城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究與應(yīng)用

張世勇，張國(guó)華

0 引言

城市軌道交通（地鐵）憑借著快速、高效、載客量大的特點(diǎn)，已成為各大城市緩解交通壓力的重要手段。截止目前，國(guó)內(nèi)一、二線(xiàn)等城市都在大規(guī)模的修建地鐵，然而，其運(yùn)行后的巨大能耗引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，“節(jié)能”已成為人們最為迫切的愿望。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵運(yùn)行中的重要設(shè)備系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著對(duì)地下空間的空氣溫度、濕度、空氣流速和空氣品質(zhì)進(jìn)行控制的任務(wù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗約為地下線(xiàn)能耗的30%以上，僅次于車(chē)輛牽引用電能耗，節(jié)能潛力巨大。

本文重點(diǎn)對(duì)既有地下車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以尋求節(jié)能方法，進(jìn)而為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能測(cè)試

1.1 測(cè)試方案

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要是指對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)空間的空氣溫度、濕度、空氣流速和空氣品質(zhì)進(jìn)行控制的系統(tǒng)，其控制手段主要通過(guò)風(fēng)的流動(dòng)完成。因此，選擇地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

為了達(dá)到測(cè)試數(shù)據(jù)的精確度，通常采用集成閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（閉式是指地鐵內(nèi)部與外部空氣隔絕），即地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)的送、排風(fēng)機(jī)兼任區(qū)間隧道事故風(fēng)機(jī)，送風(fēng)道內(nèi)設(shè)置可電動(dòng)開(kāi)啟型表冷器和空氣過(guò)濾器，送、排風(fēng)機(jī)均為20#可逆轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)，并設(shè)置了變頻調(diào)速裝置。

（1）耗電量測(cè)試。耗電量測(cè)試通過(guò)加裝智能型電表實(shí)現(xiàn)。在車(chē)站送、排風(fēng)機(jī)的變頻控制柜內(nèi)加裝PM1200型電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表，對(duì)其運(yùn)行的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可以上傳電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)。

（2）車(chē)站公共區(qū)環(huán)境溫濕度測(cè)試。車(chē)站公共區(qū)環(huán)境溫濕度測(cè)試通過(guò)加裝溫濕度自記儀實(shí)現(xiàn)，在送、排風(fēng)道、車(chē)站公共區(qū)共安裝了10臺(tái)RR002型溫濕度記錄儀，記錄的溫濕度數(shù)值可定期通過(guò)USB接口導(dǎo)出，并可與BAS系統(tǒng)記錄的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。

1.2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式

地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一般按既定的運(yùn)行時(shí)間表自動(dòng)執(zhí)行，運(yùn)行模式一般分為空調(diào)小新風(fēng)、空調(diào)全新風(fēng)、過(guò)渡季通風(fēng)和冬季通風(fēng)等，分別對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、表冷器、冷水系統(tǒng)等設(shè)備的開(kāi)閉組合，送、排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率為設(shè)定頻率。設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式如表1所示。

表1 地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行典型模式表

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)描述

（1）耗電量測(cè)試結(jié)果。測(cè)試是在1月份某天夜間地鐵停運(yùn)后開(kāi)始的，根據(jù)測(cè)試方案，通過(guò)BAS系統(tǒng)分別按不同運(yùn)行模式開(kāi)啟風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、表冷器，并使風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行頻率下工作，得到各模式下、各頻率下的風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率數(shù)據(jù)；并增加2種模式作為對(duì)比方案，分別是送風(fēng)機(jī)送風(fēng)、出入口自然排風(fēng)和排風(fēng)機(jī)排風(fēng)、出入口自然進(jìn)風(fēng)，同時(shí)也調(diào)整風(fēng)機(jī)在不同頻率下工作進(jìn)行耗電量測(cè)試。鑒于篇幅，以下僅列出30 Hz下各模式風(fēng)機(jī)的功率測(cè)試數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)功率測(cè)試數(shù)據(jù)表

（2）溫濕度測(cè)試結(jié)果。測(cè)試車(chē)站公共區(qū)站臺(tái)層和站廳層的冬季某日溫度曲線(xiàn)如圖1、圖2所示，由于測(cè)試是在冬季進(jìn)行的，待其他季節(jié)再進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試和分析。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1 耗電量測(cè)試數(shù)據(jù)分析

從表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)后，有較好的節(jié)能效果。但對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，相同運(yùn)行頻率、不同運(yùn)行模式下的實(shí)際運(yùn)行功率有所差別，主要是因?yàn)楣苈诽匦郧€(xiàn)變化引起風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)發(fā)生變化，變化的幅度一定程度上能夠反映當(dāng)時(shí)實(shí)際產(chǎn)生風(fēng)量的差異。

全新風(fēng)（通風(fēng)）模式和全新風(fēng)（空調(diào)）模式的區(qū)別僅在于表冷器的開(kāi)啟與關(guān)閉，全新風(fēng)（通風(fēng)）模式下，門(mén)式表冷器處于開(kāi)啟狀態(tài)，風(fēng)機(jī)無(wú)需克服表冷器的阻力，表現(xiàn)在測(cè)試數(shù)據(jù)上，則是送風(fēng)機(jī)的功率下降了1.1 kW，約為4.5%，節(jié)省了運(yùn)行能耗。

對(duì)比全新風(fēng)（通風(fēng)）模式、送風(fēng)（單送，通風(fēng)）和排風(fēng)（單排，通風(fēng)）模式的測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其送、排風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率有所區(qū)別，但區(qū)別很小，考慮到其中的記錄誤差，可以認(rèn)為由于出入口的面積較大，公共區(qū)采用機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的方式，與采用機(jī)械排風(fēng)、出入口自然進(jìn)風(fēng)或者機(jī)械送風(fēng)、出入口自然排風(fēng) 2種方式產(chǎn)生的實(shí)際通風(fēng)量差別不大，所以，采用后2種單排、單送的方式替代送、排的方式是很好的節(jié)能選擇，而由于排風(fēng)機(jī)的功率比送風(fēng)機(jī)的功率有較大幅度的下降，所以，機(jī)械排風(fēng)、出入口自然進(jìn)風(fēng)的方式是最為節(jié)能的方式。

2.2 溫濕度測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖1、圖2可以看出，地鐵車(chē)站早、晚高峰特點(diǎn)較為明顯，尤以早高峰溫度上升較為明顯。但是，由于現(xiàn)階段冬季日間通風(fēng)時(shí)間為 10：00～18：00，故在日間平峰時(shí)段內(nèi)，站廳溫度受到機(jī)械通風(fēng)及列車(chē)活塞風(fēng)效應(yīng)的影響較大，室外低溫空氣的引入會(huì)造成站廳溫度偏低的情況，日間局部時(shí)段出現(xiàn)接近5℃的低溫。而該時(shí)段站臺(tái)因有一定的人員發(fā)熱及列車(chē)等設(shè)備發(fā)熱，受到室外低溫空氣的影響較小，日間站臺(tái)溫度基本維持在12～14℃。

圖1 站臺(tái)層全日溫濕度曲線(xiàn)圖

圖2 站廳層溫濕度曲線(xiàn)圖

2.3 節(jié)能分析

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)實(shí)際采用的機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的方式，機(jī)械排風(fēng)、出入口自然進(jìn)風(fēng)方式節(jié)能幅度達(dá)到60%，但其缺點(diǎn)是室外空氣不經(jīng)過(guò)濾直接進(jìn)入地鐵，會(huì)帶進(jìn)一部分灰塵，如果擔(dān)心灰塵問(wèn)題，可采用機(jī)械送風(fēng)、自然排風(fēng)的方式，也能收到40%左右的節(jié)能率。

對(duì)于冬季，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示站廳、站臺(tái)溫度差距較大，說(shuō)明列車(chē)運(yùn)行活塞風(fēng)對(duì)站廳的影響較大且站廳層的發(fā)熱量較小，采用機(jī)械送風(fēng)、自然排風(fēng)的方式能夠在一定程度上抵消活塞風(fēng)引入的室外空氣，站臺(tái)層的熱量也會(huì)進(jìn)入站廳層，對(duì)縮小差距有很大幫助。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間上，早高峰和晚高峰進(jìn)行通風(fēng)較好，其他時(shí)段則應(yīng)采用閉式運(yùn)行方式，每日運(yùn)行時(shí)間縮短4 h，可節(jié)省50%的運(yùn)行能耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)試分析，得出結(jié)論，采用機(jī)械排風(fēng)配合自然進(jìn)出風(fēng)的技術(shù)創(chuàng)新和合理調(diào)節(jié)風(fēng)系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)段，其節(jié)能的效果可以到達(dá)預(yù)期效果。

因此，依據(jù)實(shí)際人員流動(dòng)和季節(jié)溫度變化的特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，調(diào)整現(xiàn)有地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)布局，挖掘現(xiàn)有設(shè)備節(jié)能潛力，有著十分現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。同時(shí)，也可以有效地降低大規(guī)模改造帶來(lái)的成本壓力，為新地鐵線(xiàn)設(shè)計(jì)和建設(shè)提供幫助。