1、概述
廣州地鐵一號線主要為東西走向，大部分穿過老城區，全長18.48公里，南起西朗站，東至廣州東站，共設14個地下站和兩個地面站。投資總概算為127.15億元人民幣，主要設備從德國、英國、日本、美國等國家引進，整個系統達到80年代末、90年代初國際先進水平，設計最高車速為80公里/小時，平均運行速度為35公里/小時，最小發車間隔2分鐘，可滿足2023年的預測客流量。
公園前站位于廣州市文化、商業、金融、貿易中心的中山五路地段，是廣州市軌道路網規劃中一、二號線的立交換乘車站，該站創造性地采用一島兩側的站臺形式，是東南亞目前最大的地鐵換乘站。
2、地鐵環控系統主要功能
地鐵環控系統是通過對影響環境的空氣溫度、濕度、空氣流速和空氣品質等主要因素的控制來創造一個適于地鐵設備正常運轉、人員安全舒適的人工環境：
在列車正常運行時，排除余熱余濕，提供人員所需的新風量，為乘客和工作人員提供一個適宜的人工環境，滿足站內各種設備正常運轉所需的溫、濕度要求；
列車阻塞在區間隧道時，向阻塞區間提供一定的通風量，保證列車空調等設備正常工作，維持車廂內乘客在短時間內能接受的環境條件；
在發生火災事故時，提供迅速有效的排煙手段，給乘客和消防人員提供足夠的新鮮空氣，并形成一定的迎面風速，引導乘客安全迅速地撤離。
3、地鐵環控系統設計特點
3.1 車站空調負荷受外界氣象影響小
根據有關資料，地鐵車站空調負荷主要由以下幾方面組成：列車本身發熱及列車空調冷凝器散熱約占74%，車站照明、廣告燈箱的燈光負荷約占6%，自動扶梯、售票機、檢票機等動力負荷約占5%，乘客散熱約占15%。由此可見，地鐵車站的主要熱源來自列車本身，受外界氣象條件影響較小。
3.2 某些設計參數的確定不同于民用建筑
在地鐵設計中，確定夏季空氣調節新風的室外計算干球溫度時，采用“近20年夏季地下鐵道晚高峰負荷時平均每年不保證30h的干球溫度”，而不采用《采暖通風與空氣調節設計規范》（以下簡稱“暖通規范”）規定的“采用歷年平均不保證50h的平均溫度”，因為暖通規范是主要針對地面建筑工程的，與地下鐵道的情況不同。暖通規范的每年不保證50h的干球溫度一般出現在12～14時，而據地鐵運營資料統計，此時地鐵客運負荷較低，僅為晚高峰負荷的50～70%，若按此計算空調負荷，則不能滿足地鐵晚高峰負荷要求；若同時采用夏季不保證50h干球溫度與地鐵晚高峰負荷來計算空調冷負荷，則形成兩個峰值疊加，使空調負荷偏大。因此采用地下鐵道晚高峰負荷出現的時間相對應的室外溫度較為合理。由此根據氣象資料統計得出廣州地鐵空調室外新風計算干球溫度為32.5℃，比暖通規范中規定的33.5℃低約1℃。
又如室內參數的確定，地鐵車站空調屬舒適性空調。一般情況下，乘客從進站、候車到上車在車站僅3～5分鐘，下車出站約需3分鐘，其余約3/4的時間在車廂內。因此車站的空調有別于一般的舒適性空調。既然乘客在站廳和站臺的時間特別短，只是通過和短暫停留，為了節約能源，只考慮乘客由地面進入地下鐵道車站有較涼快的感覺，滿足于“暫時舒適”就可以了，而人們對溫度變化有明顯感覺的溫差為2℃以上，因此廣州地鐵一號線站廳夏季的空調計算溫度取30℃（比空調新風室外計算溫度32.5℃低2.5℃）；站臺比站廳低1℃，取29℃；而車站管理用房等，由于工作人員長時間在里面工作，取27℃；列車車廂中取27℃等。
3.3 噪聲控制難度大
地鐵的噪聲源主要有：列車運行時的噪聲，這是站臺的主要聲源，當列車以60km/h運行時，噪聲約為100db（A），因此隧道內列車通過時噪聲在100db（A）左右，而當列車進、出站臺時使得站臺噪聲在75db（A）以上，但時間不長；其次為風機的噪聲，它主要是站廳及地面風亭的聲源，對站臺影響較大，這部分噪聲主要以中、低頻為主的寬頻帶噪聲，一般聲功率級都在100分貝以上；其他如變壓器、水泵、制冷機等為次聲源。
在消聲處理方面，對控制難度大的列車噪聲只在建筑方面作相應處理；對可控聲源風機等在其進、出口上均設有消聲器，以滿足規范要求；對水泵、制冷機等次聲源均設有減震措施。
3.4 排煙系統設計尤為重要
由于地鐵是人員密集的地下建筑，而且相對來說地下車站直接出入地面的出口較少且距地面較遠；另據國內外的資料分析，發生火災時造成的人員傷亡，絕大多數是被煙氣熏倒、中毒、窒息所致。因此排煙設計在地鐵中顯得很重要。
排煙系統的設計原理為：當站廳或站臺發生火災時，要對火災區進行迅速而有效的機械排煙；當列車在隧道發生火災時，要對發生火災的隧道進行機械送風和機械排煙；當列車事故阻塞在隧道中時，要對事故點進行機械送風。
但與民用建筑相比，地鐵排煙的某些要求又有所不同。如地下車站的防煙分區面積可擴大至750m2；又如選擇排煙風機及煙氣流經的輔助設備如風閥、消聲器等時，要求能保證150℃時連續有效工作1h。
4、地鐵環控系統設計組成部分
地鐵環控系統主要由以下四部分組成：區間隧道機械通風（兼排煙）及活塞風系統，簡稱隧道通風系統；車站公共區部分（站廳、站臺、人行通道）的空調、通風（兼排煙）系統，簡稱車站大系統；車站管理用房及設備用房的空調、通風（兼排煙）系統，簡稱車站小系統；車站制冷供冷系統，簡稱車站水系統。
4.1 隧道通風系統
隧道通風系統的設備主要由分別設置在車站兩端站廳、站臺層的四臺隧道通風機、兩臺推力風機及組合式風閥等組成，其作用是通過機械送、排風或列車活塞風作用排除區間隧道內余熱余濕，保證列車和隧道內設備的正常運行，另外在每天清晨運營前半小時打開隧道風機，進行冷卻通風。既可以利用早晨外界清新的冷空氣對地鐵進行換氣和冷卻，又能檢查設備及時維修，確保事故時能投入使用；在列車由于各種原因停留在區間隧道內，而乘客不下列車時，順列車運行方向進行送—排機械通風，冷卻列車空調冷凝器等，使車內乘客仍有舒適的旅行環境；當列車發生火災時，應盡一切努力使列車運行到車站站臺范圍內，以利于人員疏散和滅火排煙。當發生火災的列車無法行駛到車站而被迫停在隧道內時，應立即啟動風機進行排煙降溫：隧道一端的隧道風機向火災地點輸送新鮮空氣，另一端的隧道通風機從隧道排煙，以引導乘客迎著氣流方向撤離事故現場，消防人員順著氣流方向進行滅火和搶救工作。
4.2 車站大系統
車站大系統主要由分設于車站兩端的兩臺站廳全新風機、四臺站臺全新風機、兩臺站廳空調新風機、兩臺站臺空調新風機、四臺站廳回/排風機、四臺站臺回/排風機、兩臺站廳組合式空調機組、四臺站臺組合式空調機組及相應的各種風閥、防火閥等設備組成，其作用是通過空調或機械通風來排除車站公共區的余熱余濕，為乘客創造一個舒適的乘車環境，并在發生火災時通過機械排風方式進行排煙，使車站內形成負壓區，新鮮空氣由外界通過人行通道或樓梯口進入車站站廳、站臺，便于乘客撤離和消防人員滅火。
在正常運行工況條件下，車站大系統有小新風空調、全新風空調、全新風通風等三種運行模式（由于篇幅有限，在此不作詳細介紹）。站廳層空調采用上送上回形式，站臺層采用上送上回與下回相結合的形式（在列車頂部設置軌頂回/排風管將列車空調冷凝器的散熱直接由回風帶走；同時在站臺下設置站臺下回/排風道，直接將列車下面的電器、剎車等發熱和塵埃用回風帶走）。
列車阻塞在區間隧道時，車站空調、通風系統按正常運行。當推力風機需運轉時，車站按全新風空調通風運行。在運行推力風機端的站臺回/排風機停止運行，使車站的冷風經推力風機送至列車阻塞的隧道內。
車站站臺（包括列車）發生火災時，除車站的站臺回/排風機運轉向地面排煙外，其它車站大系統的設備均停止運行，使站臺到站廳的上、下通道間形成一個不低于1.5m/s的向下氣流，便于乘客迎著氣流撤向站廳和地面；車站站廳發生火災時，站廳回/排風機全部啟動排煙，大系統的其它設備均停止運行，使得出、入口通道形成由地面至車站的向下氣流，便于乘客迎著氣流撤向地面。
4.3 車站小系統
車站小系統主要包括為車站的設備及管理用房服務的軸流風機、柜式、吊掛式空調機組及各種風閥，其作用是通過對各用房的溫、濕度等環境條件的控制，為管理、工作人員提供一個舒適的工作環境，為各種設備提供正常運行的環境。在火災發生時，通過機械排風方式進行排煙，有利于工作人員撤離和消防人員滅火。在氣體滅火的用房內關閉送、排風管進行密閉滅火。
4.4 車站水系統
車站水系統的作用是為車站內空調系統制造冷源并將其供給車站大、小系統，同時將熱量通過冷卻水系統送出車站。
因公園前站規模較大，故該站在廣州地鐵一號線各站中唯一采用在車站兩端分別設置制冷機房的形式，分別為兩端的空調系統提供冷源。每端采用兩臺離心式冷水機組和一臺活塞式冷水機組組合運行的模式，兩臺離心式冷水機組按大系統空調冷負荷選型，一臺活塞式冷水機組按小系統空調冷負荷選型，活塞式冷水機組既可單獨運行，也可并入大系統，與離心式冷水機組聯合運行。
在正常運行工況的空調季節，根據車站冷負荷的大小來控制離心式及活塞式冷水機組啟停的臺數；非空調季節，水系統全部停止運行。當發生區間隧道堵塞事故時，水系統按當時正常的運行工況繼續運行。當站廳層、站臺層公共區或區間隧道發生火災時，關閉作為大系統冷源的那部分水系統，只運行與小系統有關的部分；當小系統設備用房發生火災時，水系統全部停止運行。
5、存在的幾個問題
在地鐵環控系統的調試、運行中，發現存在一些問題：
5.1 全新風機與空調新風機的設置
在設備聯機調試時，出現全新風機不能與組合式空調機組同時正常串聯運行的情況，或者是全新風機運行電流超出額定值，或者是組合式空調機組運行電流超出額定值。
經分析，全新風機與組合式空調機組的單臺設計風量均大于110000m3/h，對應的風機機外余壓均大于600Pa，這樣的兩臺全新風機并聯后，再與兩臺并聯的組合式空調機組串聯運行，因為通過前后串聯的兩臺風機的流量相等而壓頭等于兩臺風機壓頭之和，所以提供給系統的壓頭將超過1000Pa，而系統送風管路的計算阻力僅為650Pa左右，勢必造成數百帕的剩余壓頭，從而使風機電流過大，電機過載保護而停機。而且一般說來，象這種兩臺并聯的設備與另兩臺并聯的設備串聯運行要比單機運行的效果為差，運行工況復雜，調節困難。在調試過程中還發現，如果關閉全新風機，僅開啟組合式空調機組，則完全能利用組合式空調機組內風機的壓頭來克服新風道的阻力，使空調機組及整個空調系統都能正常運行。另外空調新風機雖然能與組合式空調機組同時正常串聯運行，但在調試時發現，如果關閉空調新風機，而通過調節回/排風閥與新風閥的開度，也能達到設計要求。
建議取消全新風機及空調新風機，而在選擇組合式空調機組時，考慮新風道的阻力，這樣既能滿足空調通風系統運行模式的要求，又能節省環控機房的面積，使系統模式的轉換簡單，節約能源、減少投資。
5.2 回/排風機與排煙風機的設置
在車站站廳層兩端，各設置兩臺相同性能的風機分別作為站廳回/排風機，平時運行其中一臺風機排風；發生火災時，開啟兩臺風機并聯運行排煙。
但公園前車站的實際情況是，站廳層平時排風量為16.7m3/s，火災時排煙量為25m3/s。而站廳回/排風機又是主要根據站廳層平時的回/排風量來選擇的，并校核兩臺風機并聯運行能否達到排煙量的要求，由于兩臺風機并聯運行時提供給系統的總風量，小于兩臺風機單獨運行時提供的風量之和，并與空調系統的管路特性曲線有很大的關系：如果管路特性曲線平緩，則并聯后風量增加明顯；反之，則風量增加較少。這樣，選擇既能運行一臺風機滿足平時排風量的要求、又能在火災時并聯運行兩臺風機滿足排煙量要求的風機是比較困難的,實際情況是，選擇的站廳回/排風機雖然能滿足平時排風的要求，但在火災時并聯運行提供給系統風量卻大大超出所需的排煙量，造成浪費。既使能為系統匹配滿足要求的風機，也會給系統的運行操作及模式控制提出更高的要求。同時，兩臺風機并聯運行是否經濟合理，也是值得考慮的問題。常常出現這樣的情況，并聯運行時其中一臺風機處于最高效率區運行，另一臺風機則不能同時處于最高效率區運行，不利于節能。
建議采用分別設置兩臺不同的風機，一臺作為排風用，另一臺排煙用；或者設置一臺雙速風機，低速工況滿足平時排風量及風壓的要求、高速工況滿足火災時排煙量及風壓的要求；或者設置一臺變頻調速風機，既能滿足平時排風、火災排煙的要求，還能滿足將整個地鐵空調系統改為變風量系統，根據空調負荷的變化靈活運行，達到節約能源的要求。
5.3 冷水機組的選型
車站每端分別設置兩臺離心式冷水機組和一臺活塞式冷水機組，兩臺離心式冷水機組滿足大系統空調冷負荷，一臺活塞式冷水機組滿足小系統空調冷負荷。
公園前站兩端設備管理用房的冷負荷分別為120kW、485kW。因活塞式冷水機組單機制冷量為52～1060kW，負荷較小端采用活塞式冷水機組較為合理；但另一端筆者認為小系統選用螺桿式冷水機組更合理，因為螺桿式冷水機組單機制冷量為352～3870kW，而且與活塞式相比，還具有結構簡單、緊湊、重量輕，易損件少，可靠性高，維修周期長；采用滑閥裝置，制冷量可在10～100%范圍內進行無級調節，并可在無負荷條件下啟動；熱效率高；運轉平穩等優點。而采用活塞機比采用螺桿機的耗電率約大10%左右，同時活塞機的噪聲也比螺桿機大。因此建議小系統負荷較大端配置螺桿式冷水機組，但由此又會引起整個系統的制冷機種類過多（分別有離心式、活塞式及螺桿式等三種冷水機組），給系統的操作、控制及備件的儲備帶來困難。這樣須經經濟技術比較、綜合各方面情況考慮后，再確定冷水機組的型式。
6、結束語
地鐵車站的環境控制系統的設計是一個復雜的系統工程，涉及的方面還有很多，同時隨著我國地下鐵道建設的不斷進步，有關環控系統的理論模式和計算方式也不斷成熟。本文僅對廣州地鐵一號線公園前車站的環控系統設計作一簡單的介紹，并對存在的問題提出一些看法，其目的只在于拋磚引玉，希望大家對此進行深入地研究、討論，共同促進我國地鐵建設。
