浅谈某地铁通风空调系统设计

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简介： 以某地铁通风空调系统设计为例，通过对其机房布置、运行控制模式及对其设计出发点的分析，该地铁通风空调系统的机房布置、设备配置及管路设计的思路与出发点，在满足系统功能的情况下，基本上解决了目前地铁通风空调系统普遍存在的一些问题，虽然同时也产生了一系列其它需要重视、解决和克服的新问题，还需要不断地完善。
关键字：地铁 通风空调系统 设计 认识

1 引言

　　通风空调系统是地铁系统中一个不可或缺的重要系统；它的完善程度，不仅直接关系到整个地铁内部空气环境能否满足人员的生理、心理条件要求和设备正常运转的需要，也关系到险情（列车阻塞、火灾等）发生时整个地铁系统的防灾、救灾工作。

　　因此，地铁通风空调系统应具备以下主要功能^{【文献1】}：

　　1）列车正常运行时，保证地铁内部空气环境在规定的标准范围内，为乘客提供一个往返于地面至车站至列车的“过渡性”舒适性环境；为管理人员提供较适宜的工作环境等等。

　　2）根据地铁系统内各种设备的工艺要求，提供空调或通风换气，以保证工艺设备良好运行时所需的工作环境要求。

　　3）列车阻塞在区间隧道时，对阻塞隧道进行机械通风，为列车空调系统提供运行所需的空气冷却能力和新风量，在阻塞期间维持列车内部乘客能接受的环境条件，或向疏散的乘客提供足够的新鲜空气，使乘客能迎着新风方向疏散。

　　4）列车在地铁内发生火灾时，根据火灾发生的部位和具体位置，对事发点采取有效的通风、排烟措施，以诱导乘客安全撤离火场及消防人员进行灭火工作。

　　为此，地铁通风空调系统主要由以下四个子系统组成（其中前三个为风系统）：

　　1）公共区通风空调兼排烟系统（简称系统A）；

　　2）设备管理用房通风空调兼排烟系统（简称系统B）；

　　3）隧道通风兼排烟系统（简称系统C）；

　　4）空调制冷循环水系统（简称系统D）。

　　下面就我国北方某城市在建地铁，谈谈笔者对地铁通风空调系统设计的一点粗浅认识，以及该地铁通风空调系统存在的一些目前急需解决的问题；由于本人学识浅陋，有不当之处，请各位批评指正。

　　2 概述

　　图1为我国北方某城市在建地铁典型车站（左端）通风空调风系统的原理图（其中点划线范围内为系统B）。由于典型地铁车站一般两端各设1个通风空调机房，各负担半个车站的空调负荷，因此本文仅针对该车站左端的通风空调系统进行分析。

　　图1  某地铁车站（左端）通风空调风系统原理图

　　该城市地处我国北部，冬长干冷，夏季湿热。根据该地的气象数据、该地铁系统高峰时间内每小时的设计行车对数和每列车车辆编组数等，该地铁采用了自然闭式、机械开式相结合的通风空调系统；并在车站站台两端部设置迂回风道，以满足闭式运行时列车活塞风的泄压要求，有效地减小地铁车站站台上的“吹风”现象，最大限度地增加候车乘客的舒适感。

　　3 本工程特点

　　目前我国地铁通风空调系统普遍存在：①系统比较复杂、庞大，设备众多，机房占用面积过大；②单台设备功能较为单一，系统操作复杂、繁琐，从而也导致了有的地铁已经运营三、四年，其控制系统还不能很好地发挥作用；③设备装机容量大，能耗高，不利于地铁系统的节能运行；④在市区，大体量的地面进、排风亭（风口），其用地、美观、噪声处理等诸多方面，都与周边环境存在较难协调等不利情况。鉴于以上问题，各位地铁同仁也从各个方面作出了努力，力求解决这一系列困绕地铁通风空调系统设计的不利局面，一方面达到减少投资，降低本系统的工程造价，另一方面也可有效地减少BAS系统的控制对象，提高自动控制系统的实用性、可控性和可靠性，减少紧急情况下系统的反应时间。

　　图2  典型地铁车站（左端）通风空调风系统原理图（开/闭式）

　　从图1中可以看出，该系统最大的特点也是它与其它地铁开/闭式通风空调系统（其原理见图2，其中点划线范围内为系统B，虚线范围内为系统C）最大的不同之处是：系统A、B、C合用风道、风亭；系统A与系统C合用风机、风阀等设备，并将系统A的过滤器、表冷器、风机（双向可逆、变频调速）、消声器、电动调节风阀等设备分散设置于土建混凝土风道内（详见图3）。从而达到减少设备数量、节省机房面积，有效缩短车站长度，节约通风空调系统和因为本系统设备台数、装机容量的减小而导致的其它专业的设备、土建等初期投资，从而降低工程的整个造价。另一方面，通过对系统A、C的设备功能进行扩展、协调与兼顾，减少了设备的数量，达到了降低系统的复杂程度，简化运营操作的难度和方便运营管理的目的。

　　从上面的分析可以看出，该地铁通风空调系统在系统形式上进行了较大的变革；这种系统形式的出现，也丰富了我国地铁通风空调系统的设计。

　　图3  某地铁车站通风空调机房平面图（局部）

　　4 系统运行模式分析

　　从图1和图3中可以看出，该地铁通风空调系统运行控制的主要模式为：

　　1）当地铁系统正常运行时，DM-1～4风阀关闭，新风、回风的混合风（或全新风）经BLQ-1表冷器处理、SF-1风机低速运转加压后，通过风管送至车站站厅、站台公共区；区间隧道则是利用列车运动产生的活塞风携带车站冷空气来进行冷却。

　　系统B的运行控制基本原理与系统A相同。

　　当车站的公共区或设备管理用房发生火灾时，转换相关的通风空调子系统、分系统进入火灾运行模式，进行机械补风和排烟。

　　2）当列车阻塞在区间隧道内时，DT-3～12风阀关闭，DT-1、2风阀开启，系统转入隧道阻塞运行模式： DM-1、2（左线隧道阻塞时）或DM-3、4（右线隧道阻塞时）风阀开启，列车后方车站近端的2台隧道风机（即通风空调系统送风机SF-1、2和回/排风机HPF-1、2，下同）高速运转送风，列车前方车站近端的2台隧道风机高速运转排风，隧道内机械通风气流方向与行车方向一致，控制列车周围空气温度＜40℃，确保列车空调设备正常工作和乘客的安全与舒适。

　　3）当列车在区间隧道内发生火灾且停留在区间隧道内时，DT-3～12风阀关闭，DT-1、2风阀开启，系统转入区间隧道火灾运行模式：DM-1、2（左线隧道火灾时）或DM-3、4（右线隧道火灾时）风阀开启，根据列车的着火部位和具体滞留位置，该区间两端的两个车站，每站邻近火场的2台隧道风机同时启动高速运转送风或排烟（一个车站送，一个车站排），在着火隧道内形成纵向推挽式气流，诱导乘客迎着气流方向撤离火灾事故现场。

　　4）当列车在车站隧道发生火灾或着火列车驶入车站时，DT-3、5～11风阀关闭，DT-1、2、风阀开启，系统转入车站隧道火灾运行模式：DM-1、2和DT-4（左线隧道火灾时）或DM-3、4和DT-12（右线隧道火灾时）风阀开启，车站每端的2台共4台隧道风机同时启动高速运转排烟，乘客迎着从列车通过站台、站厅、出入口通道向地面疏散。

　　5 运行控制中应该注意的问题

　　从上面的分析可以看出，对于地铁通风空调系统A、B、C应具备的每一单项功能，不管是空调季节小新风、全新风和非空调季节全通风工况，还是车站公共区火灾、设备管理用房火灾、车站隧道火灾、区间隧道阻塞及火灾等工况，通过控制系统A、C合用的SF-1、HPF-1等风机的转速、运转方向和DT-1~12、DM-1~4等风阀的开关及系统B的设备、风阀等，均能一一实现。

　　但是，笔者认为，在实际的运行操作中，为了实现一种目的，不是其中一个系统独立运行就能完成的，而是需要与其它的子系统、分系统相互配合、协同动作才能完全实现。也就是说，为了实现某一功能，而不应该损害其它系统的功能的实现。

　　该地铁通风空调系统A、B、C合用风道与风亭，系统A、C合用风机等设备，因此，在某些情况下，三个系统分别担负的功能就很难完全被同时实现。

　　下面，就笔者的粗浅认识阐述如下：

　　当某段区间隧道发生事故时，事故区间两端车站邻近事发点的各2台隧道风机都将投入事故运行工况；根据以上对运行模式的分析，同一车站的某端的这2台风机高速运转，要么同时向里送风，要么同时向外排风（烟）。

　　如果是火灾列车滞留在区间隧道内时，事故区间两端车站邻近事发点的系统C就将转入火灾运行模式，同时系统A、D均应停止运行。此种工况下系统所有的操作都能够完全实现，系统不存在任何问题。

　　而当列车因故障（非火灾原因）或前方车站未发车而必须停在区间超过4min时，阻塞区间两端车站邻近事发点的系统C就将转入阻塞运行模式。此种工况下就会导致这2个车站中邻近事发点的半个车站的通风空调系统A停止运行，但这种情况不会对整个地铁系统造成很大的不利影响；需要注意的是：系统A与C合用的设备（包括风机、风阀等）需在短时间内根据不同的运行模式进行相互转换，实施起来有一定的难度。尤其是电动风阀，其电动执行器须选用工业专用类执行机构，才能长期保证其正常转换运行的可靠性。因为据相关资料^{【文献2】}显示“…列车阻塞事故时有发生…”，可见列车阻塞事故频率较高。

　　另外，系统B所负责管辖的设备管理用房，包括车控室、站长室、通风空调电控室、信号设备室、通信设备室、通信电源室、低压、高压开关柜室、整流变压器室等重要的电气设备间及控制间，因此这些设备管理用房，尤其是车控室（是防灾救援和事故处理时操作控制、指挥调度的中心，事故发生时交流信息、广播、引导等多种作业交叉进行），房间内的各种设备均为一级负荷，其设备良好运行的可靠性，直接影响到整个地铁系统的运行和事故时的救援工作。因此，笔者认为，当地铁系统发生事故和灾害时，除非是上述房间本身发生火灾，否则上述房间所属的通风空调子系统、分系统，尤其是车控室所属的通风空调系统，应该继续运行，为房间补充必需的新鲜空气或保证一定次数的通风换气以排除余热，保障设备正常运行的可靠性，以减轻操作人员的负担和杜绝误操作。

　　因此，当区间隧道发生事故，系统C按照既定的灾害运行模式投入运行，对事发点进行有效的通风或排烟时，系统B的部分系统，则应该继续投入正常运行，以保证在事故延续时间内，各种工艺设备运行良好。

　　结合图3分析：由于系统B与系统A、C共享风道、风亭，事故发生时，当隧道风机同时向隧道里送风时，因为隧道风机的风量大、压头也大，风道内将形成很大的负压，系统B则无法从风道内吸入新鲜空气，其送风量也就无法保证；当隧道风机同时向外排风时，系统B从风道内吸入的是从区间排出的热气流，而且由于风道内的正压，其排风则无法顺利排出；当隧道风机同时向外排烟时，系统B就会将风道内的烟气送入设备管理用房，直接影响事故指挥救援工作。

　　6 其它需要解决的问题

　　由于该地铁通风空调系统直接将系统A的过滤段、表冷段、挡水段、风机（双向可逆、变频调速）段、消声段及电动调节风阀等设备分散设置于土建混凝土风道内，导致风道的长度增加；从图3可以看出，风道的水平段长度约为66m，有的车站风道甚至会更长。在通风空调系统中，大量的采用混凝土风道，容易出现的问题也就越多。

　　（1）空调送风道，在表冷段后的部分应进行内保温绝热处理。由于风道断面尺寸较大，尤其是在进行夜间通风和列车阻塞通风时，风道内气流速度较高，加之平时须对设备进行必要的维护管理，绝热材料的敷设（尤其是地面）及粘贴强度就是一个必须解决的重要问题。由于是内保温，绝热材料、粘结剂的性能应符合使用温度和环境卫生的要求。另外，设于地面上的风阀是否应该保温，若保温，则应该如何处理等问题，都是应该值得注意的问题。如果不进行保温，势必在此产生“冷桥”现象^{【文献3】}。

　　（2）在混凝土风道的底板与侧墙上有很多的开口部位，由于风道内风压形成的沿风管轴线方向的推力，容易造成钢板风管与混凝土风道相接处产生松动，引起漏风现象，因此风道的气密性较难保证。设计应采取措施，加强处理。风管与风道的接缝处应采用不燃材料填实，做到防火封堵严密可靠。

　　（3）如果混凝土风道不进行保温，采用水泥砂浆找平的混凝土风道的内表面，长时间使用后容易产生灰尘，影响送风空气的质量。

　　（4）由于车站每端2条风道还兼作火灾时的排烟通路，因此，以下问题必须得以重视：

　　根据文献[4]条文说明第8.4.10条：“如利用通风系统管道排烟时，应采取可靠的安全措施：（1）…（2）烟气不能通过其它的设备（如过滤器、加热器、表冷器等）；（3）…”。虽然文献[4]不适用于地铁系统，但在设计时，我们可以借鉴，因为产生的后果都是相同的。即使回避此问题，也需解决混凝土风道内设置的过滤器、表冷器、挡水器及消声器等设备的耐高温特性。

　　（5）对于安装于风道内的设备，由于风机有正反转运行的要求，因此，过滤段、表冷段、挡水段、消声段还需考虑气流的双向流动的要求。对于消声器，两端均采用多边形或圆形，即可满足要求；但对于过滤器、表冷器和挡水器等，虽然经过特殊设计、制作，设计成可开启式，但也不一定能够达到理想的效果。否则，将直接影响事故时的排风、排烟效果，影响人员的安全撤离与事故救援工作。

　　7 结论

　　从以上的论述可以看出，该地铁通风空调系统的机房布置、设备配置及管路设计的思路与出发点，在满足系统功能的情况下，基本上解决了目前地铁通风空调系统普遍存在的一些问题，虽然同时也产生了一系列其它需要重视、解决和克服的新问题，还需要不断地完善，但毕竟作出了很大的努力与尝试，为我们提供了很好的思路。

　　如果本文能在地铁通风空调系统设计的改善与进步方面有所借鉴笔者将感到荣幸。

　　参考文献

　　1 中华人民共和国国家标准  地下铁道设计规范GB 50157-92：中国计划出版社，1993

　　2 回顾与思考. 广州市地下铁道一号线工程设计总结.：中国铁道出版社，2002年.北京

　　3 [日]山田雅士著. 孙逸增译. 建筑结露 ：中国建筑工业出版社，1987

　　4 中华人民共和国国家标准  高层民用建筑设计防火规范GB 50045-95（2001年版）：中国计划出版社，2001

　　5 U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE,National Technical Information Service，PB-254 788,Subway Environmental Design Handbook Volume I. Principles and Applications Second Edition,Transit Development Corp：Prepared For Urban Mass Transportation Admin，March 1976