關(guān)于地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能的探討

孫寶鑫

摘要：文章根據(jù)地鐵環(huán)境特點提出影響地下通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的幾點因素，并簡要介紹地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的幾種節(jié)能途徑。

關(guān)鍵詞：地鐵環(huán)控系統(tǒng)；模式設(shè)計；節(jié)能

我國正處于大規(guī)模城市化的時期，全國各大城市的交通狀況一直非常緊張，交通不暢嚴(yán)重影響著人們的生活，制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。改善城市公共交通狀況已經(jīng)成為各大中城市政府相當(dāng)急迫的要求和共識。隨著近年來軌道交通的高速發(fā)展，北京、上海、廣州、深圳、天津、南京等各大城市都建成或正在實施各自的快速軌道交通路網(wǎng)的骨干線路。地鐵具有高效、快捷、安全和污染小的特點，避開了地面道路擴(kuò)容困難的矛盾，有效地緩解了交通難的問題。因此地鐵建設(shè)在世界各大城市得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為城市大運量公共交通系統(tǒng)的首選。

一、地鐵環(huán)境特點

地鐵是一類特殊的建筑，是由多個車站通過隧道連接成的一個整體。地鐵主體建筑（車站和行車隧道）一般位于地下數(shù)米至數(shù)十米深處，其上覆蓋土層，是一個相對封閉的場所。內(nèi)部空間（包括隧道和站臺，站廳等）較大，但與外界連通的開口相對較少，只有少量的通風(fēng)井和車站的出入口與外界直接連通，其他部分基本上與大氣隔絕。由于功能上的要求，地鐵一般是全年運行的，在車站和隧道內(nèi)有大量的人流和車流，而且流量在不斷地變化。地鐵運營和乘客進(jìn)出站口揮發(fā)出大量的熱量，使空氣濕度增大，同時還產(chǎn)生一些有害氣體，如不及時排除就會降低地鐵的運營環(huán)境。同時，當(dāng)列車因非火災(zāi)事故阻塞在區(qū)間隧道內(nèi)時，因不能產(chǎn)生“活塞效應(yīng)”而無法提供新鮮空氣而導(dǎo)致停留在車廂內(nèi)的乘客和向安全地疏散的乘客感到不舒適。隨著人們生活水平的提高，地鐵必須給乘客提供一個舒適度高的環(huán)境。因此，建立一套完整的環(huán)控系統(tǒng)不僅是乘客舒適乘車的要求也是確保地鐵安全運營的要求。

二、地鐵環(huán)控系統(tǒng)組成及作用

地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：隧道通風(fēng)系統(tǒng)；車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）；車站管理用房和設(shè)備用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）；空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)；隧洞口空氣幕系統(tǒng)；折返線通風(fēng)系統(tǒng)等。環(huán)控系統(tǒng)的作用是控制和調(diào)節(jié)地鐵內(nèi)的熱環(huán)境，保證地鐵內(nèi)的IAQ（室內(nèi)空氣品質(zhì)）在一個合理舒適的范圍之內(nèi)，滿足乘客和工作人員的舒適性、健康和安全需求，滿足設(shè)備的工作要求。此外，它應(yīng)當(dāng)在事故及災(zāi)害情況下進(jìn)行通風(fēng)、排煙和排熱，起到生命保障及輔助滅火作用。

三、環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能途徑

作為地鐵運輸系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，在保證地鐵環(huán)境的同時，地鐵環(huán)控系統(tǒng)的代價也是高昂的。由于地鐵內(nèi)部的巨大空間和負(fù)荷，環(huán)控系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)、空調(diào)機(jī)的裝機(jī)容量都相當(dāng)大，由此引起大量設(shè)備投資和運行能耗費用。尤其是運行能耗，而其中環(huán)控系統(tǒng)能耗在總能耗中占相當(dāng)大的比例，已經(jīng)嚴(yán)重影響到地鐵運營的經(jīng)濟(jì)性。因此環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能具有重要的意義。

（一）通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

目前地鐵環(huán)控系統(tǒng)基本采用全空氣系統(tǒng)，由于地鐵的負(fù)荷特點，風(fēng)機(jī)的運行時間要長于制冷機(jī)，而且風(fēng)機(jī)的功率遠(yuǎn)大于一般建筑的空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，因此風(fēng)機(jī)能耗比例通常大于一般建筑的空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗比例。地鐵環(huán)控系統(tǒng)運行能耗中，風(fēng)機(jī)能耗所占比例最大。冷機(jī)能耗雖然也不小，但由于地鐵負(fù)荷的特點，發(fā)熱量不可能有大的減少，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，螺桿式冷水機(jī)組已具有良好的部分負(fù)荷特性，冷量調(diào)節(jié)范圍為20-100%，所以冷機(jī)節(jié)能的余地不大。因此，車站節(jié)能的重點應(yīng)放在風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化上。

1、隧道通風(fēng)系統(tǒng)。站臺下/軌道頂排熱通風(fēng)系統(tǒng)中UPE/OTE風(fēng)機(jī)正常情況每日從地鐵運營開始至運營結(jié)束期間一直運作，是長期運作風(fēng)機(jī)。其作用是排除列車進(jìn)站、停站、出站時的產(chǎn)熱量，以減少列車發(fā)熱量對車站及區(qū)間的影響，同時還兼容排煙功能?？紤]到近遠(yuǎn)期列車對數(shù)不同、列車發(fā)熱量不同、風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量不同，UPE/OTE風(fēng)機(jī)宜采用變頻風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)風(fēng)量，既能滿足功能要求又可以達(dá)到良好的效果，同時對風(fēng)機(jī)的控制簡單可靠容易實現(xiàn)。

2、車站通風(fēng)系統(tǒng)。車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)由組合式空調(diào)箱、回/排風(fēng)機(jī)、空調(diào)新風(fēng)機(jī)組成，以往一般都是采用定風(fēng)量運行，靠調(diào)節(jié)設(shè)備的運行臺數(shù)來適應(yīng)車站負(fù)荷的變化。由于早晚兩個客流負(fù)荷高峰的存在，使送風(fēng)量出現(xiàn)兩個峰值而其他時候的風(fēng)量較小。采用定風(fēng)量系統(tǒng)時，必須滿足兩個峰值風(fēng)量，這樣在非峰值負(fù)荷時，其風(fēng)量顯然浪費了。如果按照平均風(fēng)量計算風(fēng)機(jī)能耗，則風(fēng)機(jī)能耗僅為按峰值風(fēng)量計算時的70%左右。可見采用定風(fēng)量運行的能耗浪費是相當(dāng)嚴(yán)重的，采用變風(fēng)量系統(tǒng)是必要的。

實現(xiàn)風(fēng)機(jī)變風(fēng)量最有效最節(jié)能的方法是對風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速。變頻調(diào)節(jié)具有無級調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對風(fēng)量的準(zhǔn)確控制，并保持風(fēng)機(jī)的效率不因風(fēng)量的減小而減小，從而達(dá)到明顯的節(jié)能效果。

（二）通風(fēng)、空調(diào)運行模式的優(yōu)化

通風(fēng)系統(tǒng)采用“只送不排”模式，利用車站出入口作為排風(fēng)道，可以節(jié)省大系統(tǒng)回排風(fēng)機(jī)的能耗。采用“只排不送”模式，車站出入口成為進(jìn)風(fēng)道，節(jié)省空調(diào)箱送風(fēng)機(jī)的能耗。

事實上，由于回排風(fēng)道上沒有過濾器和表冷器等局阻，回排風(fēng)道的阻抗小于送風(fēng)道的阻抗，因此相同條件下“只排不送”的能耗要小于“只送不排”的能耗。但是“只排不送”受新風(fēng)溫度限制，當(dāng)室外溫度過低時，采用“只排不送”由出入口進(jìn)風(fēng)，迎面吹來冷風(fēng)將令出站的乘客明顯覺得不舒適；此時如果采用“只送不排”，出入口排風(fēng)，且排風(fēng)溫度高于外溫，迎面吹來的暖風(fēng)將使正進(jìn)站的乘客覺得更舒適。需要注意的是，采用單排或單送模式時，出入口送/排風(fēng)可能和無組織進(jìn)/出風(fēng)相疊加，需考慮出入口風(fēng)速過大的問題。

文獻(xiàn)指出送風(fēng)溫度與系統(tǒng)能耗的關(guān)系：存在著一個令總能耗最小的送風(fēng)溫度的極小值，送風(fēng)溫度小于極小值以后，系統(tǒng)能耗上升非常緩慢。根據(jù)這一理論，送風(fēng)溫度盡可能的定得比較低以減少風(fēng)機(jī)能耗，在工程計算一般情況下，給出幾個送風(fēng)溫度作為設(shè)定值，當(dāng)實際送風(fēng)溫度高于該值時，降低冷凍水供水溫度，反之則提高。

（三）集中制冷

這是近期經(jīng)常提出的研討課題。目前國內(nèi)地鐵多為各站分設(shè)冷水機(jī)房。集中冷凍方式集中設(shè)置冷卻塔和制冷設(shè)備，減少制冷機(jī)房數(shù)量和占地面積，解決冷卻塔分站設(shè)置的難點，減輕對城市景觀造成的負(fù)面影響，具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。同時，它在初投資、運行費用及壽命周期總費用等方面都低于集中冷卻方式，具有相對于集中冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。因此，應(yīng)該在受到條件限制不便設(shè)置冷卻塔的地鐵車站中大力推廣這一集中供冷方式。建集中制冷站有兩種方案：一是橫向即一條線多個車站的制冷站合建。冷水通過管網(wǎng)（敷設(shè)在地下或地鐵隧道內(nèi)）送至各車站。此方案需要根據(jù)不同線路和車站的方案具體從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、節(jié)能、城市規(guī)劃等方面進(jìn)行利弊分析比較確定。二是縱向即換乘站集中合建。目前國內(nèi)大城市均在大力興建地鐵，大型換乘站越來越多，且多條線縱向交叉。換乘站一般分為既有制冷站和新建制冷站。傳統(tǒng)的設(shè)計理念是不同線路分別建制冷站，這樣造成機(jī)房多、冷卻塔多。如果拆除既有制冷站并與新建線路制冷站合建，只要實施社會化管理，對不同部門進(jìn)行用冷計量，集中制冷站的方案完全可行，并具有明顯的優(yōu)勢：供冷半徑小，節(jié)約機(jī)房面積，減少站外冷卻塔與膨脹水箱數(shù)量，從而減少噪聲污染，美化城市景觀，精簡運行管理人員以節(jié)省人員開支，提高制冷機(jī)COP值，節(jié)約能源及運行費用。

（四）屏蔽門模式

環(huán)控系統(tǒng)的運行模式分為開式運行模式、閉式運行模式、屏蔽門模式3種形式。設(shè)置站臺屏蔽門，就是通過在地鐵車站的站臺候車區(qū)與行車軌道之間設(shè)置屏蔽門裝置，將地鐵車站與區(qū)間隧道從空間上分隔開來，將車站和區(qū)間分隔成兩個不同的空氣環(huán)境區(qū)域。站臺屏蔽門可以減少列車活塞風(fēng)對車站站臺環(huán)境的影響，列車運行產(chǎn)生的熱量大部分通過設(shè)置在車站端部的活塞風(fēng)道及車站行車道頂部和站臺下排熱風(fēng)道直接排放到地面，因而可以阻止大部分的列車散熱量進(jìn)入車站。據(jù)以往的工程經(jīng)驗值比較，屏蔽門模式車站空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷僅為閉式運行系統(tǒng)的22-28%，從而減少車站通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷及用電負(fù)荷，節(jié)省通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運行費用。

地鐵屏蔽門系統(tǒng)是現(xiàn)代化地鐵工程的必備設(shè)施。地鐵安裝屏蔽門系統(tǒng)，不僅可以防止乘客跌落或跳下軌道而發(fā)生危險，讓乘客安全、舒適地乘坐地鐵，而且屏蔽門系統(tǒng)作為一種高科技產(chǎn)品所具有的節(jié)能、環(huán)保和安全功能，減少了站臺區(qū)與軌行區(qū)之間冷熱氣流的交換，降低了環(huán)控系統(tǒng)的運營能耗，從而節(jié)約了營運成本，因此在夏季空調(diào)季節(jié)較長的地區(qū)普遍被采用。

四、結(jié)束語

環(huán)控系統(tǒng)是地鐵工程中的一個重要組成部分，它對地鐵環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響，其重要性引起了國內(nèi)外許多者和設(shè)計者的關(guān)注。有效的節(jié)能手段使得環(huán)控能耗顯著下降，節(jié)約了大量能源，從而減少了地鐵對于自然環(huán)境的影響，對于建設(shè)綠色地鐵有重要的意義，也符合當(dāng)前建設(shè)節(jié)能型社會、和諧社會的趨勢，具有良好的社會效益。

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（作者單位：天津濱?？焖俳煌òl(fā)展有限公司。作者為工程師）