基于實測的地鐵車站設備管理用房通風空調系統性能優化分析研究

宋 潔 鄭 懿 張曉晨

1.上海申通地鐵集團有限公司

2.同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

地鐵是現代城市的動脈，在城市交通系統中發揮著重要作用。為了維持地鐵交通系統的正常運行，穩定可靠的地鐵車站通風空調系統不可或缺。地鐵車站通風空調系統通常分為三個部分：隧道通風空調系統、車站公共區通風空調系統以及車站設備管理用房通風空調系統［1］。目前關于地鐵車站通風空調系統的性能優化與節能技改研究，有很多針對車站公共區通風空調系統即“大系統”來開展，因其負責站廳站臺等負荷較大的公共區域的空氣熱濕參數調節與新風控制而需要較大的容量。但實際控制地鐵車站設備管理用房環境參數控制的“小系統”同樣在地鐵通風空調系統中起著重要作用。小系統不僅要調節各管理用房內的熱濕參數，為車站工作人員提供舒適的工作環境，還需要控制設備用房的溫濕度，而部分設備的正常運行可能對環境參數控制有一定的精度要求，這對應了更高的故障成本，也對通風空調系統的運行調節提出了更高的要求［2］。

目前國內的地鐵車站設備管理用房通風空調系統從設計階段到運行階段都存在一定的改進空間［3］。在設計階段，負荷匹配度低、管道布置阻力不平衡、冷機容量過大等問題常常出現；在運行階段，風系統流量失衡、水系統管路泄漏、冷機能效降低等問題時有發生［4］。因此，有必要對典型項目進行實地檢測與分析，對地鐵車站設備管理用房通風空調系統實際運行階段出現的各種問題進行及時的診斷。一方面，可以實現對已有系統的運行策略優化，另一方面，也可以為新建地鐵車站通風空調系統在設計層面提供參考。

上海作為超大規模的現代城市，其城市地鐵交通線已經成為市內人員密度分配與平衡的關鍵通道，配套的地鐵車站通風空調系統相對也較為成熟且完善［5］。本文基于對上海地鐵某線甲站與乙站的實地檢測調研評估，通過項目的對比分析研究，以期從技術、設備、管理等多方面提供地鐵車站設備管理用房通風空調系統問題解決與優化方案。

1 檢測評估

1.1 項目概況

檢測評估對象的基本情況見表1。

表1 車站設備管理用房通風空調系統基本情況

1.2 評估方案

本次檢測評估對象為甲站與乙站設備管理用房通風空調系統，檢測評估將按照房間需求、末端設備、冷熱源、運維等層次，在日常實際運行工況條件下，分別對室內環境、空調機組與末端風口、冷水機組制冷系統/多聯機系統能效、運維及檢查這四方面進行檢測評估，具體內容如下：

1）室內環境：分別對兩座地鐵車站的設備管理用房室內熱濕環境及空氣品質進行檢測與評估，具體包括室內空氣溫濕度、CO2濃度、PM10、PM2.5濃度檢測，以評價空調及通風系統的實際運行效果。

2）空調機組與末端風口：分別檢測兩座地鐵車站設備管理用房空氣處理機組的總風量、新風量、機外靜壓、功率、噪聲等，部分參數可與環控系統監控界面相應參數監測結果對照，同時，檢測設備管理用房各個房間的送風口風量及溫濕度，評估系統負荷匹配及風量平衡情況。

3）冷水機組制冷系統/多聯機系統能效：通過對甲站制冷機房和乙站的多聯機室內室外機性能測試，以評估制冷系統能效，完成不同制冷系統形式的能效對比。

4）運維及檢查：調研兩座車站通風空調系統檢測日運行概況，確定檢測邊界條件；對兩座車站通風空調系統進行故障檢查，了解當前系統與設備存在的典型問題及短板；通過調研通風空調系統維修保養記錄，評估系統運行可靠性；通過調研系統運行模式及執行情況，了解通風空調系統在運維層面的節能與優化潛力。

通常對于地鐵車站通風空調系統而言，夏季為空調季，過渡季節與冬季為非空調季。在空調季，系統穩定運行，機組統一設定冷凍水出水溫度為7 ℃。在非空調季，集中冷源不運行，但對于設置有冷暖型多聯機空調的房間，在冬季也可以提供制熱，故對于本項目針對的車站空調小系統而言，甲站采用集中冷源中央通風空調系統，因此在非空調季按照設計文件要求的運行模式確定開啟通風設備；乙站采用多聯機+新風系統，因此在非空調季按照設計文件要求的運行模式開啟送排風機。

為了實現評估目標，需要準確、充分地獲取現場環境與設備參數。在空調季與非空調季分別選取空氣參數相近的3-4 天進行測試，記錄室內外環境空氣溫度與相對濕度，室內環境CO2、PM10、PM2.5濃度，室內送風口風量、溫度、相對濕度。在空調季，記錄空調機組風量、機外余壓、輸入功率、噪聲，冷水機組輸入功率、冷凍水流量與進出水溫度，冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔輸入功率，多聯機機組輸入功率，室內機、室外機進出風溫度及風量。在非空調季，記錄風機設備實時功率。

1.3 檢測結果

根據設計文件，夏季設備及管理用房空調計算干球溫度34.0 ℃、濕球溫度28.2 ℃。夏季通風計算溫度32 ℃。車站管理用房夏季空調計算干球溫度27 ℃、相對濕度40%～65%。車站設備用房夏季空調計算干球溫度27 ℃,相對濕度40%～60%。設備管理用房新風量按每人30 m3/h 計算，且新風量不小于總送風量的10%。車站設備用房冬季空調計算干球溫度18 ℃，相對濕度無標準上限值。

根據標準GB/T 51357-2019《城市軌道交通同等空氣調節與供暖設計標準》［6］，地下車站通風空調系統空氣CO2濃度設計值為1 000 ppm，PM10日平均濃度為0.15 mg/m3。根據標準GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》［7］，采用螺桿式冷水（熱泵）機組時，在夏熱冬冷地區，其在名義制冷工況和規定條件下的性能系數（COP）應大于4.80（名義制冷量小于528 kW）。

空調季檢測日期為2021年9月22日-24日。室外環境參數為溫度32.7～36.8 ℃，相對濕度：41.9%～48.2%。新風井環境參數,溫度32.1 ℃，相對濕度60.3%。檢測前冷水機組出水溫度設置為7 ℃。非空調季檢測日期為2022年3月3日-4日。室外環境參數溫度14.8～19.4 ℃，相對濕度49.4%～62.1%；新風井環境參數為溫度16.2 ℃，相對濕度55.7%。

對于室內空氣參數，以滿足率的形式在表2 中給出測試結果。甲站小系統采用集中冷源中央通風空調系統，乙站小系統采用多聯機通風空調系統。從空調參數的滿足率可見，夏季冷源運行狀態下，溫度滿足率都較高，而冬季中央通風空調系統不供熱時，甲站溫度滿足率有一定程度的降低。從夏季的濕度控制水平來看，甲站的中央通風空調系統效果要優于乙站的多聯機系統，同時CO2滿足率也更高。

表2 甲站、乙站空調參數滿足率對比

根據夏季工況的檢測結果，乙站地鐵站及甲站地鐵站空調小系統能效對比見表3。

表3 地鐵站能效系數對比表

乙站地鐵站空調小系統采用風冷式單冷型的多聯機機組，根據GB 18837-2015《多聯式空調（熱泵）機組》［8］，SEER 值應當不小于3.1 Wh/(Wh)，甲站地鐵站空調小系統采用螺桿式冷水（熱泵）機組，根據GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》，在夏熱冬冷地區，其在名義制冷量小于528 kW 時，制冷工況和規定條件下的性能系數（COP）應大于4.80。由此可知，乙站地鐵站空調小系統在測試工況下能效系數達到《多聯式空調（熱泵）機組》中的要求，甲站地鐵站LS-3冷水機在測試工況下未達到《公共建筑節能設計標準》中的要求。

根據夏季/冬季工況的檢測結果，甲站地鐵站的空調小系統在冬季工況下LS-5冷水機組未開啟，乙站地鐵站空調小系統在冬季工況下，T1、T4、T7 系統未開啟，僅開啟T5及T9系統，因此對T5、T9系統進行空調季與非空調季的能效對比（見圖1）。

圖1 T5及T9系統夏季/冬季工況能效對比圖

測試工況下，T5 和T9 系統夏季工況比冬季工況能效系數均略高。多聯式空調機組在冬季工況下，室內負荷較小，機組經常處于低負荷狀態下運行，此外，冬季工況現場測試時，室外機啟停頻繁，在該工況下，機組無法在最佳負荷率的范圍內保持穩定運行，從而導致能效略低。

2 結果與對比討論

地鐵車站內通常具有較大的公共空間，且公共空間內對溫濕度參數控制的精度要求不高，因此采用集中冷源的全空氣系統可以較好地滿足地鐵車站的整體需求，但對于小系統負責的設備用房與管理用房，則與一般辦公空間類似，多聯機通風空調系統在這種情形下有廣泛的應用。基于上述原因，地鐵車站設備管理用房選用的通風空調系統以全空氣系統和多聯機系統最為常見，而上一部分對兩個典型項目的測試結果則可以說明它們各自應用于地鐵車站設備管理用房時的一些特點。

2.1 能效對比

當小系統采用全空氣系統時，大系統與小系統的集中冷源可以在同一制冷機房內布置，甲站所采用的全空氣通風空調系統冷源即布置在同一機房內，可以在機房設計與設備布置層面上帶來一定的便利。甲站為設備管理區單獨選用1臺水冷螺桿式冷水機組（LS-3），在系統的運行策略上具有一定的靈活性。

從能效水平看，甲站集中式冷水機組的測試能效系數要大于乙站多聯機＋新風系統的測試能效系數，并且從額定能效系數百分比來看，集中式冷水機組的理論能效應當更高，因此，若直接在能效上對比，集中式冷水機組比多聯機+新風系統更有優勢。

實際情況下，集中式冷水機組通常要依賴于制冷機房各配套設備才能正常運行。水作為冷媒時，相比多聯機將制冷劑直接作為冷媒的情況而言，可輸送的范圍更廣，但是，相應地增加了冷凍水泵的能耗。同時，冷水機組不以空氣為冷源時，持續制冷需要冷卻塔和冷卻水泵不斷運行，因此對于集中式冷水機組供冷的全空氣系統而言，不應僅關注冷水機能效系數，而應當分析其機房整體能效。

對于甲站通風空調系統配套的制冷機房而言，若考慮機房整體能效，結果見表4。

表4 制冷機房能效

從系統EER 來看，若與乙站通風空調系統使用的多聯機能效系數（3.52）相比較，則多聯機+新風系統似乎更高。但實際上，制冷機房中的設備選型規劃通常是統籌進行的，甲站制冷機房中的冷卻水泵和冷卻塔提供的冷卻水是供地鐵站整個通風空調系統使用，而非僅供小系統使用，因此，若只考慮小系統的系統能效，應當在2.56～4.09 之間，并且相比多聯機+新風系統，集中供冷的全空氣系統有著更大的節能優化空間。夏季工況下，甲站全空氣系統制冷機房的系統能耗分別為冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔能耗，冷水機組系統的能耗占比見圖2。

圖2 甲站車站制冷機房系統能耗占比圖

由圖2可見，在制冷機房中，冷水機組的能耗絕對值占比最大，但冷水機組以外的設備能耗同樣值得關注。制冷機房中冷水機組為核心設備，理論上在一定的負荷條件下，冷水機組的能耗占制冷機房的能耗比例越大，制冷機房整體能效越高［9］，通常高效制冷機房中冷水機組的能耗占比可達80%，而從圖1 的結果來看，說明甲站制冷機房內能耗配置還有待優化。提升制冷機房能效的方法，從設計層面可以采用優化機房管理布置、聯動使用蓄冷系統等措施，在運行層面則可以采用大溫差供冷策略，結合制冷機房群控系統尋求機房能效最優化。調節冷凍水、冷卻水側的循環溫差，當溫差增大時對應的流量需求將降低，進而水泵能耗降低，這一策略對于冷水機組能耗占比相對較小的制冷機房尤為適用，但需要配套對應的機房群控尋優系統，否則可能反而使能效降低。

另一方面，由于多聯機系統可以靈活啟停，其能效系數相對較低，很大程度上是因部分負荷工況的運行時間較長所致，且集中式供冷的全空氣系統可能存在過度供冷，室內工作人員已經離開而通風空調系統仍在運行的情況經常發生。相比之下，多聯機系統可以實現就地控制，基本可以防止此類情況的發生。因此，即使集中式供冷系統的理論能效要高于多聯機+新風系統的理論能效，但實際項目兩種系統則是各有優劣，需要結合實際需求確定具體應用的系統形式。

為了結合項目需求作出對系統性能的對比評價，有必要對已有項目的實地檢測，但目前多聯機系統現場能效檢測方法并未在相關標準中落實。在制冷機房中，冷凍水、冷卻水的流量與進/出水溫度，冷水機、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔的能耗都可以即時獲取，因此各設備的電量輸入與占比、各末端的冷量輸出及分配都是較容易獲取的。相比之下，多聯機+新風系統的現場檢測則較難規范化。在室外機側，可以對功率進行實時測量，但作為冷媒的制冷劑，其溫度、壓力、流量都難以獲??；在室內機側，由于送風形式多樣，除傳統的風機盤管末端外，還有采用長條形出風口的末端，風量罩對風量的測量可能產生一定程度的誤差。另外，如果采用室內人員手動引入新風的通風方法，則新風量的測定與新風負荷則更難以定量實現。在乙站多聯機系統的測試過程中，在正常運行工況下，連續1小時內對室內機、室外機與對應的環境進行功率、風量與溫濕度的測定，從而獲取了能耗與室內氣象數據，但基于相關項目的廣泛需求，具體、規范的測試要求應及時在相關標準中得到落實。

對于在非空調季的部分時間內也需運行的乙站多聯機＋新風系統，對比其冬季與夏季的運行狀況發現，其冬季能效要低于夏季能效，且夏季、冬季能效均低于額定能效。運行能效低于額定能效，與其頻繁啟停，長期處于低負荷工況有關。上海屬于夏熱冬冷地區，而多聯機在冬季運行能效卻低于夏季能效，則可能是冬季運行時出現了結霜等異?，F象，及時地巡檢以排查這些問題有助于提高多聯式空調的運行能效。

2.2 運行效果對比

除能耗情況外，室內舒適度也是評價通風空調系統優劣的關鍵因素，溫度、濕度與室內污染物水平的控制都在不同層面上反映了兩種系統不同的特征。

在夏季，兩種系統均有較好的溫度控制效果，甲站的全空氣系統夏季室溫滿足率達到100%，乙站的多聯機系統僅有少數房間高于溫度推薦值，但從測試結果來看，超出值都在1 ℃以內，對室內人員的熱舒適感影響不大。在冬季，由于甲站通風空調系統不運行制熱工況，因此有部分房間溫度低于推薦值。但實際上，由于測試時間為冬末春初，臨近過渡季，室外溫度并不是很低，而若在溫度最低的冬季，則若全空氣系統冬季不供熱，則室內溫度環境可能相對較差。

相比溫度情況，夏季的室內濕度控制狀況則有待改善。采用全空氣系統的甲站，其回風與新風混合后由AHU 統一處理，因此濕度控制水平尚可接受；采用多聯機+新風系統的乙站，其濕負荷主要由新風系統承擔，但新風系統本身風量設定較小，且部分房間僅通過室內人員手動開窗的形式引入新風，而沒有固定的新風管道引入房間，因此濕度控制狀況比較惡劣。新風系統與多聯機系統全熱負荷狀況分配不合理，是多聯式通風空調系統使用時的常見弊端，而在地鐵車站此類人員密集場所，這一弊端可能被放大。若沒有合理規劃新風系統的布置，可能嚴重影響車站管理用房內人員的舒適度與工作效率。K2 系統房間室內CO2濃度見圖3，K2系統房間室內PM10、PM2.5濃度見圖4，T4 系統房間室內CO2濃度見圖5，T5 系統房間室內PM10、PM2.5濃度見圖6。

圖3 K2系統房間室內CO2濃度

圖4 K2系統房間室內PM10、PM2.5濃度

圖5 T4系統房間室內CO2濃度

圖6 T5系統房間室內PM10、PM2.5濃度

圖3、圖4 展示了甲站使用集中式供冷全空氣系統控制室內環境時的典型房間污染物狀況，圖5、圖6 展示了乙站使用多聯機+新風系統控制室內環境時的典型房間污染物狀況。在滿足率上，兩者差異并不大，但若直觀地對比污染物濃度，可以發現全空氣系統運行時，室內空氣質量相對更優。

室內污染物的控制狀況差異，從系統內分析，與濕度的控制情況類似，但從系統外分析，其散發源更為不穩定，很大程度上受到室外環境的影響，而不同類型的污染物主要來源的空間分布差異是很大的。例如，若將水蒸氣也看作一種污染物，則濕度的控制狀況和CO2的控制狀況在同一系統內應是基本一致的，但從實際的滿足率來看，濕度控制的滿足率則顯著低于CO2的滿足率，這是由于夏季室外空氣濕度較大，而CO2濃度波動則較小。因此，即使系統污染物控制水平滿足率較高，也并不能認定在污染較為嚴重的室外氣象條件下，系統仍然能充分保證室內空氣質量。

3 結論

地鐵車站設備管理用房通風空調系統通常可以采用與大系統一致的集中供冷式全空氣系統，也可以采用單獨的多聯式通風空調系統與新風系統組合的形式。在能耗方面，集中式供冷全空氣系統能效理論上通常高于多聯機，但多聯機系統運行狀態更靈活。在舒適性方面，全空氣系統將回風與新風混合后送入AHU 進行統一處理，因此在熱濕參數與空氣質量控制水平上一般優于多聯機+新風系統，其原因在于獨立新風系統常常不能按照設計工況運行，甚至部分房間僅靠人員開窗獲取新風，導致了其室內空氣品質不穩定。從不同的季節運行狀況來考慮，對于上海地區的氣象條件而言，多聯機+新風系統能夠較為靈活地應對空調季與非空調季不同室外溫濕度條件下的不同工況，而集中式供冷全空氣系統通常則僅針對空調季供冷和非空調季通風的條件來進行設計［10-11］。

對于不同的系統，可以采用不同的方式提升其能效，優化能耗水平以實現節約系統運行成本的目的［12］。對于集中供冷式全空氣系統，可以依據歷史氣象參數，基于負荷預測進行冷水機組負載匹配控制，對于整個制冷機房，以機房能效最高作為尋優邏輯優化，形成冷機-水泵-冷卻塔的能耗優化整體模型；對于多聯機+新風系統，要重點優化多聯機管路布置，減少制冷劑沿程壓降帶來的蒸發溫度損失，并在新風系統配置合理的全熱負荷容量，設置最低新風量指標，避免出現新風系統提供風量不足的情況，這也是保證多聯機+新風系統室內空氣品質控制水平的重要條件。