互為備用的能力更強，可靠性更高，特別是小系統實現了風機冗余配置。4臺送風機的組合方式與4臺排風機組合方式一樣，在此不詳細論述；四臺送風機互為備用的能力更強，可靠性更高（若想降低投資，還可以減少1臺排風機和1臺送風機）。

    3) 集成環控系統將送風機和過濾裝置從組合風柜中獨立出來，可以實現送風機和過濾裝置與組合風柜的靈活對應，組合風柜可以并聯使用，可以降低風道的阻力，提高組合風柜換熱器的效率。易于實現固定水溫，改變風量、改變水量的雙變量的調節控制，使每個參數的可調范圍增大。

    4) 因發生火災時煙氣自身蔓延的速度就很快，如果環控系統從正常運行轉為排煙運行的動作慢了，煙氣會在回排風的作用下，以更加快的速度擴散，使煙氣在短時間內影響到車站的所有空間（設備房和站廳站臺），這就要求系統必須在短時間內快速響應，具備在短時間內快速轉換工況和開啟設備的能力，風機和風閥總的響應時間應控制在10~15秒鐘之內，緊急情況下風機和風閥應可以同時開啟。當集成環控系統設備由正常運行動態轉換到緊急排煙模式時（只要送風機一停電，即可防止通過回排風管串煙），為了防止回排風管串煙，實現排煙與送風同時進行的功能，回排風閥可選用快速執行器，火災時可以使回風閥快速關閉，正在運行的排風機可以迅速排煙，送風機只送新風。為了提高系統的快速反應能力，送風機和排風機的聯動風閥也應采用快速執行器，這樣可以使風機啟動的時間縮短30~40倍，可進一步減少煙氣影響的范圍。集成環控系統正常運行模式和排煙運行模式的主體變化并不大，其模式變化主要在支管上，因此模式得到簡化，而且不會相互矛盾。

    5) 集成環控系統的兩個混風室和送風室通過連通閥門聯系起來或隔斷，便于維護檢修和節能運作。采用兩套過濾裝置，互為備用的能力更強，可靠性更高；將兩套過濾裝置從組合風柜中獨立出來，可以增大過濾裝置面積；兩個混風室通過中間連通閥的連通，兩套過濾裝置可同時使用，進一步增大了過濾的面積，降低了風道的阻力。所有送風都經過過濾，解決了所有設備房和房間的空氣過濾問題；還可以實現反吹風功能，除去過濾裝置中的灰塵。兩套過濾裝置可根據實際情況決定是放在風機入口的混風室，還是放在風機出口的送風室；放在風機入口的混風室，可以解決較多通風設備自身的清潔問題；放在送風室可以降低送風的噪音，使混風室的負壓不至太低。

    6) 集成環控系統從原理上決定了風機和閥門的安裝基本上都是在地面和靠近地面的墻上，便于安裝和維修，還可以降低設備的震動和噪音。集成環控系統便于立體構成和緊湊安裝，可以減少管路的長度，降低管路的阻力損失，降低系統的投資和造價。風機若采用垂直安裝，即可方便維修，也可進一步減少占地面積。

    7) 集成環控系統減少了系統和設備數量。動力設備風機數量由原來系統的平均單邊21臺（環控小系統圖[2]中還有部分風機沒表示出來），減少到8臺，減少了13臺，相當于原來大系統的設備數量；風閥設備數量由原來系統的平均單邊24個，增加到31(33)個，增加了7(9)個。相比之下增加風閥比增加風機合算，風閥的單價遠遠低于風機的單價。風閥的數量將會隨著用戶數量的增加而增加，但風機的數量將不會增加。另外空調水系統及低壓配電系統也將大大簡化。由于環控系統及與環控系統相關的系統都得到了簡化，綜合起來，全線加起來將節約幾千萬的工程投資。另外空調水系統中的大系統和小系統的啟停可以實現平穩過渡和切換。
    
    8) 集成環控系統可以實現間歇排風的功能。采用固定排風后，對列車停站時的冷卻排風，可以用列車進站開固定排風支管上的風閥，列車出站后關固定排風支管上的風閥，從而實現間歇排風的方式。這樣即有利于節能，又有利于改善環境空氣品質。通過控制固定排風支管上風閥的開關實現間歇排風功能，無需改變排風機開關狀態，排風機只需改變風量。集成環控系統特別適用于有屏蔽門和沒有屏蔽門兩種情況，系統不變，只改變風路的支管。

    9) 集成環控系統可以實現夜晚停運后向車站公共區的少量送風，確保工作人員和設備的環境良好，降低環境溫度和濕度，提高設備的使用壽命，減少設備的故障。并可利用夜晚的電價低儲蓄冷量。當排風溫度低于大氣溫度時，可改為車站微正壓工作方式，回排風不向排風井排風，而是通過出入口通道向外排風，這樣可以實現車站微正壓控制，可以相對保持車站內溫度的均衡和穩定。送風、回風、排風及新風采用調節閥，具有動態調節控制能力，以達到設備房、站內外動態平衡控制。當環控系統排風溫度比大氣溫度低3~6度時，回排風只回不排，通過向機房或隧道送風，實現二次利用，然后通過固定排風，排向大氣。

    10) 集成環控工藝系統可以適應各種類型的車站，可以統一地鐵全線各站的工藝流程，方便設計、施工、維護及管理。

    11) 集成環控系統將大、小環控系統合并后，要適應的參數范圍擴大，工藝系統要求的功能增加，因此必須強化控制系統，與控制系統相結合，與控制系統相適應。

6 結束語

    目前地鐵環控系統盡管不太完善，但也取得了一定的效果，正逐步走向成熟。隨著人們對地鐵環控系統認識的不斷提高，存在的問題將會不斷的減少，地鐵車站通風空調及防排煙系統將會更加實用，更加可靠。