地鐵車站公共區通風空調系統節能探討

朱德斌

中鐵上海設計院集團有限公司

0 引言

近幾年我國各地城市開始修建地鐵，通風空調系統為城市軌道交通工程提供舒適、安全的環境，但其能耗水平卻占整個地鐵用電負荷的 40%[1]，本文從設計角度究其能耗高的原因，可總結為以下幾點：

①業主在地鐵建設中占據重要作用，一切都得照章辦事，追求的是穩，這看似與節能無關，實則關系大矣，“照以前的做”、“進一步研究”是經常聽到業主們說的話。

②能參與地鐵設計的設計院較少，而且設計的工作量大，導致設計人員基本上沒時間思考創新，只能一味的按國內常規的設計方案進行設計。

③地鐵設計的周期長，需要召開各種專家評審會，然而專家意見不同，最終也會導致地鐵的設計取常規做法。

④施工單位為保證通車時間，經常趕工，導致施工質量參差不齊。

因此，為打破地鐵運營中通風空調系統能耗高的特點，需要某些城市率先打破常規，采用新技術，這對地鐵經濟節能運行具有重要意義，本文提出在公共區通風空調系統中具有節能意義的幾種方案。

1 公共區通風空調系統常規設計方案

如圖1，公共區通風空調系統采用一次回風全空 氣系統，雙端送風，A、B 端機房設于兩端。系統的主要設備有小新風機，回排風機，排煙風機，組合式空調器以及相應的控制風閥。當空調季節室外新風焓值大于車站回風點焓值時，采用空調新風運行，全新風風閥關閉，排風機的排風風閥關閉，回風風閥打開，回風與小新風在組合式空調器的混合段混合，經處理后送入站廳站臺。當室外新風焓值小于車站回風混合點焓值且其溫度大于空調送風點溫度時采用空調全新風運行，此時小新風機關閉，全新風風閥打開，回排風機的回風風閥關閉，排風風閥打開，回風經回排風機直接排到排風道，室外新風經組合式空調器處理后送至站廳站臺。當室外新風溫度小于空調送風點溫度時，室外新風不經冷卻處理，利用組合式空調器直接送入車站公共區。車站的小新風機、回排風機、組合式空調器、排煙風機分別設于A、B 端站廳層的環控機房內。

圖1 公共區通風空調系統圖

2 公共區通風空調系統節能方案探討

2.1 采用雙風機系統

由于地鐵站埋于地下，空調負荷受太陽輻射的影響不大，可忽略不計，因此空調負荷主要包括人員，設備散熱，區間及出入口熱滲透，新風等所形成的負荷。其中新風負荷占比較大，如圖 2，一般占到空調總負荷的 1/3 以上，且夏季新風的焓值高于室內焓值，因此，只要室內衛生條件允許，應使新風比盡量達到最小，從而降低空調能耗。

圖2 計算新風負荷占空調負荷比例

GB/T 51357-2019 《城市軌道交通通風空氣調節與供暖設計標準》（下文簡稱規范）第3.1.7 條規定當地下車站公共區采用空氣調節系統時，每個乘客的新風量不應少于 12.6 m3/h,且系統的新風量不應少于總送風量的10%。需要強調的是，新風量指的是實際進入公共區的總新風量，即包括由空調送風系統機械送入的部分以及在活塞風壓及室外風壓作用下由出入口、風亭等外界侵入部分，然而在設計中往往以機械送入的新風量來滿足規范要求，因此實際新風量往往比理論計算值要大很多。也有相關研究表明，出入口、風亭等外界侵入的新風量遠大于客流所需的新風量[3]，規范 4.3.10 指出車站公共區的全空氣調節系統應采用設置風機變頻調節的變風量系統，宜設置空氣調節回排風機，應滿足全新風運行的條件，并非需要設置小新風機，綜上所述，公共區空氣調節系統可取消小新風機，采用雙風機系統，已降低能耗。

2.2 采用變風道組合式空調器

由于在過渡季節新風不需要經過冷卻處理，組合式空調機組中表冷器、過濾網等就成為通風管路上不必要的阻力件，為解決此問題，可采用變風道組合式空調器，如圖3、4，當在空調工況時，內置風閥關閉，新風與回風混合后經過換熱器進行熱交換后送入室內。在過渡季節可利用全新風制冷時，內置風閥打開，從而減小組合式空調器的內部阻力，降低了風機的能耗，同時也能延長換熱器的使用壽命。有研究表明，采用變風道組合式空調器在過渡季節運行時，空調器內部阻力可減少約100Pa 阻力，從而可減少空調器配電功率約 10%功耗[4]。經與廠家咨詢，國內一線空調品牌廠家均可以生產變風道組合式空調器，且尺寸與傳統空調器的相差不會很大，并不會因此增大環控機房的面積，因此，變風道組合式空調器在地鐵公共區空調系統的實施性很大。

圖3 空調工況下氣流走向

圖4 全新風工況下氣流走向

2.3 采用空氣-水系統

目前該市地鐵公共區通風空調系統均采用全空氣系統，其優點在于過渡季節可以全空氣運行，具有一定的節能效果。但全空氣系統也存在一些不可避免的缺點：①空氣質量比熱容遠小于水的，輸送相同能量時輸配能耗要大。②空氣在環控機房內集中處理，輸送管路長，閥件多，導致阻力大，風機能耗大。③全空氣系統設備數量少，單臺設備容量大，不便根據實際負荷情況靈活組合，只能靠變頻運行來調節風量，節能性不高，且當一臺組合式空調器失效，對車站制冷能力影響較大。④風管施工量大，施工質量會影響漏風率，造成能源的浪費。⑤風道與機房占用空間大，會給地鐵車站管線綜合造成較大壓力，經常會避讓其它管線導致無形中增加多個來回彎頭，也會導致風機的壓頭增大。⑥由于冷水機組一般放置于車站的一端，冷量輸送到另一端的組合式空調機組后再由機組送到公共區，無形中增加了冷量輸送的路徑，造成能源不必要的損耗。

圖5 空氣-水系統在地鐵公共區的應用

若采用空氣-水系統，如圖 5 所示，車站的風道、機房面積可減小，一方面可以降低地鐵投資成本，另一方面公共區空調系統由空氣與水共同承擔室內冷負荷，且冷量直接由一端的冷水機組直接輸送到公共區末端，不像全空氣系統存在冷量輸送路勁的折返，可降低輸送能耗。需要解決的問題是空氣-水系統在過渡季節不能很好的利用室外新風。但從圖 1 所示，地鐵工程中的排煙系統是必不可少的，地鐵工程線路，車站及相鄰區間按同一時間發生一次火災考慮，且站廳、站臺公共區面積一般均不大于 2000 m2，計算出來A、B 端每臺排煙風機的排煙量與回排風機相當，因此過渡季節時完全可以考慮開啟公共區的排煙風機進行通風換氣。

3 結論

常規公共區空調系統節能性不佳，提出取消小新風機，采用變風道空調系統設計方案，且方案不會對地鐵投資及施工方面造成影響，具有一定的節能意義，工程可實施性強。

采用空氣-水系統，可減少地鐵土建投資，能源利用率高，可預見節能性能明顯，為地鐵公共區通風空調系統設計及節能改造項目提供一定的參考及借鑒。