軌道交通通風空調系統節能影響因素分析

文_唐超 周菁 李新鋼 于松偉 李國慶 北京城建設計發展集團

城市軌道交通用能中牽引供電系統和通風空調系統是城市軌道交通中最主要的用電項，全年用電中通風空調系統占比為37%，空調季通風空調系統用電量占比達到54%。本文主要針對地鐵通風空調能耗影響因素進行分析并提出優化方案。

1 通風空調能耗影響因素

地鐵暖通空調系統主要分為4個子系統，即隧道通風系統、公共區系統（大系統）、設備附屬用房區系統（小系統）和空調水系統。

1.1 列車制動散熱量

列車在停車和人為減速時需要制動力，而制動產生的能量首先被反饋到電網，多余能量要么被固定安裝的電阻轉為熱能消耗，要么被儲能裝置吸收，當儲能裝置吸收不了時，仍被轉化成熱量。這些熱量最終需要暖通空調系統通過風機排出。

1.2 人員及列車空調散熱量

車站內的人員作為車站負荷的很大一部分，除了本身的散熱，還需考慮相應的新風負荷。當人員進入列車車廂，每節客室頂部安裝的空調( 制冷) 機組承擔相應的負荷，同時機載空調的冷凝器再將熱量傳到隧道。

1.3 建筑規模、出入口及室外空氣滲透耗熱量

建筑規模和形式對空調系統能耗會產生影響。面積過大，建筑形式過于復雜對空調系統而言，既增加了基本熱負荷又增加了傳輸能耗。出入口過多，截面積過大也會增加通風空調系統的能耗。

1.4 設備散熱量

高低壓配電系統、信號系統、通信系統、AFC系統、電扶梯系統、廣告、導向標識等系統的機組平時的散熱量，在設備管理用房產生，由通風空調系統排出到外界。

1.5 空調系統自身耗能

地鐵暖通空調系統包含的4個子系統的設備本身也會產生巨大的能耗?？照{部分主要包括冷熱源、輸配和末端、水系統。通風部分包括風機、輸配和末端。同時通風空調的運行模式對能耗的影響也很大，運行模式主要受季節和客流量等因素的影響。

2 通風空調系統能耗優化方案

2.1 設計階段

2.1.1 列車制動散熱優化方案

列車制動產生的熱量需要通風空調系統排出到外界，如何降低制動帶來的能耗，使通風空調系統減少排熱能耗的同時也可以降低牽引供電系統的耗能。

(1)節能坡設計配合

暖通空調專業在設計時需要積極和線路專業配合，尋找節能坡。如果列車在發動時是下坡，而在制動時是上坡，自然能減少牽引系統耗能，減少了轉化為熱能的部分，通風空調系統排熱的能耗也會隨之減少。

(2)站間距離設計配合

暖通空調專業在設計時還需要與線路專業積極配合，合理安排站間距，減少啟動和制動次數，從而減少制動發熱。

(3)列車再生制動與行車方案

再生制動的基本原理是將地鐵列車的機械能轉化為電能傳輸到供電觸網，提供給相鄰列車使用。當相鄰列車也在制動的時候，這部分能量往往得不到最充分利用，如果儲能設備飽和，最終轉變為熱量。在供電專業考慮再生制動的情況下，暖通專業還需要與行車專業積極配合。

(4)風機變頻

暖通空調的專業應結合行車方案的效率模式和節能模式，根據列車制動排放到隧道的熱量不同，排熱風機變頻使用，達到節能降耗的目的。

2.1.2 人員及列車空調能耗優化方案

車載空調系統與車站空調系統的啟動、工作與監控都是由其自身的自動控制系統來實現。行車專業根據人員的變化制定運行的高峰時段和平峰時段相應的效率模式和節能模式，隧道排熱風機的風量和區間新風風機的風量也應該隨著行車模式的變化而變化。

2.1.3 建筑規模、出入口及室外空氣滲透能耗優化方案

在設計之初，暖通專業需要與建筑專業配合，應合理確定地鐵車站的建筑規模，在保證使用的同時，盡量縮小規模同時避免復雜的建筑形式。出入口數量在保證使用的前提下不宜過多，截面積不宜過大，可以考慮適當增加出入口的通風阻力，減少能量流失。

2.1.4 設備能耗優化方案

設備管理用房及設備發熱量由通風空調小系統承擔冷負荷，應優化設備及模塊選型，選用低功耗部件，降低發熱量。選用具有優質導電性能的銅質電纜和導線，降低傳輸損耗和發熱量。

2.1.5 通風空調設備能耗優化方案

(1)多功能設備集成系統

對傳統系統中區間隧道通風系統和車站通風空調系統部分進行有機整合, 在設備用房和風道等空間共用新型通風空調系統。這種系統充分利用了地鐵活塞風，同時采用風機變頻調速技術,在空調季節, 根據軌道交通系統內部空間熱負荷在不同運營時間的變化, 實現系統的變風量運行；在通風季節打開表冷器, 降低系統阻力, 從而減少大量的能耗, 運行費用明顯低于傳統系統。

(2)設置可調通風型站臺門的地鐵通風空調

可調通風型站臺門通風空調系統可以實現屏蔽門通風空調系統與安全門閉式通風空調系統的轉換，構建一種全新的節能型通風空調系統，在不同季節充分發揮各自的節能優勢?？照{季節，可調通風型站臺門處于關閉狀態；非空調季，可調通風型站臺門處于開啟狀態，實現通風空調系統的全年節能運行。

(3)根據室外溫度控制通風空調設備

排熱風機根據室外溫度，調節控制模式，當室外空氣焓值高于車站隧道區間時，停止運行。大系統空調根據比較室外空氣焓值和回風焓值、室外空氣溫度和送風溫度，分析新風空調運行狀況、全新風空調運行狀況、全新風非空調運行狀況分別運行實現節能。

(4)水環熱泵

地下車站的設備用房在冬季需要排除余熱，管理用房在冬季需要提供一定的熱量來保證人員的舒適性。采用熱泵熱回收技術，將設備用房低品位熱能傳遞給管理用房供熱，實現了低品味能的利用。

(5)風水聯控

通過對通風空調水系統和風系統的優化控制，達到節能，如圖1所示。

圖1 風水聯控示意圖

(6)直接蒸發式空調機組

直接蒸發式空調機組包括冷機和表冷器兩個部分。冷機部分設置在土建風道附近的制冷機房內，表冷器設置在土建風道中。結合地鐵風道的特點，將蒸發冷換熱器與表冷器設計成可啟閉的方式，實現全年節能運營。

(7)水系統

空調水系統的冷水泵、冷卻水泵采用變頻技術。根據冷負荷的變化，在不影響冷凍機組COP的前提下，降低冷水、冷卻水的輸送能耗，從而達到節能的目的。

2.2 運營階段

在保證運營服務質量的前提下，積極開展節能工作。從管理上，建立管理網絡，細化管控，形成節能管理評價體系。從技術上，建立通風空調能源管理與在線診斷系統，合理監控，及時調整，優化環控運行模式。開展新技術研究應用，淘汰高能耗的工藝、技術和設備。加強系統維修管理，及時清洗過濾網和換熱器、及時維修調節閥，減少設備老舊帶來的能耗增加。

3 結語

通過對地鐵通風空調相關能耗影響因素分析，分別從設計和運營兩方面提出了節能優化方案，為地鐵節能工作的提供一定的理論技術。地鐵設計和運營是多專業協同的過程，有效降低地鐵環控系統能耗,需要從規劃設計到施工再到運營各階段各專業緊密協調配合，以實現全壽命周期綠色交通。