地铁的环控工程

1、地铁车站集成环控系统Http:/2007-5-8 15:15:04中国自动化学会专家咨询工作委员会供稿 1概述 地铁的特点是人员密集、流动性大，一旦出现事故外部施救处理非常困难，必须依靠自身系统的可靠运作才能确保安全。因此对地铁车站通风空调及防排烟系统（简称环控系统）的要求要高于一般的民用系统。环控系统须满足两个方面的要求，一是日常运营给乘客和设备提供舒适及适宜的环境；二是事故及灾害情况下进行通风、排烟、排毒、排热，起到生命保障及辅助灭火的作用；环控系统应确保上述两个方面的整体安全，不宜片面强调某一方面；但环控系统不是灭火系统。 地铁车站环控系统看似容易，但实际实施起

2、来确并不容易，到目前为止一些实际投运的环控系统，不是达不到功能要求，就是“超出要求”，设计极为复杂，设备多投资大，操作复杂繁琐。有的地铁运营已经一两年，其控制系统还投不上去或不能很好的发挥作用。本文针对环控系统在实施过程中常见的问题，阐明自己的观点，提出解决问题的办法。并提出地铁集成环控系统新概念，给出集成环控系统的原理。 2环控系统的功能定义 首先要将环控系统的功能进行准确定义，并将功能划分清楚。环控系统的主要功能如下： 1)新风：新风为车站抽取的外界自然空气。 2)送风：送风分为送全新风、混风（新风+回风）、全回风三种情况；送风经过制冷、除湿、过滤及消音，然后送到站厅、站台及各设备房。也可

3、不经过制冷和除湿直接送风。 3)回排风：回排风可分为全回风、全排风及有回有排三种情况；排风又分为固定排风和间歇排风；回排风为来自站厅、站台及设备房的回风；当回排风温度低于外界大气温度时可起到节能作用。紧急情况下可将车站的烟气、毒气等排掉。 4)固定排风：固定排风是将车站的设备房、卫生间、卫生器具间、储物间、生活污水间、列车冷却及隧道内的废气（废气、热气、湿气、烟气、毒气）全部排掉不回风。 5)间歇排风：列车停站时间短，而间隔时间长，尤其是开通的前几年，客流上不去，行车间隔时间更长。为了降低能耗，列车冷却排风宜采用间歇排风方式。列车停站时开始排风，将列车产生的废气和热量排走，没有必要再循环冷却使

4、用，列车出站时停止排风，从而达到节能的目的。隧道排风也属于间歇排风方式。 6)自然换风：车站自然换风是通过车站进出口通道和通风井的敞开，利用列车运动时产生的隧道活塞风进行自然换气、自然冷却。 7)隧道通风：分为送风、排风、自然换气等。送风为送新风；排风为排除隧道内废气、热气、湿气、烟气、毒气等。利用列车运行时产生的隧道活塞风自然换气。 8)当某一地铁车站发生火灾时，如果此时恰有列车进站和出站，而车站又没有屏蔽门的话，列车会通过活塞风将烟雾带到其它相临车站，造成相临车站火灾自动报警系统报警，并引发相临车站防排烟系统开启。这说明地铁全线一处火灾的设计原则需要深化和细化。建议改为：地铁火灾设计的原则

5、按全线一处火灾考虑，如果地铁各车站防排烟系统的硬件设施是按相互独立的方式设计，硬件设施自然具备适应多个车站同时发生火灾的处理能力，在不增加防排烟系统投资的情况下，其控制系统软件也应具备适应多个车站同时发生火灾的处理能力；当某一地铁车站发生火灾时，发生火灾的车站除应具有独立自救和防排烟的能力外，相临车站的防排烟系统应具有协助火灾发生车站防排烟的能力，同时保留转为独立自救的能力。 9)地铁发生火灾的可能形态有： （1）站厅公共区火灾， （2）站台公共区火灾， （3）站厅两端设备房区火灾， （4）站台两端设备房区火灾， （5）列车火灾， （6）车站外部区域火灾（与地铁车站连通的商业街和上盖物业）。上

6、述火灾发生的可能形态中，列车火灾如果是发生在隧道内，则由隧道通风系统负责防排烟处理；列车火灾如果是发生在车站站台公共区，则由车站环控系统和隧道通风系统共同负责防排烟处理；其它形态的火灾都由车站的环控系统负责防排烟处理；当车站环控系统排烟气能力不足时，隧道通风系统也可以协助排烟。当地铁车站外部区域发生火灾时，车站环控系统应采取正压送风方式，防止外部烟气串入地铁。 以上是地铁车站通风空调及防排烟系统中风系统的功能要求，水系统的功能要求不同于风系统，在此就不做论述，隧道通风系统也不做详细论述。 3环控系统的流程划分 地铁车站环控系统一般分为：环控大系统和环控小系统及隧道通风系统，并按A、B两端分别独

7、立设置。环控大系统用于站厅和站台公共区通风、空调及防排烟，A、B两端环控大系统工艺流程是一样的；环控小系统用于设备区设备房通风、空调及防排烟，A、B两端环控小系统工艺流程有较为明显的区别，但基本原理是一样的；隧道通风系统用于隧道和站台的通风、降温及防排烟。因A、B两端环控大系统工艺流程是一样的，A、B两端环控小系统基本原理是一样的，因此本文只按一端的环控系统进行论述。如图12所示 地铁车站环控大系统图（一端）图1地铁车站环控小系统图（一端）图2 4设计时应综合考虑的问题 1)一个好的环控系统不仅要从设计和工程两个方面考虑完善，而且还要从运营管理方面考虑完善。运营管理要考虑便于维修、方便操作、利

8、于节能运作，系统设计时就要为节能运作考虑。地铁车站环控系统总的设计原则是：一是日常运营给乘客和设备提供舒适及适宜的环境；二是事故及灾害情况下进行通风、排烟、排毒、排热，起到生命保障及辅助灭火的作用；三是提高系统的实用性、可控性及可靠性；四是减少环控系统的数量，降低系统复杂程度，减少环控系统控制模式，从而减少火灾等紧急情况下的反应时间，确保乘客的安全；五是降低人员操作难度和培训难度，提高系统设备的可维护性，降低运营管理成本；六是系统设计、设备选型和实际安装结果应达到设计的总体要求，并具有对是否达到设计的总体要求进行考核的能力及系统必须的基本参数调试检测能力。 2)地铁环控系统中各种设备的作用及功

9、能都是由人赋予并定义的，有很多设备的功能被人为限制住，往往功能发挥不出来，只好通过增加设备来实现功能。如隧道风机在正常情况下是用于隧道的送排风，在突发事件情况下可以当作站台的排风机，这样就可以使各系统设备的数量和容量减少或减小，充分发挥各系统设备的作用。同时也可以使各系统设备的数量和容量按正常时设计，一旦发生突发事件，可以转变其它系统的功能，使其在突发事件中发挥作用，增大系统所需的容量。地铁环控系统应进行系统优化设计，通过功能的协调与兼顾，对每个设备的功能进行扩展和限定，找出最优的方案，在不增加大型设备的情况下，通过增加少量风阀，赋予风机新的功能，从而降低风机改变工况时的启停次数；通过减少系统

10、来减少设备，以达到降低投资，简化运营操作，方便运营管理的目的。 3)用于突发事件的设备，最好能“平战”结合，这样可以通过日常的使用，检查设备的完好情况，能及时发现问题，便于及时修复；一旦发生突发事件，能确保设备投入使用。最好是采用主备机的形式，平常可以是一主一备交替运行，一旦发生突发事件，主备两台都投入使用，增强适应事件的能力。平常使用一台发生故障另一台投入运行，确保设备在日常使用中，不影响运行和检修（一台运行一台检修或备用），并确保在突发事件中至少能有一台设备投入使用，提高系统的可靠性。设计时应给出维修的空间和场地，否则一旦设备出现故障，将无法维修或给维修造成相当大的困难。 4)地铁系统因线

11、路长站点多，在工程实施过程中涉及的设计和施工单位多，给设计管理和施工管理带来困难，因此迫切需要统一管理。相同的环控工艺系统流程和原理在不同车站的控制模式和内容应统一，全线各站的设计表达方式应统一，模式及模式的名称、编号应统一；避免给系统调试、操作、人员培训及维护管理带来困难。 5)设计上应示出环控系统在各种运行模式下的设备启动、关停的先后顺序；提供环控系统工况参数及工况转换时的参数，以便能实现各种工况下的参数平衡和控制；减少系统实际调试匹配平衡带来的困难；给仪器仪表选型和调节阀计算提供依据。设计应考虑增设一些必要的参数检测和控制，以方便环控工艺系统调试和参数匹配平衡，并对系统是否达到设计要求进

12、行考核。通过增设的参数检测和控制，实现参数安全联锁和状态安全联锁，从而提高系统的安全性和保护能力，通过参数检测和控制加强对系统运行的诊断来确保设备运行安全，方便维护检修人员诊断故障。 6)设计时地面新风口与排风口应拉开距离，排风口与乘客进出口通道口也应拉开距离，相距太近，排出去的风又被抽回来，使得站内空气难以改善，只能依赖列车的活塞风进行换气。当车站内发生火灾时，排出去的烟会被抽回来，使火灾报警范围迅速扩大，难以判断火灾范围。设计时应尽量减少排风道的长度，可以避免火灾排烟时，因为排烟的正压使得封堵不严的地方到处冒烟，使火灾报警范围迅速扩大，难以判断火灾范围；BAS系统难以判断救灾的模式，并会影

13、响救灾人员的呼吸和视线，给救灾带来困难。在地面新风口与排风口无法拉开间距的情况下，可采用喷射排风的方式来改善上述情况。风道设计应顺畅，减少急转弯，尽可能多的减少阻损。 7)设计时应考虑改善环控小通风系统的情况。环控小通风系统每天24小时一年到头天天运行没有备用，且安装在高处，一旦发生故障维修时间较长，对各设备房内重要设备的运行影响极大。如果采用主备机的形式上两套环控设备，整个系统设备会显得更多更复杂。因此必须考虑用其它办法解决。另外设计时应考虑改善环控小系统的送风过滤除尘装置，提高实际使用的效果，减少各设备房的灰尘，减少清洁工作量；减少清洁过滤袋的阻力，使风量变大。 8)单个阀门用于多种工况，

14、最好选择能连续控制的调节阀。调节阀一定要计算流通能力并选择合适的特性曲线，通过模拟量实现连续控制风量，从而提高系统参数的可控性。对动作频繁的调节阀，应选用工业型阀门和执行器。调节阀应由搞控制的专业负责选型，由环控工艺专业负责安装设计；调节阀应采用模拟量控制，并选择合适的被调参数。当电源的可靠性较高时，可以考虑用调节阀取代防火阀，就象气体灭火系统的防火阀一样，这样可以减少管道上阀门的数量。 9)防火阀的选择非常重要，弄的不好会影响系统的安全和功能的发挥。防火阀的分区设置、选型、功能定义及与整个系统的关系应定义清楚。常用的防火阀有：自动控制反馈型（监控型）、温控反馈（只监不控型型）、温控型（不监不

15、控型）等几种。自动控制反馈型用于风机联动风阀、调节阀、BTM1301和CO2气体灭火系统；温控反馈型用于需与风机联锁的主风道上；温控型用于对风机运行影响不大的支管上。防火阀功能定位不清晰，不仅会影响到环控系统自身功能的发挥，也会影响BAS系统和FAS系统的设计、施工安装及软件编程。防火阀由FAS系统进行监控，当主风管防火阀关闭时，BAS系统得不到信息，会影响风机的安全运行。因此BAS系统和FAS系统应考虑联锁，或者由BAS系统直接监控。 10)环控系统因为设备多，已经使操作复杂。因此设计时既要考虑简化环控系统，还要考虑简化环控系统操作的等级数量。一般工业企业的一些重要设备操作也只需“三级”。因

16、此地铁车站环控系统的操作，拟为三级，最多不要超过“四级”，即“中央级操作站、车站级操作站、车站级模拟屏、车站环控电控室就地电控柜”，使得设计简化，降低施工难度和投资，方便运营维护和操作使用。 11)设计时应考虑简化环控系统模式。日常运营模式多一些问题还不大，但对用于消防的防排烟模式，因发生火灾时烟气蔓延的速度特别快，会在短时间内影响到车站的所有空间（设备房和站厅站台），这就导致大小环控系统都必须开启排烟，其后果会造成控制系统模式判断选择混乱。这就要求大小环控系统都必须具备在短时间内快速响应开启的能力，具备多个模式并列运行的能力；系统的模式必须简化不能太多，而且还不能相互矛盾。 12)火灾发生时

17、排烟和送风必须结合起来才能达到排烟的目的，否则没有送风，烟排不出去。送风的途径可以是出入口通道，也可以是送风系统。当采用出入口通道补充新风时，出入口通道的门必须符合紧急情况下的送风要求，必须纳入BAS系统或FAS系统的监控范围。 13)设计时应考虑环控系统节能运行的情况。地铁实际运营，每天电费消耗占去运营收入的40%左右（香港地铁每天电费消耗只占去运营收入的10%左右），其中每天电费消耗中的50%以上是环控系统消耗的，环控系统排风温度比大气温度低36度，能耗相当惊人；活塞风损失的能耗也相当可观，活塞风按目前行车密度约占空调系统总换风量的40%以上左右。地铁环控系统受列车活塞风的影响波动大，能耗

18、大，因此采用屏蔽门是必然方向，同时也可防止乘客掉到站台路轨下，提高乘客的安全。部分能耗大，运行时间长，且运行负荷不满能力有富余的设备，需要借助其它辅助设备排减和调节的，应考虑上变频装置。串联风机的能耗较大且参数很难匹配、调整和控制，因此不推荐采用串联风机的设计方式。 14)提高各设备的满负荷运转率，降低机械消耗，提高运转效率。尽可能使每台设备都运行在接近满负荷的工况下，发挥出最大的效力。利用每台设备都有一定的参数适应范围和控制范围，利用各种设备间的偶合，逐级缓慢增加设备，使系统从多级运作向整个系统的从有级向无级的过渡运作，实现系统从有级趋向到参数的无级高效节能控制。通过增加级数，缩小每一级的级

19、差，增强适应能力，并达到节能的目的。 15)与控制系统相结合，与控制系统相适应。从自动控制的角度看要达到控制环境温度的目的，可以通过以下几个量的组合改变控制： （1）固定水温、水量，改变风量； （2）固定水量、风量，变水温； （3）固定水温、风量、变水量； （4）固定水温，改变风量、改变水量。 上述三个量实际上都可以变，可以择优选择，但在控制上较为复杂；从实际可控制和可操作的角度应采用（3），从节能的角度来看，应采用（4）方式为好。（4）方式通过客流量（AFC系统预测值作为设定值）的大小来改变风量，实现变风量控制，根据环境温度的变化改变水量，这样可以明显的起到节能作用。 5集成环控工艺系统 新

20、型环控工艺系统图（一端）图3根据上述环控系统的功能定义和其它要求，可以设计出如图3所示的新型环控系统。该系统将大小环控通风系统集成合并，组成集成环控系统；该系统可以克服以往系统的不足，减少了系统和设备，减少了设备和土建的投资，降低系统的复杂程度、降低了设备操作的复杂程度，提高了系统设备的利用率、功能、可靠性及可控性，便于系统参数的调节，可适应地下环境的各种工况。 1)集成环控系统将大、小环控系统合并，其送风室、混风室、排风室均适宜采用定风压变风量的过程控制方式，以适应不同用户的送排风要求。可以实现公共区和设备房同时送冷风或直接送风；还可以实现设备房送冷风，公共区直接送风的工况。也可以象以往一样

21、大小系统分别运作。 2)集成环控系统共有4台排风机和4台送风机。4台排风机可以有多种组合方式：（1）3台大风机和1台小风机组合，（2）2台大风机和2台小风机组合，（3）2台大风机、1台变频大风机和1台小风机组合，还有其它组合方式；大风机用于白天运营时段的公共区和设备区通风空调，小风机用于夜晚非运营时段的设备区通风空调，变频大风机适应能力较强，可作为大、小风机的补充和备用；上述三个方案中，方案（3）适应能力较强，且较为经济。采用多台排风机，可以一用多备或同时使用，互为备用的能力更强，可靠性更高，特别是小系统实现了风机冗余配置。4台送风机的组合方式与4台排风机组合方式一样，在此不详细论述；四台送风

22、机互为备用的能力更强，可靠性更高（若想降低投资，还可以减少1台排风机和1台送风机）。 3)集成环控系统将送风机和过滤装置从组合风柜中独立出来，可以实现送风机和过滤装置与组合风柜的灵活对应，组合风柜可以并联使用，可以降低风道的阻力，提高组合风柜换热器的效率。易于实现固定水温，改变风量、改变水量的双变量的调节控制，使每个参数的可调范围增大。 4)因发生火灾时烟气自身蔓延的速度就很快，如果环控系统从正常运行转为排烟运行的动作慢了，烟气会在回排风的作用下，以更加快的速度扩散，使烟气在短时间内影响到车站的所有空间（设备房和站厅站台），这就要求系统必须在短时间内快速响应，具备在短时间内快速转换工况和开启设

23、备的能力，风机和风阀总的响应时间应控制在1015秒钟之内，紧急情况下风机和风阀应可以同时开启。当集成环控系统设备由正常运行动态转换到紧急排烟模式时（只要送风机一停电，即可防止通过回排风管串烟），为了防止回排风管串烟，实现排烟与送风同时进行的功能，回排风阀可选用快速执行器，火灾时可以使回风阀快速关闭，正在运行的排风机可以迅速排烟，送风机只送新风。为了提高系统的快速反应能力，送风机和排风机的联动风阀也应采用快速执行器，这样可以使风机启动的时间缩短3040倍，可进一步减少烟气影响的范围。集成环控系统正常运行模式和排烟运行模式的主体变化并不大，其模式变化主要在支管上，因此模式得到简化，而且不会相互矛盾

24、。 5)集成环控系统的两个混风室和送风室通过连通阀门联系起来或隔断，便于维护检修和节能运作。采用两套过滤装置，互为备用的能力更强，可靠性更高；将两套过滤装置从组合风柜中独立出来，可以增大过滤装置面积；两个混风室通过中间连通阀的连通，两套过滤装置可同时使用，进一步增大了过滤的面积，降低了风道的阻力。所有送风都经过过滤，解决了所有设备房和房间的空气过滤问题；还可以实现反吹风功能，除去过滤装置中的灰尘。两套过滤装置可根据实际情况决定是放在风机入口的混风室，还是放在风机出口的送风室；放在风机入口的混风室，可以解决较多通风设备自身的清洁问题；放在送风室可以降低送风的噪音，使混风室的负压不至太低。 6)集成环控系统从原理上决定了风机和阀门的安装基本上都是在地面和靠近地面的墙上，便于安装和维修，还可以降低设备的震动和噪音。集成环控系统便于立体构成和紧凑安装，可以减少管路的长度，降低管路的阻力损失，降低系统的投资和造价。风机若采用垂直安装，即可方便维修，也可进一步减少占地面积。 7)集成环控系统减少了系统和设备数量。动力设备风机数量由原来系统的平均单边21台（环控小系统图2中还有部分风机没表示出来），减少到8台，减少了13台，相当于原来大系统的设备数量；风阀设备数量由原来系统的平均单边24个，增加到31(33)个，增加了7(9)个。相比之下增加风阀比增加风机合算，风阀的单价远远低于风机的单价。风