無錫地鐵通風空調系統節能優化的探索

王斌 李小坤

無錫地鐵通風空調系統節能優化的探索

王斌1李小坤2

(1.無錫地鐵集團有限公司江蘇無錫214023;2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430000)

通風空調系統作為地鐵運營系統的重要組成部分和用電大戶，消耗的能源費用約占軌道交通總能耗的1/3，空調系統的節能富有潛力且意義重大。從方案設計、工程實施、運營管理等三個方面出發，結合無錫地鐵1、2號線工程特點及空調能耗測試結果，綜合探索空調方案配置、控制策略、系統實施等對節能的影響，并重點分析小系統多聯機空調形式的優點，設備發熱量與設備選型配置的關系、模式轉化及控制選擇，提出只有在明確運營需求、結合運營管理模式的前提下綜合考慮空調系統建設，才能真正發揮空調系統的最大價值。

地鐵;通風空調;節能優化;設備運行模式

1 研究背景

軌道交通系統是耗電量巨大、運行成本很高的行業，其用電量約占運營總成本的40%～48%［1］。如何建設節能的系統成為系統規劃設計與建設管理中的一個重要研究課題，也是行業發展的方向和追求的目標。通風空調系統作為地鐵運營系統的重要組成部分和用電大戶，消耗的能源約占軌道交通總能耗的1/3［2］，對節能降耗有積極的影響，而其系統特點決定在設計、建設、運營等環節都大有降耗潛力。筆者以無錫地鐵為例，分析上述幾個環節在節能降耗方面的問題。

2 系統設計

設計方案為工程源頭，設計優劣從根本上決定了系統的能耗水平。當前地鐵通風空調系統的設計相對較為成熟，當采用屏蔽門制式時，隧道通風一般采用雙活塞系統，車站軌行區設置排熱風系統，公共區采用全空氣一次回風系統，設備區采用全空氣或多聯機空調系統，空調水系統采用一次泵變流量系統，以及機械通風、冗余空調系統等［3］。無錫地鐵空調系統的設計在結合傳統方案的同時，為節能進行優化創新，但也存在不足之處。

2.1 小系統的形式

小系統較為普遍的做法是采用全空氣一次回風系統，在無錫地鐵1、2號線的車站及管理用房中創新采用了多聯機+新風+通風系統形式，原理如圖1所示。

圖1 多聯機+新風+通風系統典型原理

該形式空調季節房間冷負荷由多聯機系統承擔，人員新風量由小新風處理機提供;過渡季節由設置的機械送排風系統通風運行消除余熱［4］。其主要優點有:

1)與大系統冷源獨立，使水系統運行模式簡單，部分負荷可提高機組運行能效;

2)系統為直接蒸發式，冷媒載冷能力比空氣強，減小了送、回風管的尺寸，且可縮小冷水機房、環控機房的土建規模;

3)多聯機系統可根據空調負荷的變化，使設備始終穩定、高效地運行;

4)多聯機系統控制靈活，可按需開啟及關閉，避免不必要的能源浪費［5］。

無錫市屬北亞熱帶濕潤區，四季分明，氣候溫和，雨水充沛，日照充足，無霜期長，夏季空調主要集中在7—9月，冬季制熱主要集中在12月及次年1—3月，多聯機空調以其使用管理靈活、兼顧制冷制熱、安裝調試方便等特點在無錫以及華東地區有著廣泛的應用基礎。

2.2 設備發熱量

設備房間內設備發熱量的大小在一定程度上決定了空調系統的管路規模、設備選型，且為了確保系統安全，設計需按遠期發熱量峰值計算冷負荷［6］，但在實際運營過程中，可以明顯感覺到設備房間內空調系統制冷能力過于富裕。當前設備發熱量估算的普遍做法較為保守，導致空調設備配置冗余過大，增加投資的同時也帶來了運營能耗增加。對此，無錫在地鐵新線建設中對設備發熱量大小進行了核實優化，典型房間優化前后的發熱量對比見表1。

表1 典型房間設備發熱量優化前后對比kW

設備發熱量的計算有較大的優化空間，作為空調系統負荷設計的源頭，發熱量的減少可直接帶來管路系統、設備容量、運行能耗的減少，間接地減小了土建規模，并使配電、控制設備的容量降低。

另外，在實際運營過程中，小系統的冷負荷也并非穩態，其變化主要受以下因素影響:

1)初、近、遠期不同行車規模所需設備出力不同，發熱量也不同;

2)同一天運營時間段和非運營時間段內設備發熱量不同;

3)維持發熱量峰值的時間較短，大部分時間遠低于峰值負荷。

針對上述特點，應通過系統形式優化或運營模式調整以節能降耗。例如，整流變電室、直流室等高負荷強電房間，在列車停運時段，其設備發熱量僅為運營時段的25%左右，夜晚室外溫度較低，采用全通風模式即可消除室內余熱［6］。對于重要弱電設備房間設置有備用冷源保證時，夜晚可完全停運冷水機組，大大節約水系統的輸送能耗和設備功耗。鑒于小系統負荷的時變特點，當采用定風量的做法無法達到實時按需調節設備出力的目的時，也可考慮采用變風量系統等有效節能措施［7］。

2.3 管道系統優化設計

管道系統的設計優劣決定了管網阻力大小，為克服阻力所選的風機等設備，其全壓與設備功率成正比，也直接決定了輸送能耗。管網阻力主要為沿程阻力和局部阻力，房間布局、管道附件設置、管線布置等方面的優化均可有效減少管網阻力。

1)設備及管理用房的空調應盡量根據需求特點模塊化布置，優化空調系統劃分方案，使管路短、簡、直，從根本上減少管路的復雜程度，降低管道阻力;

2)風管系統中必要的防火閥、電動風閥、手動調節閥等是局部阻力的主要貢獻者。以防火閥為例，各地對規范的理解及做法不同，設置標準也不一致，在滿足工藝要求和規范要求的前提下，宜盡量少設。

3)管路系統中盡量減少風箱、土建風室的使用，風機出入口應有一定的直管段長度，對于氣流偏轉角較大的應設置導流措施等減少局部阻力，以減少設備運行能耗。

4)對于公共區回排風兼排煙系統也可進行優化。若按排煙需要，需設置多個風口并均勻布置，管路較長，而在正常通風情況下，回排風口對于氣流組織的影響較小，因此，可以在當前的排風兼排煙風口的做法上進行改進，近端增設集中排風口，平時常開，排煙時關閉。集中排風或回風，可有效減少沿程阻力和局部阻力，從而減少風機運行功率。

2.4 設備配置優化

地鐵為百年工程，考慮到系統擴容困難，通風空調系統設計及負荷一般按遠期夏季晚高峰運營條件計算，設備配置也按滿足遠期需求設計，近期負荷較小時，依靠空調設備臺數控制或采取變頻措施以適應低負荷狀態［8］。在實際使用中，由于受自控系統的完善性及運營管理水平的制約，運行模式不合理、設備運行無秩序所造成的“大馬拉小車”、設備效率低下等能源浪費情況較為普遍。根據無錫地鐵1、2號線的運行情況，最熱月冷水機組開啟一臺即可滿足供冷需求，處于最低負荷運行的時間占比很大，風機、水泵頻率即使在最低允許設定值的情況下，依然存在富余。在有條件擴容及受使用壽命限制的設備，按照近期需要配置，如冷水機組，其使用壽命約20年，近期配置容量減少，可節省初期投資，且負載率提高也有利于運行效率的提高，減少運行能耗［9］。

另外，在各系統專業設備的空調負荷計算、設備選型等環節中，各專業設計人員出于安全考慮，每個環節中都保守地考慮了一定的安全系數，最后廠家進行產品匹配時，也往往“只許大不許小”，導致設備容量被層層擴大，超出實際需求，造成資源的浪費。

2.5 控制模式

當前無錫地鐵1、2號線大系統正常運營時，主要有表2所示幾種運行模式。

表2 無錫地鐵車站大系統主要運行模式

風機能耗的高低取決于功率和運行時間，因此在開始時間、開啟送風機或排風機的選擇上也有優化條件。以模式Ⅱ、Ⅱ'為例，主要區別為是否開啟回排風機，前者為平衡通風，理論上通風能力較強，后者為只送不排，靠出入口等正壓排風。因排風口對氣流組織的影響較小，地鐵出入口面積較大，利用室內正壓從出入口排風所受阻力也相對較小，根據現場測試情況，完全可滿足通風需要:因此，宜盡量不開排風機或減少回排風機的開啟時間。以模式Ⅲ'為例，送風機一般為組合式空調器，同等風量下，組合式空調器的功率高出回排風機1/3，采用“只排不送”比“只送不排”模式可有效降低單位運行能耗。另外，由于屏蔽門漏風量以及出入口布置特點導致的穿堂風效應，使帶入車站的新風量遠遠大于公共區最小新風量的需求，應允許關閉機械送排風設備，利用自然通風滿足某些時段的需要［10］。

以某典型車站為例，集中通風模式風機總功率對比如圖2所示。

圖2 某車站各模式下風機總功率對比

因此，對于通風模式可增加表3所示模式，并宜優先考慮。

表3 無錫地鐵通風工況優化方案

2.6 空調與通風工況的轉換

從經濟性方面考慮，啟動冷機的條件是:啟動冷機后的總耗電量小于不啟用冷機時的通風耗電量。冷機啟動后，系統能耗為風機能耗、冷機能耗、水泵能耗、冷卻塔能耗之和，不啟動冷機時，系統的能耗全部為風機能耗。根據常識判斷，冷機啟停臨界點附近，應該在過渡季，此時室外溫度低于室內設定溫度，隨著送風溫度的降低，風機功率下降很快，而冷機功率則逐漸上升［11］。因此總能耗曲線存在一個極小值，其變化關系如圖3所示。

圖3 典型車站風機與冷機能耗關系

當外溫高于臨界外溫時，啟動冷機是經濟的，否則純通風方式運行是經濟的。從圖3曲線可以看出，臨界溫度范圍在21～26℃。實際運行時，可在此范圍內適當設定［12］。

3 工程施工

通風空調系統實際運行的好壞與后期安裝和調試是否到位關系緊密。目前管道管路安裝、保溫施工、風量調試、設備聯動控制等方面，普遍存在著眾多問題。

3.1 管路施工

風管、水管等管路宜平直順暢，尤其是主干管，盡量減少彎頭等局部阻力大的管件，必須使用時應設置導流措施或弧形彎等。但在施工過程中，風管隨意變高變低、未設彎頭導流片、用直管斜接代替弧形乙字彎、靜壓箱漸擴接管改為平直接、風管進出口被其他管線阻擋等現象屢見不鮮，導致管道阻力大大增加、風機偏離額定工況點、風量得不到保證、運行能耗增加等。

另外，從施工單位最后測試的風量來看，大部分都低于設計風量，有的甚至少了一半風量，除了風機設備運行工況點偏離的因素外，最重要的就是風管連接不嚴密導致漏風量嚴重，冷量白白浪費。

3.2 保溫施工

在地鐵通風系統中，一般采用鐵皮風管外包保溫材料的做法，受限于地鐵安裝空間狹小及材料防火等級要求高的因素，保溫材料脫落、斷層、破損、受潮等情況也比較常見，尤其是當保溫層不連續時，可能導致風管結露，使保溫層含水量提高，久而久之導致保溫失效，造成冷量巨大浪費。有條件時，可以考慮用復合風管替代鐵皮風管外包保溫的傳統做法。

3.3 運行調試

末端風口的風量不均衡時可能導致整個系統的失效，尤其是小系統，個別房間沒風或風量達不到要求時，將無法滿足消除房間余熱的要求，存在運營安全隱患。如無錫某車站在過渡季節應執行通風模式，以利節能，但通風系統運行后，部分房間風口無風，導致機房溫度持續上升，在未調試到位前，不得不開啟多聯機系統制冷。另外，空調系統中存在大量聯動模式及聯動設備，設備聯動正常與否也關系著系統安全或能耗情況，如某車站與冷水機組聯動開關的電動蝶閥在執行開啟一臺的模式時，另外一臺機組的電動蝶閥未關閉，導致出現旁通現象，使供水溫度升高。

在趕工期的壓力下，施工及調試過程可能會被壓縮或忽略，但所帶來的弊端將伴隨整個地鐵通風空調系統的生命周期，且難以整改，必須引起足夠的重視，規范化施工，必要時采用新工藝、新材料確保質量。

4 運營管理

運行模式的選擇、設備運行狀態的控制、設備的維護保養等也是影響系統能耗的主要方面。

完善的自動節能控制系統對空調系統運行秩序的作用非常重要，因空調風和水聯動控制是非穩態、多變量、相互耦合制約的過程，一般的BAS(環境與設備監控系統)難以做到設備的實時狀態調節控制，機械的時間表控制不利于合理選擇運行模式，從而無法確保設備在最有效的狀態下運行。根據調研，完善的節能控制系統有助于節能25%左右。因此，有必要引入節能控制系統，用先進有效的控制策略替代傳統的時間表控制策略［13］。

另外，運營管理人員應關注運行記錄，總結運營經驗，對設計建議值敢于提出更為適宜的修改，如:在通風與空調的轉換溫度設定、運行模式選擇等方面，必須根據實際運行經驗不斷優化調整，才能做到更為合理化、人性化。

此外，還應重視冷凍水、冷卻水的水質，抓好水處理工作，經常檢查、督促水處理公司，保證蒸發器、冷凝器內不結垢、無污物，以免影響熱交換效果，增加冷機耗電量。設備定期清理維護，可保證設備處于最佳狀態，延續壽命的同時帶來運行能耗的降低。

5 結語

綜上所述，地鐵通風空調系統的節能應站在使用者角度進行節能，從設計階段開始就綜合考慮運營管理方的組織架構及管理方式，一套空調系統的節能與否，設計建設是關鍵，維護使用同樣重要，只有將兩者一并統籌考慮，才能真正發揮空調系統的最大價值。

［1］鄒娜.空調一次泵水系統變流量節能分析［D］.南京:南京理工大學，2005.

［2］余龍清.地鐵環控系統變頻節能研究［D］.天津:天津大學，2012.

［3］康國青.站臺屏蔽門對地鐵車站環境影響的研究［D］.北京:北京工業大學，2009.

［4］吳則林.變頻多聯機系統(VRV)在地鐵中的節能應用［J］.中國科技博覽，2012(31):155-156.

［5］杜海存，涂傳毅，高國珍.數碼渦旋與變頻VRV中央空調系統性能比較［J］.江西能源，2005(1):18-20.

［6］地鐵設計規范:GB 50157—2013［S］.北京:中國建筑工業出版社，2014.

［7］魯娟，李明海，任慶昌.變風量空調系統智能控制技術研究［J］.中國勘察設計，2006(5):40-42.

［8］聞彪，吳慶，洪學新.地鐵通風空調系統節能研究［J］.建筑節能，2010(4):32-34.

［9］張鵬，劉躍，孫德靜.淺談地鐵車站通風空調系統設計的幾個方面［J］.山西建筑，2009(9):188-189.

［10］王棟，吳喜平，于連廣.地鐵車站過渡季節環控測試研究［J］.建筑節能，2010(11):72-74.

［11］李俊，李曉鋒，朱穎心.地鐵屏蔽門漏風量的計算方法及其對空調負荷的影響分析［J］.建筑科學，2009(12): 68-69.

［12］李俊.基于現場實測的地鐵車站空調負荷計算方法研究［D］.北京:清華大學，2009.

［13］王建文.地鐵BAS系統節能控制策略的研究［J］.中國科技縱橫，2012(10):167-168.

(編輯:王艷菊)

Com prehensive Exploration on Energy Saving Optim ization of Ventilation and Air-conditioning System in WuxiMetro

Wang Bin1LiXiaokun2
(1.Wuxi Metro Group Co.，Ltd.，Wuxi，Jiangsu 214023; 2.China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430000)

As an important part of the subway operating system with large power consumption,ventilation and air-conditioning system accounts for about1/3 of the total energy consumption of rail transport.Therefore,energy saving and energy efficiency of the air-conditioning system is of great significance.Considering engineering design,implementation and operationmanagement,aswell as the test results on engineering characteristics and air-conditioning energy consumption of WuxiMetro lines1 and 2,the air-conditioning scheme configuration,control strategy,system implementation of energy conservation are comprehensively explored.The analysis of the advantages of small system of VRF air-conditioning form,the relationship between equipment heat volume and its selection and configuration,mode conversion and control selection are focused on.It is concluded that only the specific operational requirements and the operation andmanagementmode are both considered,can we build an energysaving air-conditioning system of high efficiency.

metro;ventilation and air-conditioning system;energy saving optimization;equipment operationmode

U231.5

A

1672-6073(2016)02-0104-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.024

2016-02-22

2016-03-14

王斌，男，本科，規劃前期部項目工程師，建筑環境與設備工程專業，39886105@qq.com