軌道交通通風空調系統(tǒng)能耗影響因素及優(yōu)化分析

袁浩鵬

廈門軌道交通集團有限公司（361000）

0 前言

空調的概念和方法是由美國開利博士系統(tǒng)地提出的，所以室內(nèi)濕熱環(huán)境建設的理論和工程實踐已有100 多年的歷史。 在任何自然環(huán)境中，人類都能準確、 穩(wěn)定地實現(xiàn)任何建筑所需的各種濕熱環(huán)境，發(fā)展出系統(tǒng)的分析方法、設計方法、設備系列產(chǎn)品和成熟的生產(chǎn)線管理方法。 同時，這些器件也帶來了巨大的能量消耗。在城市軌道交通地下車站通風空調領域，能耗問題更為突出。 當今社會軌道交通網(wǎng)絡規(guī)模越來越大，全國軌道交通的總耗電量也在持續(xù)增長，因此社會各界越來越關注地鐵運行能耗。城市軌道交通中主要能源消耗來自于車站通風空調系統(tǒng)及牽引供電系統(tǒng)，其中的通風空調系統(tǒng)耗電量占全年用電量的37%， 而在空調季可高達54%。 因此，對于整個軌道交通車站的節(jié)能來說，降低通風空調系統(tǒng)的能耗具有十分重要的意義。

1 通風空調系統(tǒng)能耗影響因素

地鐵的通風空調系統(tǒng)一般分為4 個子系統(tǒng)，即公共區(qū)域系統(tǒng)（大系統(tǒng)）、隧道通風系統(tǒng)、空調冷源系統(tǒng)和設備輔助住宅系統(tǒng)（小系統(tǒng)）[1]。 地鐵站空調能耗主要來自火車制動冷卻、人員和火車空調冷卻、室外空氣滲透冷卻、設備冷卻和通風空調設備自身能耗5 個部分。

1.1 列車制動散熱量

列車在運行中需要減速、停車，減速和停車都要相應的制動力才能成功，而制動力則需要一定的能量，大量的能量集聚最終會反饋到電網(wǎng)上，剩余的能量一部分被儲能裝置吸收，另一部分被固定安裝的電阻逐漸轉化為熱能，最終被消耗。 當儲能裝置無法吸收多余能量時，這些能量仍然會被轉化為熱量，最終這些熱量就需要由隧道通風系統(tǒng)排出。

1.2 人員及列車空調散熱量

車站的主要負荷為人員散熱站，車站值班員的制冷量在考慮車站值班員自身制冷量的同時，新風負荷也需要被考慮到。 列車車廂內(nèi)都有空調與制冷機（車載空調），并承擔著散熱的負荷。 空調在工作時會產(chǎn)生大量的熱量，其冷凝器會將熱量傳播到通道之上[2]。

1.3 建筑規(guī)模、出入口及室外空氣滲透耗熱量

無論是建筑形態(tài)還是規(guī)模都會影響空調的能耗。 如果建筑面積和空間面積太大，形式太復雜，空調系統(tǒng)的能耗和基本熱負荷就會增加。 建筑截面過大，出入口多，通風空調的能耗在一定程度上會有所增加。 站臺屏蔽門雖然可減少隧道活塞風對公共區(qū)的影響，但由于屏蔽門存在漏風，仍要考慮負壓情況下空氣通過出入口進入車站產(chǎn)生的負荷。

1.4 設備散熱量

車站內(nèi)部的通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、導向標志系統(tǒng)、高低壓配電系統(tǒng)、廣告、AFC 系統(tǒng)設備，運行時都會產(chǎn)生一定的散熱量。 這些系統(tǒng)放出的熱量主要集中在設備管理用的房間，通過通風空調系統(tǒng)排出。

1.5 空調系統(tǒng)自身耗能

以一個標準車站為例，通風空調4 個子系統(tǒng)設備裝機容量約1 200 kW，其本身也會消耗很大的能耗。 空調系統(tǒng)主要包括冷熱源及末端設備，通風系統(tǒng)主要包括隧道風機等各類風機設備[3]。 此外，通風空調的運行模式也會影響通風空調系統(tǒng)能耗，運行模式需要根據(jù)車站客流量及季節(jié)來確定。

2 通風空調系統(tǒng)能耗優(yōu)化方案

2.1 設計階段

2.1.1 對列車制動散熱進行優(yōu)化

根據(jù)佟麗華[4]研究成果，列車在啟動和制動過程中發(fā)熱量利用下式計算：

其中，Q——列車發(fā)熱量，W；I——列車啟動時平均電流，A；t——列車從靜止到啟動的時間，s；m1——列車的質量，kg；m2——列車上乘客的質量，kg；v——列車運行速度，m/s。

由于地鐵區(qū)間隧道斷面小，列車牽引能耗70%左右的電能直接轉化為熱能，散發(fā)至隧道內(nèi)。 列車運行時，需要隧道通風系統(tǒng)將列車制動產(chǎn)生的熱量排出，因此要對列車制動散熱進行優(yōu)化降低制動所產(chǎn)生的能耗， 通過能量回收裝置回收利用的方式，不僅能夠減少通風系統(tǒng)排熱能耗，還能夠有效降低牽引供電系統(tǒng)的能耗。

2.1.2 優(yōu)化列車空調耗能及人員耗能

不管是車載的空調系統(tǒng)還是車站空調系統(tǒng)，其啟動、監(jiān)控及運行過程控制，都是通過設定的控制邏輯來進行自動控制的。 在制訂運行平峰時段、高峰時段的節(jié)能模式及效率模式時，需要充分結合客流量在1 d 當中的變化特點來確定。 不僅如此，隧道排熱風機的風量也需隨著行車模式的改變而作出相應的調整。

2.1.3 對建筑規(guī)模、出入口及室外空氣滲透耗熱量進行優(yōu)化

在設計階段，需要根據(jù)建筑、通風、空調合理確定地鐵站大小，最大限度地縮小建筑物的尺寸，消除過于復雜的建筑物形態(tài)。 主入口不適合過多的入口和出口，該部分也不適合過大的建筑物形狀。 通過適當提高輸入和輸出的通風阻力，可以提高容量和減少損失。

2.1.4 對設備能耗進行優(yōu)化

無論是設備的熱輸出還是設備管理室的熱輸出， 小型通風空調系統(tǒng)必須承受相應的冷空氣負荷，這就需要對模塊和設備進行最佳選擇。 低熱量，選擇低功耗器件。 高導電性的導體和銅電纜可減少傳輸中的熱量和功率消耗。

2.1.5 對通風空調設備能耗進行優(yōu)化

該站的通風系統(tǒng)與傳統(tǒng)的隧道通風系統(tǒng)有機結合，在通風空調機和隧道風扇等空間中引入了新的空調系統(tǒng)。 該系統(tǒng)通常根據(jù)空氣的數(shù)量運行， 減少了系統(tǒng)的電阻，大幅度減少了能源消耗，而且操作成本低于以前的系統(tǒng)。

根據(jù)地鐵車站空調系統(tǒng)的特點，大多數(shù)時間，空調系統(tǒng)是在設計負荷的工況下運行的。 此外，負荷隨客流量的變化而變化。 為了節(jié)省運行成本，可以根據(jù)系統(tǒng)要求的實際流量調整泵速。

根據(jù)控制散熱器外部溫度的方法，當室外空氣的娛樂值大于該站隧道的值時，可以停止操作，通過比較室外空氣回流的娛樂值和室外空氣溫度，可以分析和調整系統(tǒng)的大規(guī)模空調操作。

2.2 運營階段

作為業(yè)務服務質量保證的一部分，應積極評估節(jié)能情況，建立健全節(jié)能管理系統(tǒng)，更好地管理和監(jiān)督，并最終開發(fā)更系統(tǒng)和更先進的節(jié)能管理和評估系統(tǒng)。 可以構建一個在線診斷系統(tǒng)和一個空調能量管理系統(tǒng)，通過合理的監(jiān)測和快速的調整，空調系統(tǒng)的操作可以不斷地優(yōu)化。 對新技術不斷展開研究與應用，將那些需要較高耗能的設備及工藝逐漸淘汰掉。 不斷維護和管理空調系統(tǒng)，及時清洗換熱器、過濾網(wǎng)，及時維修調節(jié)閥，以免因設備老舊而增加能耗。

3 結論及建議

通過分析影響地鐵通風空調系統(tǒng)能耗的因素可以發(fā)現(xiàn)，列車制動散熱量、人員及列車空調散熱量、建筑規(guī)模、出入口及室外空氣滲透耗熱量、設備散熱量及空調系統(tǒng)自身耗能都是影響通風空調能耗的因素。 充分認識地鐵能耗因素是作好節(jié)能控制的第一步。 地鐵的設計和運營階段是需要多重密切協(xié)作的過程，為了有效地減少能源消耗，必須從設計階段到建筑和運營階段密切合作。