城市軌道交通地下車站公共區(qū)分散式空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

李焱池

(長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司， 410021， 長沙∥高級工程師)

據(jù)統(tǒng)計，城市軌道交通地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占線路運(yùn)行總能耗的50%[1]。如何結(jié)合城市軌道交通工程的特點(diǎn)對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，以降低工程投資和運(yùn)行能耗，值得作進(jìn)一步深入研究。在與傳統(tǒng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上，本文將從系統(tǒng)配置、運(yùn)行方式、工程投資等方面闡述分散式空調(diào)系統(tǒng)在城市軌道交通地下車站中的應(yīng)用情況。

1 傳統(tǒng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案

1.1 全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案概述

傳統(tǒng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案中，通常將車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)簡稱為“大系統(tǒng)”，將為車站設(shè)備管理用房區(qū)服務(wù)的通風(fēng)空調(diào)及防排煙系統(tǒng)簡稱為“小系統(tǒng)”。 車站兩端靠近新、排風(fēng)道的位置設(shè)置大系統(tǒng)和小系統(tǒng)合用的空調(diào)機(jī)房。大系統(tǒng)一般采用雙風(fēng)機(jī)(組合式空調(diào)機(jī)組和回排風(fēng)機(jī))、全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，其空調(diào)設(shè)備以車站中心里程為界作對稱設(shè)置。城市軌道交通地下標(biāo)準(zhǔn)站大系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

以適合6節(jié)編組A型車停靠的12 m寬的島式站臺車站為例，車站長度約為200～240 m，全空氣空調(diào)系統(tǒng)的組合式空調(diào)機(jī)組和回排風(fēng)機(jī)在設(shè)備集中端(以下簡稱“大端”)的送/回風(fēng)距離約120 m，設(shè)備非集中端(以下簡稱“小端”)送風(fēng)/回風(fēng)距離約50 m。

傳統(tǒng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)的主要問題是輸配能耗高、管線占用空間大。大系統(tǒng)大端組合式空調(diào)機(jī)組和回排風(fēng)機(jī)通常因?yàn)樗惋L(fēng)距離過長，其單位風(fēng)量耗功率難以滿足GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[2]的要求。

圖1 城市軌道交通地下標(biāo)準(zhǔn)站大系統(tǒng)原理示意圖

1.2 主要設(shè)備配置

傳統(tǒng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案主要配置的設(shè)備包括組合式空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)、小新風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)，以及用于模式轉(zhuǎn)換的電動風(fēng)閥等管路附件。

1.3 正常運(yùn)行模式

1) 空調(diào)季節(jié)：系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行工況按焓值控制。

2) 非空調(diào)季節(jié)：根據(jù)室外空氣干球溫度與空調(diào)送風(fēng)溫度的相對關(guān)系確定設(shè)備的啟停。

3) 夜間運(yùn)行：城市軌道交通線路夜間停運(yùn)以后，大系統(tǒng)關(guān)閉。

2 分散式空調(diào)系統(tǒng)方案

2.1 分散式空調(diào)系統(tǒng)概述

分散式空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)是大型設(shè)備布置分散化，即將傳統(tǒng)一次回風(fēng)系統(tǒng)中集中設(shè)置在車站兩端空調(diào)機(jī)房內(nèi)的組合式空調(diào)機(jī)組調(diào)整至臨近公共區(qū)位置分散布置。 如圖2所示，其具體的設(shè)置方案為：在站廳層大端靠出入口位置新增立柜機(jī)房，在站廳小端設(shè)置大系統(tǒng)和小系統(tǒng)合用的空調(diào)機(jī)房。由此，傳統(tǒng)全空氣系統(tǒng)下大系統(tǒng)空調(diào)機(jī)房的面積得以相應(yīng)減少。此外，在靠公共區(qū)位置增設(shè)立柜機(jī)房，在顯著減少從空調(diào)機(jī)房經(jīng)設(shè)備管理用房敷設(shè)至公共區(qū)管線的同時，降低了風(fēng)系統(tǒng)的輸配能耗。

圖2 在站廳公共區(qū)附近增設(shè)立柜機(jī)房示意圖

為保證空調(diào)季節(jié)車站公共區(qū)的新風(fēng)質(zhì)量，在車站小端空調(diào)機(jī)房內(nèi)單獨(dú)設(shè)置1臺新風(fēng)柜機(jī)，負(fù)責(zé)在空調(diào)季節(jié)將室外新風(fēng)處理至站廳公共區(qū)室內(nèi)等焓點(diǎn)后送入；為滿足車站公共區(qū)在過渡季節(jié)和非空調(diào)季節(jié)的通風(fēng)換氣、排除余熱，以及在火災(zāi)事故工況下的排煙要求，在車站兩端分別設(shè)置機(jī)械排風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)。如圖3所示，大端的排煙風(fēng)機(jī)和機(jī)械排風(fēng)機(jī)與大系統(tǒng)立柜機(jī)房均設(shè)置在車站出入口附近；小端的排煙風(fēng)機(jī)和機(jī)械排風(fēng)機(jī)與小系統(tǒng)共用空調(diào)機(jī)房。大端處空調(diào)的送風(fēng)距離一般控制在50 m左右，因此，大端空調(diào)立柜配置的電機(jī)容量可大幅減小。

圖3 城市軌道交通地下標(biāo)準(zhǔn)站公共區(qū)采用分散式空調(diào)系統(tǒng)的原理示意圖

2.2 主要設(shè)備配置

分散式空調(diào)系統(tǒng)配置的設(shè)備主要包括空調(diào)立柜(含新風(fēng)柜機(jī))、機(jī)械排風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)，以及用于模式轉(zhuǎn)換的電動風(fēng)閥等管路附件。

2.3 正常運(yùn)行模式

1) 當(dāng)站外空氣溫度大于車站空調(diào)送風(fēng)溫度時，空調(diào)系統(tǒng)柜機(jī)運(yùn)行，新風(fēng)經(jīng)空調(diào)器處理至室內(nèi)等焓點(diǎn)后送入。

2) 當(dāng)站外空氣溫度小于車站空調(diào)送風(fēng)溫度時，冷水機(jī)組和空調(diào)柜機(jī)停止運(yùn)行，開啟機(jī)械排風(fēng)機(jī)，由出入口補(bǔ)風(fēng)，對室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)換氣。

3) 夜間車站運(yùn)營結(jié)束后，車站空調(diào)大系統(tǒng)設(shè)備隨之停止運(yùn)行。

3 兩種通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比

本文以長沙市軌道交通6號線工程的標(biāo)準(zhǔn)車站(停靠6節(jié)編組A型車)為例，分別在車站公共區(qū)采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)和分散式空調(diào)系統(tǒng)，對這兩種技術(shù)方案進(jìn)行對比分析。

3.1 熱濕處理過程分析

3.1.1 全空氣系統(tǒng)

如圖4所示，傳統(tǒng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)一次回風(fēng)熱濕處理過程如下：狀態(tài)點(diǎn)W的室外新風(fēng)與公共區(qū)回風(fēng)混合至C點(diǎn)后進(jìn)入組合式空調(diào)機(jī)組的表冷段；經(jīng)降溫除濕以后，在經(jīng)過風(fēng)機(jī)段及送風(fēng)管道時產(chǎn)生溫升，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)變化至O；進(jìn)入站廳、站臺公共區(qū)的空調(diào)冷風(fēng)根據(jù)相應(yīng)熱濕比線，按保證室內(nèi)干球溫度，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)分別變化至N1、N2；在保證站廳、站臺不結(jié)露的前提下，應(yīng)合理設(shè)定機(jī)器露點(diǎn)的相對濕度，以加大組合式空調(diào)機(jī)組送風(fēng)點(diǎn)與站廳、站臺的溫差，降低組合式空調(diào)機(jī)組的總送風(fēng)量，減少輸送能耗。

3.1.2 分散式空調(diào)系統(tǒng)

分散式空調(diào)系統(tǒng)熱濕處理過程如圖5所示。站廳與站臺的熱濕處理過程類似，具體過程為：新風(fēng)由獨(dú)立的新風(fēng)柜機(jī)從室外狀態(tài)點(diǎn)W處理至室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N2等焓線的露點(diǎn)C；回風(fēng)型空調(diào)立柜把室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N2處理至機(jī)組出風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)L；狀態(tài)點(diǎn)L的空氣進(jìn)入公共區(qū)后根據(jù)室內(nèi)熱濕比線變化到狀態(tài)點(diǎn)N1；在公共區(qū)內(nèi)，狀態(tài)點(diǎn)N1的空氣與狀態(tài)點(diǎn)C的新風(fēng)混合到室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點(diǎn)N2。

注：N2——站臺空氣狀態(tài)點(diǎn)；N1——站廳空氣狀態(tài)點(diǎn)；W——室外空氣狀態(tài)點(diǎn)；O——組空調(diào)送風(fēng)點(diǎn)；L——組空的機(jī)器露點(diǎn)；C——室內(nèi)外空氣混合點(diǎn)。

注：N1——回風(fēng)型空調(diào)柜出風(fēng)點(diǎn)；C——新風(fēng)柜機(jī)出風(fēng)點(diǎn)；W——室外空氣狀態(tài)點(diǎn)；L——空調(diào)柜的機(jī)器露點(diǎn)；N2——站廳或站臺空氣狀態(tài)點(diǎn)；ε——熱濕比。

3.2 設(shè)備選型分析

根據(jù)熱濕處理的計算結(jié)果，兩種技術(shù)方案的設(shè)備選型情況分別如表1、表2所示。

3.3 投資情況分析

3.3.1 土建部分

全空氣空調(diào)系統(tǒng)和分散式空調(diào)系統(tǒng)在車站小端對空調(diào)機(jī)房面積的需求基本一致。對于全空氣空調(diào)系統(tǒng)，車站大端大系統(tǒng)和小系統(tǒng)合用的空調(diào)機(jī)房面積需求約為442 m2。對于分散式空調(diào)系統(tǒng)，車站大端小系統(tǒng)空調(diào)機(jī)房面積需求約為340 m2，在站廳層大端靠出入口處需增設(shè)面積約為80 m2的大系統(tǒng)外掛機(jī)房(如圖6所示)，在站臺層大端需增設(shè)40 m2的大系統(tǒng)立柜機(jī)房。

3.3.2 運(yùn)行情況說明

1) 長沙地區(qū)城市軌道交通的空調(diào)季節(jié)按6個月(每年的5～10月份)計算，空調(diào)的總運(yùn)行時間指180 d計算；非空調(diào)季節(jié)車站按通風(fēng)考慮；公共區(qū)風(fēng)系統(tǒng)按每天運(yùn)行16 h考慮；長沙地區(qū)的城市軌道交通工業(yè)用電電價按0.66元/kWh考慮。

表1 全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案的設(shè)備選型情況

表2 分散式空調(diào)系統(tǒng)方案的設(shè)備選型情況

注：尺寸單位mm

2) 全空氣空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)的運(yùn)行設(shè)備包括2臺組合式空調(diào)機(jī)組、2臺回排風(fēng)機(jī)和2臺小新風(fēng)機(jī)，運(yùn)行設(shè)備功率共計68.2 kW。

3) 全空氣空調(diào)系統(tǒng)非空調(diào)季節(jié)的運(yùn)行設(shè)備包括運(yùn)行2臺回排風(fēng)機(jī)，運(yùn)行設(shè)備功率共計22.0 kW。

4) 分散式系統(tǒng)空調(diào)季節(jié)的運(yùn)行設(shè)備包括4臺柜式空調(diào)機(jī)組和1臺新風(fēng)柜機(jī)，運(yùn)行設(shè)備功率共計34.0 kW。

5) 分散式系統(tǒng)非空調(diào)季節(jié)的運(yùn)行設(shè)備包括2臺機(jī)械排風(fēng)機(jī)，運(yùn)行設(shè)備功率共計22.0 kW。

3.3.3 設(shè)備的投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用對比

依據(jù)設(shè)備選型情況，全空氣空調(diào)系統(tǒng)、分散式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備投資情況分別如表3、表4所示。由表3～4可知，全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案的投資合計為56.70萬元，分散式空調(diào)系統(tǒng)方案的投資合計為45.01萬元。

表3 全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案的投資情況

表4 分散式空調(diào)系統(tǒng)的投資情況

全空氣空調(diào)系統(tǒng)、分散式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用分別如表5、表6所示。由表5可知，全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)備配置的總功率約為90.2 kW，全年的總耗電量為259 800 kWh，則全年運(yùn)行費(fèi)用為17.15萬元；由表6可知，分散式空調(diào)系統(tǒng)下設(shè)備配置的總功率約為56.0 kW，全年的總耗電量為161 300 kWh，則全年運(yùn)行費(fèi)用為10.65萬元。

表5 全空氣空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用情況

表6 分散式空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用情況

全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案與分散式空調(diào)方案的對比說明如下：

1) 分散式空調(diào)系統(tǒng)方案的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備占用機(jī)房的總面積略有增加。這是因?yàn)樵O(shè)備分散布置后大系統(tǒng)和小系統(tǒng)無法共享檢修和維護(hù)空間。但是，分散式空調(diào)系統(tǒng)方案因不需設(shè)置7～8 m長的組合式空調(diào)機(jī)組和2 m寬的混風(fēng)室，可有效縮短車站主體結(jié)構(gòu)的長度，其縮短幅度跟車站土建的具體布置方案密切相關(guān)。本文的方案比較并未將此影響因素計入。

2) 全空氣空調(diào)系統(tǒng)方案的設(shè)備配置總功率約為90.2 kW，分散式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備配置總功率約為56.0 kW。本文的方案比較未將因分散式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備配置總功率下降對配電系統(tǒng)的影響因素計入。

3) 在空調(diào)季節(jié)，分散式空調(diào)系統(tǒng)開啟設(shè)備的總功率約為全空氣空調(diào)系統(tǒng)開啟設(shè)備總功率的50%。運(yùn)行設(shè)備功率的下降幅度，決定了其節(jié)能的潛力。經(jīng)初步計算，采用分散式空調(diào)系統(tǒng)后，標(biāo)準(zhǔn)車站每年可節(jié)約用電98 500 kWh。由此，按本地電價水平，標(biāo)準(zhǔn)車站每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用6.5萬元/站。

4) 在通風(fēng)季節(jié)，分散式空調(diào)系統(tǒng)的開啟設(shè)備總功率與全空氣空調(diào)系統(tǒng)的開啟設(shè)備總功率相當(dāng)。然而，在目前采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)的車站中，通風(fēng)季節(jié)采用雙風(fēng)機(jī)運(yùn)行的車站不在少數(shù)，也有僅運(yùn)行組合式空調(diào)機(jī)組的情況。相比而言，分散式空調(diào)系統(tǒng)在通風(fēng)季節(jié)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)量較少，設(shè)備的運(yùn)行與控制相對也較為簡單。

5) 本次的方案比較未考慮不同空調(diào)系統(tǒng)變頻運(yùn)行的情況。就變頻運(yùn)行策略和效果而言，分散式空調(diào)系統(tǒng)要相對簡單，更易于實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

1) 分散式空調(diào)系統(tǒng)每年每站將節(jié)約6.5萬元的電費(fèi)。經(jīng)初步核算，長沙軌道交通6號線全線共計34個地下車站，則每年預(yù)計可節(jié)約電費(fèi)達(dá)221萬元。因此，與全空氣空調(diào)系統(tǒng)相比，分散式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備投資相對節(jié)省、土建投資相當(dāng)、運(yùn)行費(fèi)用相對節(jié)省，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

2) 分散式空調(diào)系統(tǒng)作為城市軌道交通工程車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)新，可大幅降低車站風(fēng)系統(tǒng)輸配能耗，減少管道占用設(shè)備區(qū)的空間，設(shè)備區(qū)走道、機(jī)房內(nèi)的管線綜合布置難度也隨之降低。從減小風(fēng)機(jī)電耗，滿足末端調(diào)控角度看，采用分散式空調(diào)系統(tǒng)是有效可行的技術(shù)方案。

3) 分散式空調(diào)系統(tǒng)對于大型換乘樞紐站、帶配線物業(yè)開發(fā)的車站，以及部分土建條件嚴(yán)重受限的車站而言，具有極高的靈活性和適用性。

4) 分散式空調(diào)系統(tǒng)目前已在長沙市軌道交通6號線及后續(xù)新線中得到了全面的推廣應(yīng)用。這些線路目前還尚未開通運(yùn)營，后續(xù)將根據(jù)其運(yùn)營使用情況對系統(tǒng)方案進(jìn)行改進(jìn)和完善，以期為類似的城市軌道交通工程項(xiàng)目提供參考。