地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案設計

陳鐵強，武翔宇

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510030）

1 地鐵通風及空調(diào)系統(tǒng)的分類及構成

1.1 隧道內(nèi)通風系統(tǒng)

隧道內(nèi)的通風系統(tǒng)主要分為區(qū)間的隧道通風系統(tǒng)以及車站的隧道排風系統(tǒng)。

區(qū)間隧道通風系統(tǒng)主要由隧道風機、風道、組合風閥、消聲器組成，主要為了確保運營期間和非運營期間內(nèi)區(qū)間的通風；正常運營時通過活塞效應對隧道內(nèi)的余熱余濕進行排除；當列車阻塞在區(qū)間時，為保證設備的正常運行向區(qū)間內(nèi)送風；當發(fā)生火災時，啟動對應的風機來確保可以及時地排除煙氣。車站內(nèi)的隧道排風系統(tǒng)主要由排熱風機、風閥、消聲器等設備組成，主要功能是對列車停靠時產(chǎn)生的熱量進行排除；在發(fā)生火災時輔助車站排煙。

1.2 車站的大系統(tǒng)

車站大系統(tǒng)主要由組合式空調(diào)機組、風機（送風機，排風機等）、閥門等設備組成，主要功能是在正常情況下保證公共區(qū)環(huán)境溫度和濕度在適宜范圍內(nèi)；出現(xiàn)火災時，通過與其余系統(tǒng)共同動作，及時對火災產(chǎn)生的煙氣進行排除，并且通過出入口進行補風，確保人員在逃生過程中不會被煙氣阻隔。

1.3 車站的小系統(tǒng)

車站小系統(tǒng)主要由空調(diào)器、風機（送風機、排風機等）、閥門等設備組成，主要功能為確保各設備機房的氣溫在合適的范圍內(nèi)，保證設備的正常運行，人員房間的氣溫及風速滿足人員需求并可以自主進行調(diào)節(jié)；當發(fā)生火災時，及時地排除煙氣，并防止產(chǎn)生的煙氣通過各種方式進入公共區(qū)或其余區(qū)域內(nèi)。

1.4 車站的空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)主要由冷水機組、水泵（冷凍水泵、冷卻水泵）、冷卻塔等設備組成。主要為地鐵內(nèi)的空調(diào)器提供冷凍水，給予其所需要的冷量，使空調(diào)器可以滿足各種工況的運行要求。

2 通風空調(diào)系統(tǒng)的負荷分析

由于地鐵是地下建筑，常年不與外界接觸，而且一般埋深較大，外界對地鐵車站溫度的影響較小，所以，車站里面的人員數(shù)量，站廳公共區(qū)和站臺公共區(qū)燈具照明、廣告牌、指示牌、自動售票機、進出閘機、票房售票機、驗票機、店鋪、銀行等設備的發(fā)熱量是影響公共區(qū)大系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的主要因素，設備區(qū)內(nèi)各設備的發(fā)熱量及工作人員的數(shù)量是影響小系統(tǒng)熱狀況的主要因素。在平時的設計中，一般將公共區(qū)各設備的發(fā)熱量確定為定值，設備區(qū)內(nèi)各設備用房的發(fā)熱量也是由各專業(yè)進行提供，也可認定為定值；而且對于站臺層采用屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站，隧道內(nèi)產(chǎn)生的熱量對車站的影響也大大減少，電動扶梯和垂直電梯發(fā)熱量暫按全天恒定考慮，此時的車站內(nèi)發(fā)熱量的變化主要是乘客流量的不同引起人員發(fā)熱量的變化造成。如果忽略站內(nèi)圍護結構的熱慣性，站內(nèi)的逐時發(fā)熱量可近似看作是逐時空調(diào)冷負荷。

以典型站為例，給出夏季日負荷變化圖，如圖1所示。

由站內(nèi)客流及發(fā)熱量（冷負荷），可以計算出當送風溫差固定時逐時送風量（見圖2）。

3 地鐵站空調(diào)負荷特點及節(jié)能策略

3.1 定風量運行時的系統(tǒng)能耗

以典型站為例，計算采用定風量運行時的環(huán)控系統(tǒng)能耗。當采用空調(diào)季小新風狀態(tài)運行時，空調(diào)器、回排風機、小新風機處于全部開啟的狀態(tài)；當采用空調(diào)季全新風狀態(tài)運行時，空調(diào)器、回排風機處于全部開啟的狀態(tài)；當處于冬季時，室外空氣溫度較低，此時風機與空調(diào)器采用間歇運行或風量減半的運行方式，并從地鐵站內(nèi)的各個出入口自然進風。

通過計算，為了保證室內(nèi)的溫度、濕度達到標準，并在考慮風機存在溫升狀態(tài)后，計算出的送風溫度為22.8℃。由圖2送風量圖可以看出，設計日空調(diào)送風量最大約320 000 m3/h。

根據(jù)上述的空調(diào)通風方案與控制方式，可以計算出地鐵車站公共區(qū)的全年能耗（見圖3）。

3.2 變風量調(diào)節(jié)的可行性

地鐵站中，早高峰和晚高峰時的風量相較于其他時候更突出，究其原因在于人員的突然增加使風量突然增大，故而出現(xiàn)了兩個最大值，而除了這兩個時間段外，進出地鐵站的人員遠少于高峰數(shù)量，故風量較低。在采用風機定風量的方案時，為了滿足全天室內(nèi)環(huán)境的舒適性，則必須要滿足早高峰、晚高峰這兩個時間段的峰值風量，導致在非高峰期出現(xiàn)了多余的風量。按照日平均風量計算能耗，計算出能耗為按峰值計算能耗的70%左右。因此，風機定風量運行會導致能耗被嚴重的浪費，采取一定的措施改變運行方式是非常重要的。

4 風機變風量調(diào)節(jié)策略

變風量運行可以用下列兩種方式實現(xiàn)：

1）更改運行的風機數(shù)量。根據(jù)實際的人員數(shù)量情況及設備發(fā)熱情況計算各時間段所需要的風量，并根據(jù)實際計算的風量調(diào)整每個時間段正在運行的風機數(shù)量。比如，當空調(diào)負荷減小到設計負荷的1/2時，只開啟1/2的風機。由于管路系統(tǒng)特性變化較小，此時風量稍大于原本的1/2，能耗也稍大于原能耗的1/2。但這種調(diào)節(jié)方式屬于有級調(diào)節(jié)，一旦空調(diào)負荷超過設計負荷的1/2時，全部風機均需要開啟。

2）采用既變頻又變風量的運行模式。在最初的設計中，設計人員一般按照遠期地鐵的早高峰或者晚高峰數(shù)據(jù)對大系統(tǒng)的風機進行選型設計，導致了整體的風機選型數(shù)據(jù)偏大，而在實際的應用中，客流量遠比設計值要小，導致各風機無法在最佳工作點進行工作。因此，需要采用變頻器等方式對風機進行調(diào)節(jié)，保證其風量及冷量與實際工況不會出現(xiàn)大的偏差，同時也產(chǎn)生了節(jié)能的效果。

風機的風量、水泵的流量、風機及水泵的消耗功率與風機及水泵的轉(zhuǎn)速有下述關系：

式中，V1和P1分別為風機（或水泵）在N1轉(zhuǎn)速下的風量（或流量）和功率，m3/s；V2和P2分別為風機（或水泵）在N2轉(zhuǎn)速下的風量和功率，kW。

由式（1）、式（2）可得：風量（或流量）與風機（或水泵）的轉(zhuǎn)速成正比，功率與風機（或水泵）的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。可以得出在60%~90%風機（或水泵）轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對風機（或水泵）進行變頻調(diào)速，風機（或水泵）的動態(tài)節(jié)能效果為27%~78%，節(jié)能效果非常明顯。而且如果進行變頻的調(diào)速控制，對電網(wǎng)的沖擊可以繼續(xù)減輕，對設備和閥門的消耗也比之前小，壽命得到了延長，從而設備的維護費用也得到了節(jié)省。

因此，風機的相關能耗在地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗中占比較大，對于地鐵車站的節(jié)能，風機本身的節(jié)能運行就非常重要。

根據(jù)上述分析及計算可以得出，為保證地鐵車站的節(jié)能運行，通風空調(diào)的運行方式需采用變頻變風量系統(tǒng)；針對室外氣溫較高的天氣時，采用大溫差小風量的方式；同時排風道內(nèi)的阻力相對較小，在采用通風進行室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)時，建議利用排風機及風道通風。地鐵的出入口相對截面積較大，可以充分利用出入口進行通風換氣，降低風機能耗，更好地利用室外溫度較低的空氣降溫。

在室外空氣焓值小于空調(diào)送風焓值時，溫度是最主要的控制量。在這個階段，地鐵車站內(nèi)的空氣溫度高于室外的空氣溫度，故在通常情況下，當室內(nèi)溫度滿足室內(nèi)的溫度要求時，地鐵站內(nèi)的相對濕度也滿足室內(nèi)的濕度要求，但存在濕度過大的情況，在這種情況下，可以放寬溫度標準，從而確保室內(nèi)濕度滿足濕度的要求。若室外的空氣含濕量小于地鐵站內(nèi)的空氣含濕量，此時應該通過風機等設備加大通風量，反之則減少通風量。

5 冷水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案

5.1 冷水系統(tǒng)能耗分析

空調(diào)水系統(tǒng)的主要耗能設備是冷水機組、冷凍泵、冷卻泵等，其中，冷水機組的容量一般為200~300 kW，供回水溫差一般可以顯示冷水機組的能耗水平；冷凍泵、冷卻泵等動力設備運行的實際功率越大，能耗越大[1]。

5.2 針對冷水系統(tǒng)的節(jié)能控制

冷水機組的啟動臺數(shù)是由供/回水溫度進行控制的，其自身可自動實現(xiàn)能級調(diào)節(jié)，空調(diào)的負荷一般由供/回水溫度決定。因此，優(yōu)化冷凍機組的供回水溫度，使之既滿足實際的運營需求，又可以節(jié)能。

當所需冷負荷較小時，空調(diào)二通閥已經(jīng)開到最低程度，無法繼續(xù)實施調(diào)節(jié)，則大部分的壓力會消耗在調(diào)節(jié)閥上，如果此時調(diào)整冷水機組的出水溫度，即升高出水溫度，則對提高機組性能以及減低能耗有很大的益處；反之當冷負荷很大時，降低出水溫度也可達到上述益處。

通過變水量的變頻調(diào)速方法，冷卻供/回水溫度可控制冷卻泵和冷卻塔風機的啟動臺數(shù)或調(diào)節(jié)冷卻泵和冷卻塔風機的轉(zhuǎn)速。故水泵和風機均可采用變頻的方式進行節(jié)能。

冷凍泵根據(jù)供/回水溫度或壓差來控制啟動臺數(shù)或調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，地鐵通常采用一次泵系統(tǒng)。采用一次泵變流量壓差變頻調(diào)速是最具節(jié)能效果的方法，因此，冷凍泵可采用變頻技術來節(jié)能。

通過壓差進行控制可使冷水閥處于安全的壓力狀態(tài)下，同時由于冷水閥較少，可通過所有閥位的反饋，調(diào)整壓差設定值，使冷水閥開度維持在70%~90%，保證冷凍水循環(huán)的阻力為最小，系統(tǒng)損耗最小。

6 結語

本文主要針對風機和冷水機組進行了節(jié)能方案的設計，其中，風機主要采取了變臺數(shù)運行和變頻變風量運行的模式，針對實際情況減少風量，進行節(jié)能；對于冷水機組，節(jié)能的方式主要通過改變冷凍機的供/回水溫度，確保冷量不會出現(xiàn)過多的損失。