武漢地鐵通風空調工程若干典型做法簡介

劉建芳

武漢地鐵集團有限公司

0 引言

任何建筑配置的通風空調工程最終均應是在正常情況下能進行環境控制，事故工況下達到防排煙等應急運行要求，而用來實現其目的的路徑是多樣化的，因而同樣或類似功能的建筑，其通風空調工程呈現多樣化，地鐵亦是如此。

武漢軌道交通始建于上世紀90年代，第一條地下線為軌道交通2號線于2012年12月通車。目前已批復的武漢市城市軌道交通近期建設規劃（2010-2017）總規模為215.3公里，包括已建成的軌道1、2、3、4、6 號線、及在建的軌道 5、7、8 號線及已建和在建的相關延長線等。遠景年線網規劃方案線路數為25條，總長1045 km，站點603座。

武漢地鐵建設開始的設計階段進行了大量的方案研究，吸收了其它地區建設過程的經驗，提出了一些不同于其它地區的做法并延用至現在，并有部分逐漸向全國其它地區推薦使用，本廣對這些做法進行介紹，希望起到拋磚引玉的作用。

1 預裝式集成冷站

地鐵的設計也是需要考慮施工周期的，武漢地鐵車站供冷[1]方式通過研究確定采用分站式供冷，若按常規方式組織施工，難以實現按期通車，其主要原因是土建施工占用了大量的周期，且常受不可控的因素影響，因而只能壓縮機電施工周期或改進方式來實現。為保證按期通車和施工質量，并結合配電、控制和節能等要求，提出了預裝式集成冷站（圖1）的概念。

圖1 集成冷站三維效果圖

1）武漢地鐵集成冷站[2]給予的定義是以高效節能控制系統為核心，進行各主要設備最優選型匹配，在工廠預制、模塊運輸、現場拼裝的系統級產品。其主要設備和部件有冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、分水器、集水器、水處理儀等設備及閥門、管道、配電設施和控制系統，室外設置冷卻塔等。

與常規冷站的主要區別是：①把冷站所有設備、配電和控制及管道線纜等當成一個整體設備看待；②要求在工廠預制完成并能整體完全運行；③由多個模塊組合，每個模塊適應運輸又保持一定的整體性，如水泵模塊，包括水泵、基礎、進出口接頭、閥門、支管、匯合干管等；④模塊運輸至地鐵冷水機房可現場拼裝，無需再運用機械切割、焊接等設備。

2）主要內容和要求：①機房內主要包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、水處理儀、定壓排氣補水裝置、冷凍站的配電和節能控制系統，以及分集水器、相關集成配套管道、閥門、基礎、支吊架等附件；②機房外：主要包括冷卻塔及其現場控制箱、吸垢儀、管道及相應閥門、配件和線纜等；③承包商負責供貨、安裝、調試及售后等。

3）對設備或系統的特殊要求如下：

①系統采用一次泵變流量[3-4]系統；

②冷水機組要求是變流量型冷水機組（最低標準是機組蒸發器端的流量變化率不小于30%/分鐘，流量變化范圍為50～100%，負荷在25%～100%范圍內連續無級調節）；

③水泵、冷卻塔風扇電機等均采用變頻電機，能適應變頻調節運行；

④配置節能控制系統，要求一方面能對所有設備進行配電供電，另一方面能控制管理所有設備節能運行；

⑤冷水機組適應冷卻塔的名義工況，即冷卻水系統均采用32/37℃，冷水機組的實際能效不是其名義工況下的指標；

⑥與BAS（環境與設備監控系統）系統只一個總接口，可由BAS系統控制實現總啟停，BAS系統不進行具體的管理控制，但可根據需要監視所有的數據；

⑦分集水器間的壓差旁通流量不同于常規冷站：理論上應是系統冷凍水總量不能小于1臺冷水機組額定流量的50%；

⑧在最不利環路應設壓差傳感器用于控制冷凍水泵的變頻運行。

4）節能控制[3-4]系統要求

①基本功能：配電、管理、控制、自優節能運行。控制系統是要求基于實時負荷需求控制運行，并自動優化，可實現冷水機組節能控制、冷凍水、冷卻水變流量運行等功能，維持系統在整體能效比最高的工況下運行（如年均能效水平COP應優于4.1 kW/kW）。

②安全保護與監控及故障診斷和報警：配備中文或圖形液晶顯示類用戶界面，相應完整的硬軟件來實現高低溫、高低壓差、低流量及所有的電氣等保護。冷站內接地，室外冷卻塔防雷。

③智能功能：具有智能控制功能，為地鐵集中空調特點定制；應具有豐富的工程管理經驗數據庫，系統具有自學習、自尋優和自適應等優化控制功能，以適應運行環境及負荷的變化擇優選擇最佳的運行參量和控制方案，能實現高效節能運行；主監控界面宜采用3D圖呈現方式，提供直觀友好的人機界面，并能輸出各種使用數據形成報表。

2 地面變電所機械通風與冷風降溫的組合配置和全自動聯合運行

武漢氣候有其特殊性，夏天部分時間在城區里高溫高濕，僅靠通風難以保證變電所的環境溫度，過大的機械通風量配置綜合考慮也不經濟，因而采用了機械通風+冷風降溫的方式。該方式首先在理論上按全年不超過20%的時間可使用冷風降溫方式（如采用多聯空調），其余80%的時間采用機械通風方式排除余熱，保證室內工藝要求的環境溫度。根據對氣象參數的統計，機械通風室外溫度取值為26.5℃進行計算時（統計年平均干球溫度超過26.5℃的小時數約為19%），可滿足80%的時間段內通過機械通風方式就能滿足工藝環境要求，其風量配置只占按規范采用夏季通風室外計算溫度32.0℃時的通風量的42.1%。通風+冷風降溫的配置優點是通風機配小后全年運行節能，極高溫天氣下多聯機仍能保證室內環境要求。

要實現按要求的策略運行需要借助自動化控制技術。在武漢軌道交通2號線中采用了溫度控制箱來實現風機和多聯機的組合配置以無人值守方式全年全自動切換運行。對溫度控制箱我們提出了以下要求：

①每個溫度控制箱（具有配電功能和帶PLC模塊）是一個自動控制設備單元，統一控制單元內（如一間房）的多臺多聯機與風機，能全年根據室外環境溫度和室內溫度自動切換兩種設備節能運行，無需人工值班手動管理。

②運行控制邏輯關系及其它要求（溫度值都是可以在控制面板上根據使用經驗來進行現場設定）如下：

a）當室外溫度小于32℃（如先設一個默認值）時：優先啟動通風模式，按室內溫度大于35℃（默認值）啟動溫控風機通風。會出現兩種工況，一種工況是通過通風換氣，室內溫下降到32℃（默認值）以下，風機自動停止，不給多聯機啟動信號。另外一種工況是溫度繼續升高到37℃（默認值）時，啟動多聯機，停止溫控風機和相應啟動模式。當室溫下降到32℃（默認值）時使多聯停機，讓溫控風機運行模式接管（根據室溫判斷來運行，如室內溫度大于35℃（默認值）啟動溫控風機通風），同時不給多聯機啟動信號。

b）當室外溫度大于32℃（默認值）時；室內溫度大于36℃（默認值）啟動多聯機。當室內溫下降到33℃（默認值）以下，多聯機自動停止，溫控風機模式接管，直到通風模式的室內環境溫度又達到37℃時，多聯機運行模式接管。

c）設備接口要求：多聯室內機設置有啟停接口（無源接點），啟停接口由風機的溫控箱控制。信號閉合，多聯機運行，信號斷開，多聯機停止。多聯機聯動接口要求在端子排上。

d）當在火災工況下，BAS通過I/0模塊輸出火災信號（無源接點），啟動相應溫控風機（做為排煙、補風用），其它風機停止。

e）車站其它部分溫控風機火災工況停機，由低壓配電實現。

f）BAS向溫控風機提供火災信號運行模式點表。工程中運行控制邏輯關系提出的室外溫度分界點默認值取32℃而不是理論配置設備的26.5℃，是考慮到實際房間設備發熱量大多數情況下低于理論值，尤其是在夜間，而配置設備是按滿負荷條件計算的，因而取值較高。在實際運營中根據變電所使用情況可調低該值，以保證室內環境溫度不超標，也不至于頻繁切換。本文重在介紹組合配置和自動切換運行的設置方案，對于溫度切換具體值的設定是可以通過進一步研究和管理經驗來優化的。

武漢地區地面變電所采用該方式，是提高了供電房屋環境標準來保證運營供電的可靠性，從配置方案上減少因供電環境溫度過高跳閘時引起的停運現象。

3 電控復位防火閥的應用

地鐵工程用到的各種防火閥基本均為常開型，例如安裝在非排煙管道上的防火閥：常開，70℃感溫自動關閉，手動關閉和復位，無源觸點閥門開/關信號輸出；對于安裝在排煙功能管道上的排煙防火閥：常開，280℃感溫自動關閉，手動復位，無源觸點開/關信號輸出。對于為氣體滅火保護房間服務的送/回風管上設置的防火閥，進一步要求可接受電訊號進行主動關閉。

對于防火閥具有手動復位功能是基本要求，考慮到地下空間緊張、管道復雜、閥門眾多，往往難以進入較高空間或較危險空間（變電所、氣體滅火后待恢復前等）進行手動復位，這種不方便表現在調試階段、誤動作、故障和事故，特別在調試階段和誤動作。因此提出采用可電動進行復位的防火閥（圖2），并擴大使用范圍，這樣就不一定非要進入閥體位置而進行復位。

圖2 電控復位防火閥

武漢地鐵用到的電控復位防火閥如下：

①全自動防煙防火閥：常開型，DC24V供電，70℃感溫自動關閉，手動關閉和復位，DC24V電源控制關閉、復位，無源觸點閥門開/關信號輸出，可聯鎖相關設備關閉。主要應用在氣體滅火保護房間和不便復位的高空、危險區域和管線密集處。

②全自動排煙防火閥：常開型，DC24V供電，280℃感溫自動關閉，手動關閉和復位，DC24V電源控制關閉、復位，無源觸點閥門開/關信號輸出，可聯鎖相關設備關閉。主要應用在不便復位的高空、危險區域和管線密集處。

4 火災工況下要求轉換的模式中所有設備必須接受一遍執行指令

地鐵工程的通風空調設備控制是由BAS或FAS（火災自動報警系統）系統來完成，在各種模式切換中，對于多個模式時某個設備（如風閥）可能狀態不發生改變，傳統的操作指令是不對該設備進行操作，以視默認保持原狀態，這種操作從理論上是可行的。

在實際運營過程中，各設備的開關狀態本體可能已發生改變，特別是在正常工況下，如風閥本應是“關”狀態卻以“開”狀態存在，而BAS或FAS系統也不能判斷或沒有判斷，若轉為火災工況時本應是“關”狀態卻呈“開”狀態就可能會引發次生災害。這種現象是在調試和煙氣試驗過程發現的，如出現竄煙、排煙不足等，在正常工況運行可能存在卻還不易被發現。

經與相關專業溝通和研究及聽取意見后我們采用了對所有設備執行一次該模式下應處于的狀態指令是比較有效的方法。也就是說要編制運行模式表時，不宜有保持原狀態的標識，即使原狀態是“關”，轉為相應模式還是“關”時，控制系統也發送一次關閉該設備的指令。

實際調試檢驗證明該方法是有效的。

5 風道土建夾層的設置要求

地鐵工程至少有土建新風道和排風道各一條伸進通風空調機房，而地鐵的特點是狹小的地下空間使得通風空調引風和排風接管不可能像地面建筑或者其它地下建筑那樣布置在不同方位，基本是從同一端有數條至數十條新風和排風接管，往往是交叉重疊。新、排風管與新風道、排風道的連接示意如圖3所示。

地鐵新風道可能存在加壓送風系統的取風，排風道是兼做排煙道[5-6]。圖3（a）布置方式在國內較普遍，當有排風（煙）管穿新風道時，采用外包防火板來滿足耐火等級要求，并在從機房通過新風道和排風道的隔墻處設兩處防火閥，理論上是能將新風與煙道分隔。該方式存在的問題是受施工質量影響難以保證完全的防火防煙分隔，墻上開洞過多，縫隙過多，在調試和放煙試驗過程中都出現煙氣進入新風道，再經新風道取風的加壓風機或補風機送入安全區域，存在很大的安全隱患，只要進行真實的煙氣試驗，各地都或有存在此現象的可能。

圖3 新排風管與土建風道連接剖面圖

圖3（b）的布置方式為武漢地鐵改進后的通用做法，該方式減少了防火閥的設置數量，減少了新/排風道間墻上的開孔，降低了機電施工的難度，使安全隱患降低。

6 其它

1）武漢地鐵車站的設備吊裝孔基本以敞開式為主，即無需設置蓋板，也不影響防火分隔和功能使用，且吊裝孔上方配置有吊裝滑軌和葫蘆，能極大方便運營的維護使用，且避免了開啟重型蓋板的不便，避免了蓋板的密封不嚴而漏跑煙氣等隱患。

2）對車站重要的電氣和管理用房設置有冗余多聯空調系統，其室外機放置在排風井下，配置沖洗水栓，避免放置室外的擾民和被盜，且由于排風道存在24小時有排風現象，也能保證室外機的通風環境要求。

3）彩鋼復合風管應用在地鐵的通風空調系統中，均考慮采用雙面彩鋼復合風管，主要是避免單面彩鋼復合風管內層鋁泊易被施工弄傷后，而在空調冷風與通風交替作用、也會因停運后潮濕空氣進入結露等綜合作用下使內層鋁泊與酚醛脫層，減少使用壽命；同時采用統一的板材會避免風管的誤裝，提高了可靠性。

7 結語

全國地鐵建設的城市有數十個，通車和運營線路有上百條，運營公里達數千公里，通風空調的工程做法不盡相同。本文將武漢地鐵不同于其它地區的做法提出供大家批評指正，更好的提升城市軌道交通工程的設計水平。歸納起來主要做法是預裝式集成冷站、地面變電所機械通風與冷風降溫的組合配置及設備自動運行轉換、包含電控復位功能防火閥的廣泛應用、火災工況模式中所有設備必須接受一遍執行指令、避免新/排風（煙）管互穿排/新風道的土建夾層風道解決方案、配吊裝滑軌的敞開式吊裝孔、多聯空調室外機內置車站地下排風井、雙面彩鋼復合風管的應用等，以上做法都通過了施工和運營驗證，也是在后續工程中繼續采用的做法。