跨座式單軌通風空調系統的節能控制與應用

朱慶松 何小寶 丁厚成 連志虛

1 中車南京浦鎮車輛有限公司

2 江蘇中車數字科技有限公司

3 安徽工業大學建筑工程學院

0 引言

城市軌道交通中的通風空調系統，是軌道交通的重要組成部分，承擔著通風以及防排煙的功能，直接影響乘客乘車環境的舒適度，通風空調系統在日常運營過程中消耗大量電力，根據調查統計，我國城市軌道交通通風空調系統的電力能耗達到城軌運營總能耗的40%[1]。

由于各機電系統中通風空調系統耗能較大，設備眾多且分散，不宜維護和管理，要做到整個通風空調系統的管控與協調，需環境與設備監控系統（BAS 系統）對整個通風空調系統進行集中監控與管理[2]。各個車站與整條線路的環控，不僅要求通風空調系統的設計合理、施工規范，更需要合理的設計環境與設備監控系統，并對其控制模式進行選擇和優化，做到實時監控、實時調節，及時發現運營過程中的問題，監控設備的運行狀態，做到既滿足安全運營，又能達到節能環保的效果[3]。

1 工程概況

蕪湖軌道交通1 號線為南北向的跨座式單軌城市交通線路，線路全長30.410 km，全線為高架敷設，共設車站25 座，均為高架站，2 號線一期線路全長15.796 km，其中地下線長1.246 km，地面及高架線14.550 km，全線共設車站11 座（高架站10 座、地下站1 座），在蕪湖火車站建設地下兩層島式站臺車站。

對于地下車站，在地面設置兩組風亭，并在地下布置相應風道，利用單軌列車進出隧道產生的活塞風進行通風。

2 跨座式單軌通風空調系統

2.1 系統構成

由于蕪湖市軌道交通1 號線、2 號線一期工程，除火車站為地下車站，其余車站均為高架站，高架站通風空調系統較簡單，主要設備集中在設備管理用房內，通風空調的投資與能耗也相比地下車站大幅度減少，對于地下車站，通風空調系統主要分為車站通風空調系統與隧道通風空調系統如圖1 所示，涉及的設備有隧道軸流風機、射流風機、多聯機、組合式空調柜、風機盤管、風閥、消聲器、冷水機組、防煙防火閥、風閥、冷水泵、冷卻塔等[4-6]。

圖1 蕪湖市軌道交通通風空調系統組成

2.2 高架車站及車輛段通風空調制式

蕪湖軌道交通1 號線、2 號線一期工程高架車站及車輛段設備管理用房的通風空調系統采用多聯變頻空調加全熱新風系統，如：車控室、監控設備室、高壓開關柜室、站臺門控制室等。對于高架車站公共區因屬于半開敞空間，故不設置空調系統，采用自然通風模式。通信、信號等有溫濕度要求的設備用房設置機房專用空調，全年不間斷運行，分散的值班室和客服室采用壁掛式分體空調。站臺、站廳、管理用房內走道采用自然通風、自然排煙模式[7]。

高架站和車輛段以及控制中心設備用房的通風空調，通過多聯式空調室內機承擔室內熱濕負荷，全熱新風機將室外新風通過新風管引入設備用房，保證室內空氣的新鮮以及將室內污濁有害氣體排出，保障室內環境安全。蕪湖市軌道交通項目采用的新風機為全熱新風機組，通過回收室內回風的熱濕負荷，到達節能換氣的作用。

2.3 地下車站通風空調制式

地下車站位于國鐵蕪湖站東廣場前方站東路中，本站為地下路中兩層島式站臺車站，車站標準段寬度22.28 m，總長166.00 m，車站總建筑面積9865.8 m2。

地下站設置全封閉站臺門，將軌行區與站臺公共區分隔開，通風空調系統（簡稱大系統）采用全空氣一次回風系統，將新風與部分回風處理至室內狀態等焓濕量點后送至公共區。

2.3.1 區間隧道通風系統

地下車站隧道兩端各設置一條活塞風道如圖2 所示，車站兩端隧道風機房各設2 臺隧道風機（TVF 兼車站隧道排熱風機，變頻），2 臺互為備用，也可并聯運行。在車站兩端地下區間設置射流風機，正線隧道活塞風道凈過流斷面積不小于20 m2，活塞風閥開孔面積不小于25 m2。隧道風機通過天圓地方管與消聲器進行連接，地下車站兩臺隧道風機可以彼此獨立運行，又可以相互冗余備用，以滿足正常運營時送排風要求，且BAS 系統可對風閥進行控制，進而實現正常運營、單軌列車阻塞在隧道中、區間隧道發生火災等不同工況時風閥的開閉[8]。

圖2 地下車站區間隧道通風系統圖

對于地下區間隧道，在單軌車輛正常行駛情況下，利用單軌車輛進出隧道形成的活塞風，并通過活塞風道風井等設施與外界進行空氣交換，進行隧道日常的通風換氣，如圖3 所示。

圖3 地下車站區間隧道活塞通風示意圖

由于單軌列車在隧道內行駛產生的熱量，以及單軌列車車廂內的通風空調與隧道內的空氣進行熱濕交換，必然造成隧道內空氣焓濕量過高，同時造成有害氣體的聚集[9]。當單軌列車的活塞風無法將隧道內的熱量與濕量完全帶走時，需要設置機械通風，通過風機的強制對流，將區間隧道內的有害氣體排除隧道外，同時補入室外新風。

2.3.2 地下車站通風空調系統

城市軌道交通車站的站廳層、站臺層公共區是乘客活動的主要場所，也是通風空調系統的主要控制區，公共區的通風空調簡稱為大系統[10]。蕪湖火車站地下車站公共區通風空調采用采用全空氣一次回風系統，每端空調機房內各設1 臺組合式空調機組、1 臺回排風機、1 臺排煙風機負擔站廳、站臺層公共區排煙。組合式空調機組將室外新風與部分室內回風進行混合，對送風進行過濾冷卻去濕，并處理至室內狀態等焓濕量點后送至公共區。

地下車站的設備及管理用房主要為各機電設備室，如信號設備室、環控電控室、通信設備室、整流變壓器室、開關柜室等，以及運營管理用房，如站長室、警務室、站務室、更衣室、會議室等，其中機電設備室的工作環境狀態將直接影響城市軌道交通的乘車環境與安全運營[11]，各設備及管理用房對于溫濕度、空氣中的含塵量、房間內風速要求不盡相同，根據蕪湖市軌道交通地下車站的設計、暖通空調設備的選型，蕪湖火車站地下車站設備管理用房可以大致分為5 類：

1）空調設備用房，如車站控制室、站務室、AFC 票務室、弱電系統綜合值班室、信號設備室、環控電控室、通信設備室等。

2）冷風降溫用房，如35 KV 開關柜室、整流變壓器室、1500 V 直流開關柜式、上網隔離開關柜式室等。

3）空調管理用房，如站長室、會議室、警務室、乘務員休息室、更衣室等。

4）通風房間，如：通風空調機房、冷水機房、內走道、消防泵房、照明配電室、檢修室、電力電纜井、氣瓶室、安檢設備室等。

5）獨立排風用房，如茶水室、衛生間、盥洗室、保潔工具間等。

當設備及管理用房火災發生時，不同類型的設備用房選擇不同的消防模式[12]，對于管理用房與通風排風用房一般選用人工滅火，并通過機械排風方式進行排煙，而對于重要機電設備用房，關閉送、排風管進行氣體滅火。

3 BAS 系統構成及對暖通設備的監控

環境與設備監控系統對車站中的暖通空調系統（HVAC）、火災報警系統（FAS）、風機控制箱、冷水機組集控柜、環控柜、電動二通閥、多聯機等環控設備進行有效和全面的智能化集中監控與管理，通過前端處理器與遠程模塊箱對車站內溫濕度、CO2傳感器、FAS系統上傳的數據進行采集分析，以此對通風空調系統進行相應的模式控制，提供一個舒適的乘車環境，同時兼顧機電的節能管理，并在單軌列車阻塞或火災等突發事故狀態下，協調與聯動車站設備，充分發揮各機電設備應有的作用，保證乘客的安全[13]，其中車站BAS系統構成如圖4 所示。

圖4 車站BAS 系統構成圖

3.1 BAS 系統構成

BAS 系統采用分散集中的原則在被控設備附近設置遠程I/O 模塊等，遠程I/O 模塊及通信接口等模塊采用冗余雙總線接入PLC 控制器。在車站通風機房、照明配電室、車站各類水泵房或水泵房附近、變電所等地設置遠程I/O 模塊箱，監控現場設備。

控制中心和車站通過BAS 系統進行機電設備的集中管理，并可由控制中心調度工作站、車站操作員工作站、就地控制箱進行機電設備控制。當發生火災時，FAS 系統會將火災信息傳輸給BAS 系統，由BAS系統按照預定模式或工作人員的操作，進行相關設備的聯動。如關閉空調系統，開啟防排煙系統，并對送風與排煙方向進行控制，同時開啟閘機與釋放門禁，疏散人員。

3.2 BAS 系統與暖通設備之間的接口

BAS 系統通過與環控柜、冷水機組集控柜、風機控制箱、電動二通閥、電動防煙防火閥、電動排煙窗之間的接口，進而控制暖通空調設備[14]。在地下車站兩端的環控電控室內，通過五類屏蔽網絡電纜，建立BAS系統機柜與環控柜之間的通信通道，其中接口界面如下圖5 所示：

圖5 BAS 系統與環控柜接口界面

在BAS 與環控柜之間建立通信通道，可實現對相關通風空調設備的自動監視及控制，BAS 可采集環控設備的狀態以及報警信息，并下達控制指令，控制相關設備按監控要求運行或停止，對于地下車站的風機盤管，由電動二通閥調節其冷凍水的出水量，BAS系統遠程模塊箱中的AO、AI、DI 模塊端子與風機盤管上的電動二通閥通過硬線進行連接，用來對電動二通閥的開度進行監視與控制，進而控制風機盤管的空氣處理效果，接口界面如圖6 所示：

圖6 BAS 系統與電動二通閥接口界面

除上述BAS 系統除與環控柜、電動二通閥、冷水機組集控柜之間的接口外，還與多聯機、機房專用空調、風機控制箱、防火閥、排煙窗等通過RS485、RJ45、硬線等方式與遠程模塊箱中的端子進行連接，從而監視風機等設備的故障報警、運行與停止。

3.3 BAS 系統對暖通空調的智能控制與探討

BAS 系統的功能主要有：1）數據庫管理功能。2）輸入數據處理功能。3）通用的人機界面，人機界面的圖形與文字顯示，用層次化、生動豐富的畫面，將系統和各子系統接線圖、總貌圖、流程圖、趨勢圖顯示出來，如圖7 所示，顯示的畫面主要有各系統的主畫面、設備維護畫面等，如設備布置圖、大系統通風圖、隧道通風圖、小系統通風圖、空調水系統圖、溫濕度傳感器圖等。4）監視功能，系統及現場設備的狀態通過操作員操作站監視，狀態信息用文本或靜態與動態圖形的方式顯示。5）冗余設備的自動切換。6）系統安全與操作權限的管理。

圖7 BAS 系統環控控制界面

通風空調設備監控模式的優化，對智能化管理與運營有著重要的作用，通過BAS 系統的集中監控，有利于后期運營和節能管理，以及突發模式下的緊急控制與正常模式下的時間表控制[15]，通過BAS 系統統一管理設備的啟停，不同運營時刻進行不同自動化控制。

通風空調系統運行模式有正常運行模式、火災運行模式、突發狀況運行。在正常運行模式下，BAS 系統通過接收并分析溫濕度傳感器以及二氧化碳傳感器的記錄數據，判別應運行何種控制模式，在空調季節有小新風運行模式、全新風運行，非空調季節應當進行全通風模式[16]，以保證車站環境的舒適性。

除正常運營模式外，還應當考慮區間隧道火災、站臺層火災、站廳層火災、站臺軌行區火災、設備管理用房火災、出入口通道火災、列車阻塞在高架車站或地下車站時，通風排煙系統的控制模式，通過BAS 聯動其他系統，控制相應的風機送風方向，排煙系統的排煙方向，保證人員及時的疏散。

除上述可能存在的風險，還需及時更新信息，分析研究當前以及未來的規劃和需求，目前中國處于疫情防控階段，給軌道交通建設和后期運營提出了新的難題，蕪湖市軌道交通多數為高架車站，在站廳層和站臺層采用開窗自然通風，可以有效的保證車站的通風換氣，利于乘客的安全，對于地下車站，通風空調設計為全空氣一次回風系統，將新風與部分回風處理至室內狀態等焓濕量點后送至公共區，回風中可能會含有新冠病毒，此時將新風與部分室內排風混合后，送入公共區或設備用房將造成人員感染的風險。

4 總結與思考

本文詳細論述了蕪湖市軌道交通1 號線、2 號線一期工程中通風空調制式與系統構成、BAS 系統的構成與控制模式，以及BAS 系統通過與通風空調各設備之間的接口，形成對通風空調的集中管控與聯動。在暖通空調設計的基礎上，如何利用BAS 系統對其進行智能化管理與控制，是值得探討研究的，這關系到設備調試以及開通運營。當BAS 系統能合理控制通風空調系統的運行，才能保證乘車的安全與舒適性，同時應考慮實際工程、氣候條件以及后期運營情況，合理的設計與優化控制模式。BAS 系統軟硬件需要達到一定標準，可開發各種模式的管理操作程序，方便后期運營人員操作，以達到節能、環保、安全、智能化運營。