地鐵通風與空調節能控制設計措施

謝大明

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

1 地鐵通風與空調節能控制設計原則

在地鐵設計中，通風與空調節能控制是兩項不容忽視的重要內容。它們不僅能夠鑄牢地鐵安全運行的銅墻鐵壁，而且能夠有效降低地鐵能源消耗，從而使地鐵的應用性不斷提高。為了切實做好通風與空調節能控制設計這兩項工作，設計人員必須按照設計標準展開，力爭將設計的最終效果完美呈現出來。具體體現在以下四個方面。

1)地鐵高架站所處的區域一般比較空曠，為公共區域，因此無須配備空調，自然通風是最佳選擇。在設備管理區，有必要配備變頻多聯空調系統的設置。

2)要嚴格遵循“就近服務與相鄰布置”的標準，精準設計地鐵站的通風空調，目的主要在于兩方面：縮短空氣輸送的范圍，將設計成本控制在合理范圍。

3)要使用性能集中、方便維護的設備，以保證空調系統功能的展現。此外，運行安全、技術過硬、節約空間等也是集中考量的因素。這些不僅能夠有效提高地鐵通風的設計水平，而且能夠提升空調科學水準。

4)在設計地鐵通風空調系統時，必須嚴格遵循行業規定與技術要求，而且設計工作全程以及設備配備等均要圍繞節能展開，從而使地鐵車站配置的通風系統具有優良的節能性能。與此同時，設計人員必須堅持具體問題具體分析的宗旨，對于施工場所的實際情況，必須進行及時、全面的分析，同時，節能意識必須貫穿設計以及施工的全過程，以確定設計工作能夠真正按設計效果呈現。

2 供冷模式自動切換控制

2.1 節能原理

首先考慮室外的溫度情況，其次結合系統自動尋優算法以及前饋控制算法，以此合理調節組合風閥的開度，最終設定一個適宜的供能溫度，從而最大程度地減少地鐵運行的耗能。如果新風帶來的益處更大，應當使用新風，將冷源設備關閉；如果新風的缺點更多，則不考慮使用新風，盡量將新風所攜帶的熱量降低。

2.2 自動控制策略

系統運行模式一般有三種分類：完全新風供冷模式、新風+冷機組合供冷模式以及完全冷機供冷模式。具體做如下分析。

1)模式一：完全新風供冷模式。組合風閥閥位：一般將新風閥、排風閥開啟，而關閉回風閥。在新風最大時正式運行系統。可以通過關閉冷機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔達到控制冷源的目的。

2)模式二：新風+冷機組合供冷模式。組合風閥閥位：新風閥全開、排風閥全開、回風閥關閉。在新風最大時正式運行系統。可以通過將冷機啟動命令傳達給冷源群控系統的方式，使得冷機能夠依據自身的配置運行。當對室外供冷時，最主要借助的是新風和冷機的組合。

3)模式三：完全冷機供冷模式。組合風閥閥位：新風閥角開、排風閥角開、回風閥全開。在新風最小時正式運行系統。可以通過將冷機啟動命令傳達給冷源群控制系統的方式，實現冷機能夠依據自身的配置進行運行。此模式下功能完全借助冷機。

而完成以上三種模式轉換更多依據的是新風溫度，詳細要求如下。

在模式一下運行，外界新風溫度低于tx時，由于系統會對外界新風溫度進行判斷，反饋到的是低溫狀態時，室內所產生的熱量完全可以被新風釋放的冷量相抵消，此時應該采取的是全新風供冷模式。

在模式二下運行，外界新風溫度高于tx，小于28℃時，系統會對外界新風溫度進行判斷，得到的結果是室溫大于新風溫度，新風中含有的是冷量而非熱量，當全新風模式下時，室內所產生的熱量不能夠完全被新風冷量所消耗，因此冷源會被開啟。

在模式三下運行時，外界新風溫度會超過28℃，系統會對外界新風溫度進行判斷，得到的結果是室溫低于新風溫度，此時新風中含有的是熱量，當衛生達標的情況下，避免對新風的引入，此時在新風最小值下運行。

以上所描述的規則中，擁有一個參數tx，該參數可以對新風所含冷量能否滿足室內的冷負荷進行判斷。tx可以用在多種車站中，本文中所涉及到的tx會借助系統的運行而生成，所以不限制車站類型。

tx自動修正算法為：①不開啟冷機，回風溫度超過回風所設定的溫度(28℃)；②送風機頻率大于風機比較頻率設定值(45 Hz)。

當上述條件都達到時，開始對UPF界溫度以及室內溫度隨時監測，如果室內溫度能夠保持大于1 h以上的舒適溫度，且狀態較為穩定時，立刻將外界溫度進行記錄，該溫度即為tx值；如果在該原理下tx值很低，應當更換現有值。以此循環狀態達到優化目的，只有tx值一直被修正，車站環境才能更加穩定。

3 送排風模式自動切換控制

3.1 節能原理

由于地鐵站的出入口相較于一般建筑來說較多，因此采取了自動調節送排風模式，當風速在允許值的范圍之內，風機組才能消耗較小的能源。春、秋兩季，地鐵上的通風空調系統的作用僅僅限于通風，而不會有制冷效果[1]。此時，送風機、回排風機處于完全開啟狀態，運行時處于滿負荷狀態。當然在寫字樓等類似建筑中應用該模式會更為適宜，此種建筑的特征之一就是擁有較小的通風面積，建筑所自帶門窗的通風率極差，所以為了加大空氣流通，需要安裝回風道、送風道。但是對于地鐵這類建筑，會在每個車站設置4個出入口，同時具有較大的橫截面積，所以完全滿足了通風需求[2]。此時，將送風機單獨開啟以保證室內的正壓即可，當然還可以將回排風機單獨打開，使得室內維持負壓即可。上述兩種方式只開啟了一半，所以便可以節約一半能源。

3.2 自動控制策略

當地鐵車站通風系統的運行模式維持在送、排二選一的狀態時，但是只開一組風機也要保證一個前提，即有效通風量足夠。當出入口充當風道時，該處的阻力會影響風量。如果總風量設計為16萬m3/h，4個出入口的截面積均為16 m2，計算可得風速為1.4 m/s。通道口阻力系數局部達到了5.8，計算得出入口阻力的最大值是6.8 Pa。可見風量不易受到出入口阻力的影響。

由此可知，風機只打開一組時出入口處的風速最大也不會超過1.5 m/s，設計風速在5 m/s以下即可。對通風系統的設計來說，一般會依據遠期高峰負荷對風量進行控制。如果地鐵處于初期、近期或者遠期非高峰期，由于設計值會遠高于車站自身的發熱量，并不需要很多的通風，可見大多數狀態下只要開啟單排放送即可[3-4]。

結合前饋控制理論，本控制策略模塊將分成三個模式對車站通風模式進行控制。

模式一：只送不排。通常多應用在低溫較低的季節，比如冬天，室外溫度較低，此時只送不排的狀態下，但是站內會儲存很大的熱量，所以進站人群感受到出入口的溫度較高，會產生舒適的感覺。當只送不排時，具體需要將大系統的送風機打開，并關閉回排風機，使得室內保持正壓，排風首先穿過出入口等位置，再進入到室外環境中。

模式二：只排不送。通常多應用在溫度適宜的季節，比如春秋兩季，溫度不會出現較高、較低的情況，此時便采取單排。當只排不送時，具體將大系統的回排風機打開，讓送風機處于關閉狀態，保證室內處于負壓狀態，新風穿過出入口等位置，最終進入室內。

模式三：送排結合。此種運行模式下，具體需要將送風機、回排風機都處于打開狀態，此時存在污染，所以室內要保持微正壓或微負壓。

總結以上描述的三個模式，可知節能模式僅為模式一、模式二。而且對比排風道和送風道兩者的阻力，前者較小，因此更為節能的便是模式二。但是由于出入口的乘客會受到外界新風的影響，特別是如果溫度較低，乘客的不適感會增加[5]。當環境溫度較熱或者出現特殊情況時，會選取模式三，當新風量并不充足或者夏季時期，運行該模式會讓此系統以平衡通風的方式運行，運行時實現變頻調節。這種模式下，空調的通風效果更加強烈，又不會過多耗費能源。對于送排風模式有兩種情況可供選擇，其一是空調工況，其二是非空調工況。

1)依據室內外焓值判斷是否采取空調工況：當在氣溫較高的季節，回風焓值并沒有超過室外空氣焓值，風機運行便可以采取最小新風空調工況模式，此時回排風機和空調機組全部打開，按照模式三運行。當回風焓值超過室外空氣焓值時，此時不開啟回排風機，將空調機組打開，在模式一下運行。

2)依據室內外溫度判斷是否采取非空調工況：當處于換季時期，外界新風溫度超過10℃，一般會以模式二運行，也就是只排不送；當溫度較低的冬季時，外界新風溫度小于10℃，一般會以模式一運行，也就是只送不排的機械送風模式。因此，會發生模式之間的更替，因此系統在對室外焓值以及室外溫度進行采集時，一般采集量數據1 h之間的平均值。

4 供冷模式自動切換控制效果

本策略在某地鐵站某天的實際運行效果如圖1所示。

圖1 供冷模式自動切換效果

根據圖1所顯示的數據可以得出結論，此種設計方案下供冷模式需要持續地進行調整，室溫還要保持在28℃以下。在這種夏季天氣，新風供冷模式運行時間會大于10 h，而且冷機處于關閉狀態，能夠取得良好的節能效果。

5 結束語

當前，全世界都面臨能源缺乏的問題，因此依靠科學技術大大縮減能源的消耗成為一個非常重要的待解決問題，解決該問題也有利于有效降低地鐵運行成本。本文分析研究了地鐵通風和空調節能控制設計措施，以期為相關工程提供理論依據。

[ID:013043]