南京地鐵一號線加裝安全門系統后通風空調節能運行策略

肖 波 ，毛 緯

1.南京地下鐵道有限責任公司建設分公司，江蘇 南京 210000

2.南京地下鐵道有限責任公司運營分公司，江蘇 南京 210000

1 概述

南京地鐵一號線環控系統地下車站采用閉式通風空調系統，系統運轉由環境監控自動管理系統（Bui1ding Automation System簡稱BAS）自動控制。空調系統在空調季節為全線地下車站供冷，保持地鐵車站的夏季清涼，送風機、排風機是空調系統的核心設備，采用變頻控制，它對于提高乘客舒適度、保障設備可靠運行都必不可少。

隨著一號線站臺門加裝工程的逐步完善，全線通風系統的結構產生了一定的變化，站臺與區間隧道的氣流交換方式由原來的直接連通變成了通過站臺門的通風百葉進行連接，車站的密閉性增強。如果仍然延用之前的通風工藝，勢必會造成能源的浪費。因此，在噸相關數據進行實測，整理和分析的基礎，對車站現有的 工況進行分析論證，優化系統運行參數，在滿足車站正常的舒適度的前提下 ，節能降耗。

加裝安全門前 夏天所有車站送風機均以40Hz的頻率投入運轉，排風機的頻率按照送風機頻率的80%投入運轉，基本能夠滿足車站的降溫要求；安全門加裝后，安全門格擋了大量的活塞風進入車站，由于壓強的變化，原先由出入口泄出的低溫空氣將變少；同理，當列車出站時，安全門又格擋了部分冷量流入區間隧道，出入口灌入的高溫空氣也將變小。綜上所述，由于車站熱負荷變小，送風機的送風量可以縮小，風機頻率也可以相應的降低。

2 地鐵內部熱濕負荷組成及計算方法

對地鐵通風空調系統能耗進行分析，就是要分析地鐵內部的熱濕環境及其影響因素，歸根結底就是要對其熱濕負荷的組成進行研究，并在此基礎之上加以量化，從而準確地得到系統運行能耗情況。

如前面所述，影響地鐵內部熱濕環境的因素非常多，同時就決定了其熱濕負荷組成也十分復雜。為了表述方便，首先將地鐵內部環境劃分為車站和區間隧道兩個部分。車站的熱濕負荷組成主要包括圍護結構傳熱傳濕、列車運行及其設備發熱、出入口空氣交換熱濕負荷、室外新風負荷、車站設備及照明發熱、車站人員散熱散濕等等；區間隧道的熱濕負荷組成主要包括圍護結構傳熱傳濕、列車運行及其設備發熱、峒口空氣交換熱濕負荷、隧道設備及照明發熱等。車站和區間熱濕環境通過空氣流動相互影響。以下對熱濕負荷組成的主要方面進行詳細的分析計算。

1）圍護結構傳熱傳濕

2）列車運行及其設備發熱

列車發熱量是地鐵內部的負荷的主要組成部分，資料顯示其運行發熱及冷凝器等設備發熱分別為地鐵內部的第一和第二熱源[3，6]。

3）車站人員散熱散濕

考慮地鐵內部人員的散熱量，主要就是考慮車站乘客的散熱量。與一般的建筑有所區別，車站乘客為非常駐人員。一般乘客乘車的過程是途經站廳、站臺直至進入列車車廂，平均停留時間為4min～5min，下車的過程恰好相反。在進行計算時必須對車站的客流量進行統計，即統計運營時段內各小時上車和下車的人員數，一旦客流量確定，人員的散熱量也基本確定。在通常地鐵客流量的預測中，由于多種不確定因素，一般僅對高峰期作預測，至于其它時刻的客流量，常常在高峰客流量的基礎之上乘以一個因子，即要引入一個客流系數的概念，其大小一般根據以往的統計的數據及經驗所得。

4）設備及照明散熱

對于未設置設備的區間隧道，由于其照明也相對較少，基本上可以忽略區間上的設備及照明散熱，主要考慮車站的設備及照明散熱。

而車站的設備及照明散熱一般是由用電設備產生，包括AFC自動售票機、檢票機、自動扶梯、垂直電梯、燈具、廣告牌等等。

地鐵內部設備及照明散熱與一般的建筑相同，可以在統計用電設備用電功率及使用時間的基礎之上得出。

5）新風及出入口進風負荷

為保證地鐵車站內良好的空氣品質，必須向站內送入一定的新風。根據《規范》要求，系統開始運行時，人均新風量不得少于30m3/h；系統閉式運行時，人均新風量不得少于12.6m3/h，且系統的新風量不得少于總風量的10%；空調系統開啟時，人均新風量不得少于12.6m3/h，且系統的新風量不得少于總風量的10%。

由于地鐵活塞風效應的影響，外界新風會通過乘客出入口進入車站內而與站內空氣混合，從而影響空調負荷。對非屏蔽門地鐵而言，出入口的進風量與發車對數密切相關，發車對數存在著某一臨界值，在臨界值以下，其進風量與發車對數基本呈正比關系[10]。

系統新風及出入口進風攜帶的冷負荷在空調季節均由空調系統來承擔，因此可以統一為一個計算公式：

3 安全門系統對地鐵熱環境的影響

地鐵車站安裝的安全門系統，由于其本身的結構，相當于在車站與區間隧道之間形成了一道屏障，雖然不完全封閉，但勢必會影響到車站及隧道的氣流組織，另外相當于在站臺與隧道之間增加了一導熱熱阻，勢必會對地鐵內部熱環境產生影響。由于活塞風的作用，地鐵內部空氣擾動相對劇烈，因此從定性的角度上來講，因空氣對流而對熱環境產生的影響要比導熱的影響程度大得多。而空氣流動的程度視安全門的高度而定，安全門越高，即車站與隧道間的隔絕程度就越大，空氣流動就越困難。

1）安全門對車站熱環境的影響

在空調季節，從節能的角度出發，車站一般采用小新風進風方式，即只要引入一定的新風滿足車站人員的衛生及舒適性要求即可。因此，地鐵通風空調系統在空調季節一般采用閉式運行，即區間與車站機械通風機均關閉，活塞風道、機械風道關閉，僅依靠地鐵活塞風作用從乘客出入口吸入室外空氣或者通過新風機送入一定的新風進入空調箱。對于未設置安全門系統的地鐵車站，由于活塞效應比較強，一般通過乘客出入口進入的新風就能滿足新風量要求，但與此同時，隧道中溫度相對高的空氣，特別是列車剎車進站?？侩A段產生的大量制動熱也以空氣為載體，通過活塞效應流入了站臺，導致車站溫度短時間內迅速升高，這部分熱量也成為了空調負荷影響了空調能耗。地鐵車站安裝安全門系統以后，車站與隧道直接連通的面積減?。ㄆ涿娣e大小由安全門的結構形式決定），因活塞效應進入站臺的高溫空氣量同時減小，空調負荷降低，車站熱環境受到的影響程度也降低。

在過渡季節，由于室外溫度相對較低，無須開啟空調系統，地鐵內部產生的余熱余濕可以通過引入室外新風加以消除。對于未設置安全門系統的地鐵車站，可以充分利用活塞效應而從出入口進入的新風冷卻車站，如果新風不足，一般開啟局部的送排風機即可滿足車站熱環境要求。而當地鐵車站設置了安全門系統后，車站的活塞風效應被削弱，通過出入口進入車站的新風量減少，地鐵內部的余熱余濕可能得不到及時的消除，而使室內熱環境惡化，因此為了滿足熱環境要求，必須開啟更多的回排風機或者延長風機工作時間，同時這也增加了通風系統的能耗。

2）安全門對隧道熱環境的影響

4 通風空調系統能耗分析

為了得到安全門系統對地鐵通風空調能耗的影響情況，需對地鐵通風空調系統的運行參數和能耗作一詳細的測試分析， 包括有無安全門系統下的能耗，在此基礎之上進行對比，從而分析出規律，得出結論。

4.1 理論計算

4.1.1 相關條件設定

為了便于計算，特對車站的參數進行如下設定：

1）列車進站平均時間為15S，列車出站平均時間為10S，且列車出站時風速約占列車進站時風速的60%，根據上述設定可以得出列車出站風量（U出）占進站風量（U進）的40%， 即U出=U進*40%；

2）通過出入口泄壓、引流的氣流總量為列車進出站時帶進、帶出車站氣流的70%，

U泄=U進*70%

U引=U出*70%

3）根據南京地鐵設計文件標準，夏季室外干球計算溫度（T外）取32℃，車站溫度（T車）控制在29℃，隧道內平均溫度（T隧）取30℃，空調口出風溫度（T空）取20℃；

4）由于車站采用水冷式空調并經過相關處理，可以近似認為車站的相對濕度和隧道內的相對濕度相等；

5）經過測量，南京地鐵一號線站臺全長（L）144m，站臺高度（H）為2.5m。

4.2 相關數據測量

有無站臺們都將站臺兩端和站臺中央作為3處測量點，利用風速儀的平均測量功能，得到該測量點的平均風速。最終將3處測量的平均值作為整個站臺的平均風速，

4.2.1 無安全門列車進站時站臺側邊的風量測算

次數位置 第一次測量 第二次測量 第三次測量站臺頭部 0.6m/s 0.5m/s 0.5m/s

V臺=2.1m/s

4.2.2 有安全門列車進站時經百葉的風量測算

V臺'≈0.8m/s

4.3 數據計算

4.3.1 風量計算

無安全門情況下，整個車站站臺區相當于氣流通道，站臺長144m，高2.5m，在列車平均進站時間內，注入車站的活塞風量U可以做如下近似計算：

U=L*H *V臺*t=144m*2.5m*2.1m/s*15s=11340m3

有安全門情況下，安全門體百葉部分的面積約占整個站臺側面積的1/2，按百業通風率60%計算，通風過流面積 占整個站臺面積的 30%?？紤]到站臺門接縫及站臺門頂端處漏風現象， 漏風率λ取值15%，在列車平均進站時間內，給車站注入的活塞風量U′可以做如下近似計算：

U'=L*H *13/40*V 臺 '*t/（1-λ）=（144m*2.5m*30%*2.1m/s*15s）/85%=4002m3

經過上述計算可知，由于安全門的存在，格擋了大量的活塞風，風量減少ΔU=U-U'=11340m3-4002m3=7338m3。

4.3.2 能量與風量折算

1）進站時，站臺門格擋的風量與風機送風量的計算

列車進站時，被格擋掉的風原先是要消耗車站內的冷量才能從隧道內的30℃降為車站設定的29℃的，但是現在這些風被擠入區間隧道，就不會消耗車站的冷量，所以送風機減少送出的冷量近似等于被格擋風量降溫所消耗的能量。故送風機在一次進站過程中需要少送出氣體的體積U風1，

ΔU/U風1=（T車-T空）/（T隧-T車）

代入數值7338m3/U風1=（29℃-20℃）/（30℃-29℃）

得U風1=815m3

2）出站時，站臺門格擋的風量與風機送風量的計算

如前所述，列車出站時的總風量是進站總風量的40%，也即送風機送風體積也是進站時的40%，

∵U出=U進*40%

U出/U進= U2/U1

∴U風2=U風1*40%=815m3*40%=326m3

3）出站時，出入口引流風量與風機送風量的計算

列車出站時，從出入口少灌入車站的風 要消耗車站內的冷量才能從32℃降為車站設定的29℃的，現在引流風量減少，送風機可以減少送出的冷量近似等于引流風量降溫所需耗能。對送風機減少的風量U風3，進行如下計算：

∵U引=U出*70%

∴ΔU引=（ΔU *40%）*70%

又 ∵ v1/ v2 =Δt2/Δt1

∴ΔU引/U風3=（T車-T空）/（T外-T車）

代入ΔU引后得：

（ΔU*60%*2/3*70%）/U風3=（T車-T空）/（T外-T車）

2030m3/U風3=（29℃-20℃）/（32℃-29℃）

U風3=676m3

4）出站時，出入口泄壓風量與風機送風量的計算

列車出站時出入口引流風量是列車進站時出入口泄壓風量的40%，也即送風機送風體積也是進站時的40%，

∵U進/U出= U引/U泄= U風3/U風4

∴U引=U泄*40%

U風4=U風3/40%=676m3/40%=1690m3

一號線目前的行車間隔是4分鐘，也就意味著平均每2分鐘就會有一班上行或下行的地鐵列車進站，則每小時列車進站次數M=60/2=30，綜上所述，則風機在一個小時內，可以減少送風量U總為：

4 數值分析

南京地鐵一號線典型地下車站均設4臺送風機、4臺排風機，風機功率均為37KW(送風量約100000m3/h)。

經過上述計算，可見對于列車進站而言，由于站臺門的存在，格擋了大量的活塞風（ΔU）：

ΔU=U-U'=11340m3-4095m3=7245m3

其格擋率η=ΔU/ U*100%=7245m3/11340m3*100%≈64%可見其在節能方面是效果是很顯著的。

因電源頻率（F）、風機轉速（N）、風機風量（U）均成一次關系，同時車站共有4臺送風機，折算每臺風機可以減少的風量為U總的1/4，也就是26198m3，依照典型地下站進行計算，遂得

∵ F/F′=U/U′

∴F50/ΔF=U額/ΔU

50Hz/ΔF=100000m3/26198m3

即ΔF=13Hz

綜上所述，根據理論計算，由于站臺門的原因，可以將現有的風機頻率下調13Hz，但是出于對舒適度的考慮，應保留部分送風的余量，故令：

ΔF≈10Hz

經過優化后，可以將送風機頻率上限設定為30Hz、排風機仍按照送風機頻率的80%投入運行，以滿足運營需要。

5 自動化控制修改策略

為了讓車站在夏季既能維持一個清涼的環境又能達到節能的目標，BAS系統需要對送、排風機進行智能的調節以適應車站具體的環境變化，其具體的控制過程由三個部分組成，分別是開機初始階段運行過程、線性下降運行過程和智能調節運行過程。如前所述，排風機的運行頻率是送風機的80%，故下述討論均以送風機為例，排風機的頻率直接按照關系比例產生輸出。通過之前的結論，我們需要將送風機的頻率上限下調10Hz，即讓送風機運行在[20Hz，30Hz]區間范圍內。但是一號線不同的車站有不同的結構，而且通風系統的構造也不盡相同，由此我們可以將這些不同抽象出來，在程序中增設一個頻率修正因子γ來體現。在產生輸出時，直接將γ值與PID輸出頻率值相加得到最終的輸出頻率。可見，此次修改的難點在于如何確定修正因子γ的取值。下面對程序修改的各因素、各過程進行具體的分析，以建立BAS程序中通風系統的軟件模型，并給出最終控制方案。

5.1 送風機運行頻率相關參數設定

根據行業相關標準，南京地鐵一號線車站夏季控制溫度為29℃，那么我們需要根據實時的溫度情況對風機的頻率進行相關控制。為此，要根據新需要在程序中要重新設立PID控制模塊的相關參數，需要修正的參數設定如下：

1）頻率上限設定

根據分析，送風機的頻率上限應設定為30Hz，下限應設定為20Hz，這樣在根據車站溫度進行PID智能調節時，能保證風機的輸出頻率在無修正的情況下，可以在[20Hz，30Hz]區間范圍內進行實時的調節，以達到智能的控制。

2）PID控制模塊的各參量設定

程序中需要對PID模塊的比例參量P、積分參量I和微分參量D進行設置。其中比例參量起信號比例放大作用，積分參量控制時間積累效應，微分參量主要起阻止偏差變化的作用。對于南京地鐵一號線通風系統的控制，我們只需要考慮比例參量和積分參量即可。由于車站公共區的面積較大，總體的熱容也較大，所以車站每升高或降低1℃所需要的時間就比較長，所以從這個角度考慮，我們要縮減時間效應對風機頻率的影響，換言之也就是要增大積分參量的取值，讓其控制相對“滯緩”。根據經驗值和模擬驗證。

3）控制溫度點和死區的設定

程序中設立的PID模塊需要根據車站的具體溫度進行控制，為了防止輸出頻率的頻繁震蕩，需要在程序中設立一定的死區范圍，在死區范圍內，維持現有的頻率進行運轉，不再進行調節。車站溫度控制標準為29℃，在控制上，可以定義±1℃的死區范圍，讓車站溫度能夠穩定在[27℃，29℃]，即當車站溫度從低溫上升至29℃時，增大風機的頻率，直到控制上限；當溫度從高溫降至27℃時，減小風機的頻率，直到控制下限。綜上，程序中的控制溫度點應該設置為28℃，死區為±1℃，以滿足溫度控制區間要求。

5.2 風機開機初始階段運行過程

當車站每天剛開站的時候，首先為了能夠迅速地將車站溫度降下來，起初需要用大風量給車站送風，以南京地鐵一號線典型地下車站為例，將頻率基準點設定為風機正常調節的中間點25Hz，將修正因子的初始基準值設定為10。根據不同的車站特點，可以對γ值進行二次修正，修正的原則如下：

1）對于側式站臺，γ修正-1；

2）對于車站面積較小，γ修正-2；

3）對于車站面積較大，γ酌情修正1-2；

4）對于重點客流大站，γ酌情修正2-5；

5）對于換乘站，γ修正1；

6）站廳站臺合一，γ修正2；

7）對于同一車站，γ的二次修正值在初始基準值基礎上進行矢量疊加，γ上限不超過15，下限不低于5。

那么如何確定運行時間T、初始頻率F和修正因子γ的二次修正值呢，下面根據不同車站給出不同的取值：

參數車站運轉時間T（min）初始頻率F（Hz）修正因子γ二次修正 取值原因奧體中心 40 37 12 站廳站臺合一元通 25 33 8 換乘站、車站面積較小、側式站臺中勝 25 32 7 車站面積較小、側式站臺三山街 30 37 12 客流較大張府園 30 35 10 典型車站新街口 60 40 15 換乘站、客流大、車站面積大珠江路 30 35 10 典型車站鼓樓 45 37 12 車站面積大，三層玄武門 35 35 10 典型車站新模范馬路 35 35 10 典型車站南京站 45 40 15 客流大，車站面積較小

5.3 風機線性下降階段運行過程

當完成了風機開機初始階段運行過程后，自動轉入線性下降階段運行過程，需要將風機的頻率緩慢地從高頻降低至基準頻率25Hz，這個時候就要按照時間逐步對功率修正因子γ進行線性修正了。把修正因子γ看成是風機在本階段運行時間T1的一次函數，令γ=N-1/K *T1，其中N為上一階段γ的初始值，對于某一車站而言為定值；K為比例系數，即每K分鐘降低1Hz的頻率，典型車站K的取值為5，其修正原則與上述γ初始值的二次修正原則相同，不再贅述，下面給出各車站的K取值：

參數車站 比例系數K 取值原因奧體中心 7 站廳站臺合一元通 6 換乘站、車站面積較小、側式站臺

中勝 4 車站面積較小、側式站臺三山街 7 客流較大張府園 5 典型車站新街口 10 換乘站、客流大、車站面積大珠江路 5 典型車站鼓樓 7 車站面積大，三層玄武門 5 典型車站新模范馬路 5 典型車站南京站 7 客流大，車站面積較小

綜上設備在以初始頻率運行T分鐘后，頻率線性下降，最終達到基準頻率25Hz。當γ＜0時，表示風機頻率已經降低至基準頻率，也就意味著該階段運行結束。

5.4 風機智能調節運行過程

在該運行過程中，風機的運行頻率由PID智能調節模塊來計算，并保持在[20Hz，30Hz]范圍內，以達到節能的效果，由于該項技術較為成熟，且都為模塊化控制，故此不在贅述。

考慮此項目為今年第一次測試，應該在程序中設定一個測試偏移量α，α的取值為[-5，10]，在頻率輸出時疊加α，即讓風機運行的頻率范圍變成[20Hz+α，30Hz+α]。在進行測試時，如果車站溫度過高時可以增加α的值以獲得更高的送風量；相反，可以適當的減小α的值，直到得出每一個車站的最優頻率值。

6 項目經濟效益

該項目可以更加合理的安排車站通風系統的設備運轉，在滿足車站降溫的前提下，達到節能降耗的效果；每年節能的費用 如下表所示：

車站 設備功率 設備臺數 節電量（萬千瓦時）奧體中心 37kW 8臺 11元通 37kW 8臺 11中勝 37kW 8臺 11三山街 37kW 8臺 11張府園 37kW 8臺 11新街口 55kW 11臺 2837kW 3臺 11珠江路 37kW 8臺 11鼓樓 55kW 8臺 17玄武門 37kW 8臺 11新模范馬路 37kW 8臺 11南京站 55kW 8臺 17

根據上述計算數據可得每年空調季節可以節約用電總和為：

11*8+28+16.85*2=150萬度

按0.51元/度的價格，每年空調季可以節省電費約76.5萬元。

[1]趙榮義，范存養，薛殿華，錢以明[M].空氣調節.北京：中國建筑工業出版社，1994.

[2]機電部第十設計研究院.空氣調節設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1986.

[3]孫一堅，等.工業通風[M].北京：中國建筑工業出版社，1985.

[4]何川，郭立君.泵與風機[M].北京：中國電力出版社，2004.