由于地下車站和區(qū)間隧道是一個大型狹長與外界聯(lián)系面較小的地下空間，密集的乘客，高速的列車和各種機電設備的運行，以及連續(xù)的照明都會產生很大的熱量，不及時排除就會導致地鐵內溫度逐年上升；此外地鐵內各種設備及列車運行引起的噪聲、有害氣體、列車活塞效應對車站空氣環(huán)境的擾動，以及隧道內因潮濕所造成的霉爛氣味等都會使地下環(huán)境不斷惡化；同時當人流密集、空間狹小、密閉性高的地鐵內發(fā)生事故、火災時，人員的安全疏散和煙氣的排除也是非常重要的問題。
鑒于以上各種因素，因此必須要設置環(huán)控系統(tǒng)對車站和區(qū)間隧道內的溫度、濕度、氣流速度、噪聲以及事故、火災情況下人員安全疏散措施等進行全面控制。有效、可靠的環(huán)控系統(tǒng)對保證地鐵交通的乘客安全、舒適和確保設備運行及壽命是十分必要的。
地鐵環(huán)控系統(tǒng)的功能
地鐵環(huán)境控制的目的:
地鐵環(huán)境控制的目的是利用通風和空調等手段，把車站與區(qū)間隧道的熱環(huán)境控制在一定范圍內，以創(chuàng)造一個適宜的人工環(huán)境，滿足乘客和工作人員生理和心理上對所處環(huán)境中空氣的溫度、濕度、質量、流速、噪聲等諸多因素的綜合要求，同時保證地鐵列車和其它機電設備正常地工作。
地鐵環(huán)控系統(tǒng)的功能:
正常運行情況下，通過空調或通風等手段排除余熱、余濕，為地鐵乘客創(chuàng)造一往返于地面至車站至地鐵列車內的過渡性舒適環(huán)境，最大限度地吸引客流。
為滿足地鐵車站內各種設備及管理用房的工藝和功能要求提供適宜的溫度和濕度條件，保證地鐵內的工作人員和運行設備有一個良好的工作環(huán)境，以確保地鐵列車正常安全運營。
當?shù)罔F列車阻塞在區(qū)間隧道時，向阻塞區(qū)間內提供足夠的送、排風量，以保證列車空調冷凝器能繼續(xù)運行。
當?shù)罔F內發(fā)生火災時，向疏散的旅客提供迎面新風，誘導乘客安全撤離，同時還具備排煙功能，防止乘客和工作人員被窒息。
環(huán)控系統(tǒng)的組成
深圳地鐵一期工程環(huán)控系統(tǒng)采用屏蔽門系統(tǒng)，因此車站采用空調/機械通風方式，區(qū)間隧道采用活塞通風/機械通風方式。整個環(huán)控系統(tǒng)由以下部分組成：
區(qū)間隧道活塞風系統(tǒng)和機械通風系統(tǒng)（TVF系統(tǒng)）
站臺下/軌道頂排熱通風系統(tǒng)（UPE/OTE系統(tǒng)）
車站公共區(qū)空調、通風兼排煙系統(tǒng)
車站設備管理用房空調、通風兼排煙系統(tǒng)
車站制冷空調水系統(tǒng)
地鐵熱負荷分析
地鐵列車與大量客流所產生的熱量是影響地鐵車站與隧道空間熱環(huán)境的主要因素。在地鐵高速運輸系統(tǒng)中，第一熱源為地鐵列車發(fā)熱量（其中包括列車啟動、走行、加速、制動等發(fā)熱）；第二熱源為地鐵列車空調設備冷凝器發(fā)熱量；第三熱源為乘客人體散熱量、車站照明燈具、廣告牌和售檢票機等設備發(fā)熱量。其中，第一熱源和第二熱源的發(fā)熱量要占到總發(fā)熱量的2/3以上，第三熱源約占總發(fā)熱量的1/3左右。深圳地鐵一期工程環(huán)控系統(tǒng)經過專題研究和方案論證、比較與分析，確定采用屏蔽門系統(tǒng)。在車站站臺層安裝屏蔽門后,列車停站時屏蔽門與車門一一對應打開，列車出站時屏蔽門關閉，區(qū)間隧道內地鐵列車所產生的各種發(fā)熱量主要靠列車運行時產生的活塞風和站臺下/軌道頂排熱通風系統(tǒng)（UPE/OTE系統(tǒng)）來排除；列車在區(qū)間隧道內發(fā)生阻塞或火災工況時主要靠區(qū)間隧道通風系統(tǒng)（TVF系統(tǒng)）來提供新風或排煙。
地鐵車站站臺層安裝屏蔽門后將車站候車區(qū)域與區(qū)間隧道行車區(qū)域完全分隔開來，因而可以阻隔地鐵列車的發(fā)熱量及列車空調冷凝器發(fā)熱量（即第一和第二熱源）進入站臺乘客候車區(qū)域，車站公共區(qū)的熱負荷主要為乘客的人體散熱量和車站照明燈具、廣告牌、售檢票機、電梯扶梯等設備發(fā)熱量。由于在地鐵車站內車站照明燈具、廣告牌、售檢票機、電梯扶梯等設備的數(shù)量是固定不變的，而乘客卻始終是處于流動狀態(tài)（即上下車、進出站），同時乘客數(shù)量也是處于變化的（平常時段和高峰時段不同），因此車站公共區(qū)空調負荷是根據(jù)站內乘客的流動情況和乘客數(shù)量的改變而時刻變化的。
深圳市位于北緯22°5′，氣候屬亞熱帶季風氣候，熱量豐富，日照時間長，雨量充沛。冬季無嚴寒，夏季濕熱多雨，其中熱季具高溫高濕氣象條件，每年持續(xù)8個月以上。根據(jù)深圳市的氣候特點，深圳地鐵車站公共區(qū)的空調通風系統(tǒng)在空調狀態(tài)下需要運行8個月以上，其余時間為通風狀態(tài)運行，系統(tǒng)須全年長期運行，設備長時間運轉（每天18個小時以上）。深圳地鐵一期工程車站冷負荷和空調風量是按遠期2028年晚高峰客流量運營條件來計算，車站新風量是按遠期2028年早高峰客流量運營條件來計算，并以此計算結果為依據(jù)進行車站制冷、空調、通風設備的選型設計，但初近期即2010年以前的客流量僅是遠期2028年客流量的1/3～1/2，因此所選設備的容量遠遠大于初近期的車站負荷。所以如何使車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)及設備能夠根據(jù)負荷的變化進行調節(jié)，以便在提供滿足乘客候車環(huán)境的同時實現(xiàn)節(jié)約能源，降低運營成本的目的，是設計中必須認真考慮的問題。
變頻調速技術
變頻調速是一種先進且較成熟的技術，它是通過整流器、逆變器和控制電路將頻率一定的交流電變成直流，再將直流逆變?yōu)椴煌l率的交流，以達到對交流異步電機進行調速控制。在各種工程中采用變頻調速技術可以實現(xiàn)節(jié)約能源，延長設備壽命，降低噪音，改善環(huán)境質量的目的。變頻調速技術已在民用及工業(yè)建筑的中央空調系統(tǒng)設計及工程實踐中得到了具體應用，產生了較大的影響并取得了顯著的成效。變頻調速技術之所以能夠得到快速發(fā)展和廣泛應用，主要取決于其在電氣傳動領域無可比擬的優(yōu)越性：在傳統(tǒng)的、無調速工況的傳動領域內實現(xiàn)變頻調速，可平均節(jié)能40％以上，特別是在壓縮機、水泵、風機的應用上，因為轉速和風量成正比關系，和壓頭成平方關系，和功率成立方關系，因此設備轉速的改變直接影響到功率（運行能耗）的變化；變頻調速實現(xiàn)了電動機由零電流、零電壓開始的軟啟動，完全消除了電機啟動對電網的沖擊污染和對其它用電設備的損壞；變頻調速可以實現(xiàn)對各種工況的連續(xù)調節(jié)，使系統(tǒng)的運行品質得到改善。
傳統(tǒng)的空調設計是以滿足整個系統(tǒng)最大負荷要求為原則和標準進行的，而在絕大部分運行時間中，最大負荷是不會經常出現(xiàn)的，且空調負荷的變化常常在40％以上；如前所述，地鐵車站的特點是人員流動性大，有較明顯的負荷變化，一般早晚高峰時段比平常時段高出近一倍。在空調系統(tǒng)中采用變頻調速技術就可以根據(jù)負荷及工況的變化對設備及系統(tǒng)隨時進行調節(jié)，以便在提供舒適滿意環(huán)境條件的同時實現(xiàn)節(jié)約能源，降低運營成本的目的，是今后空調系統(tǒng)設計發(fā)展的一個主流方向。
環(huán)控系統(tǒng)主要設備與節(jié)能措施分析
深圳地鐵一期工程環(huán)控系統(tǒng)中的主要運轉設備為冷水機組、冷卻塔、水泵、TVF風機、UPE/OTE風機、組合式空調箱、回排風機、空調新風機等。
區(qū)間隧道機械通風系統(tǒng)中TVF風機的作用是列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災工況時排煙和列車停運時夜間通風，經過系統(tǒng)模擬計算TVF風機只有在計算極限風速下運行工作，才能確?；馂墓r時煙氣的有效排除和保證夜間通風冷卻隧道的效果，因此TVF風機的運行狀態(tài)是不能作調整的。
站臺下/軌道頂排熱通風系統(tǒng)中UPE/OTE風機正常情況每日從地鐵運營開始至運營結束期間一直運作，是長期運作風機。其作用是排除列車進站、停站、出站時的產熱量，以減少列車發(fā)熱量對車站及區(qū)間的影響，同時還兼容排煙功能?？紤]到近遠期列車對數(shù)不同，列車發(fā)熱量不同，風機的排風量不同（初近期列車對數(shù)6～25對條件下，要求風機風量為30～40m3/s；遠期列車對數(shù)10～30對條件下，要求風機風量為40～55m3/s），UPE/OTE風機采用雙速風機來調節(jié)風量，在初近期使用低速檔運轉，在遠期使用高速檔運轉，既能滿足功能要求又可以達到良好的節(jié)能效果，同時對風機的控制簡單可靠容易實現(xiàn)。
制冷空調水系統(tǒng)由螺桿式冷水機組、冷卻塔、水泵組成為車站空調提供冷源，螺桿式冷水機組的特點是具有良好的部分負荷特性，冷量調節(jié)范圍為20～100%，機組本身采用節(jié)能循環(huán)系統(tǒng)和微處理機自動跟蹤負荷變化，根據(jù)水溫值與設計設定值的差異變化來改變冷量輸出，冷水機組無級調節(jié)范圍完全可以滿足地鐵車站冷負荷的調節(jié)要求無需進行變頻。
車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)由組合式空調箱、回/排風機、空調新風機組成，以往一般都是采用定風量運行，靠調節(jié)設備的運行臺數(shù)來適應車站負荷的變化。經過負荷計算和分析，車站在早高峰和晚高峰小時的冷負荷明顯出現(xiàn)峰值，全日逐時冷負荷變化率比較均勻，冷負荷分布幅度寬廣。采用定風量調臺運行的空調風量與車站冷負荷變化規(guī)律存在一定的差異，如采用變頻調速系統(tǒng)進行調節(jié)，可以使空調風量與車站逐時負荷變化規(guī)律相一致，既滿足車站公共區(qū)熱環(huán)境的要求又可以達到更好的節(jié)能效果，據(jù)初步估算車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)采用變頻調速技術后運行初期階段每個車站每年可節(jié)省電費一百萬元左右。
深圳地鐵一期工程是深圳市唯一的國家重點項目，市委、市政府給予了高度重視并提出了“起點高、水平高、質量高、成本低”的方針和要求。為此在深圳地鐵一期工程設計中采用了多項國內外先進技術，其中我們以深圳地鐵一期工程四號線中的福民站、少年宮站為試驗站，將變頻調速技術應用到地鐵環(huán)控系統(tǒng)設計中。
車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)變頻調速控制
深圳地鐵一期工程少年宮站、福民站作為試驗站，車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)采用了變頻調速控制技術。車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)由組合式空調箱、回/排風機、空調小新風機組成，對組合式空調箱送風機、回/排風機進行變頻調速，空調小新風機為定風量運行。同時為保證車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)的運行，當變頻器出現(xiàn)故障時，可通過手動或自動將所控制的設備轉為工頻。
采用變頻調速技術即利用變頻器調節(jié)電機的轉速，使空調箱送風機的風量隨著轉速的變化而變化，從而通過送風量的變化實現(xiàn)對車站公共區(qū)溫度的控制。當空調箱的送風量變化時，它的送風溫度也隨著改變，因此需要調節(jié)流經空調箱的冷水量，送風溫度的穩(wěn)定是通過二通調節(jié)閥調節(jié)給水量來實現(xiàn)的。在車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的回排風量與送風量不相匹配，則公共區(qū)內的空氣溫度會出現(xiàn)意想不到的波動，公共區(qū)內的溫度和送風溫度控制則變得復雜和困難，所以要根據(jù)送風量的變化利用變頻器來調節(jié)回排風機的轉速以便控制風系統(tǒng)的回排風量，使兩者相匹配。因此本系統(tǒng)的控制及功能的實現(xiàn)主要包含三個控制環(huán)節(jié)：車站溫度控制環(huán)節(jié)、送風溫度控制環(huán)節(jié)和回排風量控制環(huán)節(jié)。
變頻控制系統(tǒng)利用車站設備監(jiān)控系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)來判定空調工況，根據(jù)不同工況對車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)中的相關設備進行狀態(tài)判斷，并將狀態(tài)值傳輸給車站設備監(jiān)控系統(tǒng)，由它進行控制。同時用相關的控制算法對各個調節(jié)環(huán)節(jié)進行計算，得出各個控制環(huán)節(jié)的輸出信號值，并經就地級控制器通過主控器傳輸給執(zhí)行機構去調節(jié)空調系統(tǒng)中的風量和水量，從而達到穩(wěn)定車站公共區(qū)溫度的目的。
車站溫度控制----車站溫度隨車站內負荷的變化而波動，我們通過調節(jié)空調箱的送風量來控制車站溫度，溫度傳感器將測得的車站公共區(qū)溫度（或回風溫度）送到溫度調節(jié)器，在調節(jié)器中與該溫度的設計值進行比較，計算出偏差值，調節(jié)器再根據(jù)偏差大小計算出輸出信號值，并將此信號傳輸給變頻調速器，變頻器將電機的電源輸入頻率改變到某一特定值，電機的轉速與輸入頻率成正比，風機的送風量與其轉速成正比，所以送風量隨著改變，送風量的變化使車站的放熱量與空調的吸熱趨于平衡，從而使車站公共區(qū)溫度控制在一定的范圍內。其控制原理框圖見圖1：
圖1 車站公共區(qū)溫度控制原理框圖
送風溫度控制----空調系統(tǒng)的回風與新風相混合后進入空調箱表冷器冷卻，空調箱的出口溫度就是送風溫度。控制送風溫度的目的是：一、減小對車站溫度的干擾，使車站溫度比較容易控制；二、避免過大送風溫差。送風溫度的控制是通過調節(jié)水量來實現(xiàn)的。布置在送風干管上的溫度傳感器測得送風溫度，并將其送到溫度調節(jié)器，在調節(jié)器中與該溫度的設計值進行比較且計算出偏差值，調節(jié)器再根據(jù)偏差大小計算出輸出信號，并將此信號輸給執(zhí)行機構—冷水管路上的二通閥，二通閥根據(jù)輸入信號改變其閥位，從而調節(jié)了流經空調箱的水量，經過表冷器的空氣與水的熱交換使空調箱的吸熱和放熱趨于平衡，進而使送風溫度得以穩(wěn)定。其控制原理框圖如圖2：
圖2 空調箱送風溫度控制原理框圖
回排風量控制----回排風量的控制目標是與送風量相等，而送風量不是定值，所以該控制環(huán)節(jié)是一個隨動控制環(huán)節(jié)?？刂破鲗⒃谒惋L干管中測得的風量作為設定值，回排風干管上測得的風量作為反饋信號，并將兩者進行比較，計算出偏差，調節(jié)器再根據(jù)偏差大小計算出輸出信號值，并將此信號傳輸給變頻器，從而改變風機的轉速，控制風系統(tǒng)的回排風量。其控制原理框圖如圖3：
圖3空調系統(tǒng)回排風量控制原理框圖
根據(jù)上述控制原理，我院與有關單位共同合作完成了《深圳地鐵一期工程車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)變頻控制初步設計》，通過了由深圳地鐵有限公司組織國內專家進行的評審，同時還與環(huán)控設備制造廠家配合完成了部分環(huán)控設備的變頻調速運行實驗，目前兩個試驗站正在進行施工圖設計。
眾所周知，空調系統(tǒng)功能的實現(xiàn)除了系統(tǒng)本身的工藝設計之外，還有賴于系統(tǒng)的控制，而空調系統(tǒng)的自動控制與系統(tǒng)本身的形式及空氣調節(jié)過程又是密切相關的。采用變頻調速技術后的地鐵車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)的自動控制會更加復雜，因為采用變頻調速技術后為保證系統(tǒng)可靠、安全、節(jié)能運行，除了要對室內外各種空氣狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)控以外，還要對風口及風管道內的各種參數(shù)進行采集，調節(jié)對象、測控參數(shù)相應增加，變頻控制系統(tǒng)中要增加對各種變化量的分析、比較、計算和判斷處理工作。另外由于被監(jiān)控和被調節(jié)的狀態(tài)參數(shù)的增加，使控制系統(tǒng)中在多種熱工參數(shù)同時變化情況下數(shù)學模型的建立變得復雜和困難，同時也增加了控制系統(tǒng)在進行空氣處理過程熱工模擬分析計算時的不穩(wěn)定性，從而使整個環(huán)控系統(tǒng)的運行控制難度增大。由此可見，車站公共區(qū)空調通風系統(tǒng)采用變頻技術后系統(tǒng)能否正?？煽康倪\行，空調通風系統(tǒng)的自動控制設計是至關重要的,需要相關系統(tǒng)、專業(yè)及有關單位部門的配合協(xié)助與支持。
雖然目前變頻技術日趨成熟，也逐漸為大家重視和接受，但在地鐵環(huán)控系統(tǒng)中的應用才剛剛起步，深圳地鐵一期工程環(huán)控系統(tǒng)采用變頻技術在國內尚屬首例。由于以前國內外地鐵工程中尚未有環(huán)控系統(tǒng)采用變頻技術的實際先例，因此我們只能借鑒其它相關工程的成功經驗，同時結合地鐵環(huán)控系統(tǒng)的特點，在設計過程中對設計方法和規(guī)律不斷的進行摸索并加以總結歸納，在設備安裝、調試、運營過程中對出現(xiàn)的各種要求及影響因素逐漸地認識、掌握，為今后變頻技術在地鐵環(huán)控系統(tǒng)中的應用創(chuàng)造條件、積累經驗。這也是對每個地鐵建設單位、設計及科研人員、設備制造廠家提出的共同要求，我們相信經過各方面的共同努力和研究，變頻技術會在今后地鐵環(huán)控系統(tǒng)中得到廣泛的推廣和應用。
參考文獻
[1] 《地下鐵道設計規(guī)范》GB 50157-2003北京：中國計劃出版社，2003
[2] 《深圳地鐵一期工程可行性研究報告》1998.7
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