鄭州地鐵某標(biāo)準(zhǔn)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能策略研究

朱艷艷 代運(yùn)天 吳根平

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鄭州地鐵某標(biāo)準(zhǔn)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能策略研究

朱艷艷1代運(yùn)天2吳根平1

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 鄭州 450003；2.煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 鄭州 450007）

以鄭州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)對(duì)其通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析，得出制冷系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)能耗占地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)較大比例的結(jié)論。然后從制冷系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)入手，采取水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)及風(fēng)系統(tǒng)變頻控制等策略，可以有效降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，以期為地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。

地鐵通風(fēng)空調(diào)；節(jié)能策略；變頻控制

0 引言

目前鄭州人口已經(jīng)超過(guò)1100萬(wàn)，按照建成區(qū)面積計(jì)算，人口密度僅次于廣州，位居全國(guó)第二，地上交通壓力越來(lái)越大。鄭州地鐵的起步階段基本完成，地鐵1號(hào)線已經(jīng)通車，目前在建的線路為2號(hào)線、5號(hào)線、2號(hào)線延長(zhǎng)線，規(guī)劃到2030年地鐵線路達(dá)到17條。地鐵為城市交通帶來(lái)便利的同時(shí)，能源消耗形勢(shì)也很嚴(yán)峻，能源問(wèn)題直接影響地鐵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。有關(guān)研究表明，地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占整個(gè)地鐵系統(tǒng)能耗比重較大，約占整個(gè)地鐵用電負(fù)荷的45～60%，而地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)龐大，對(duì)能耗的影響因素也多[1]。通過(guò)對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬分析，找出其“能耗大戶”，然后對(duì)癥下藥，采取相關(guān)的節(jié)能策略，對(duì)減少地鐵能耗意義重大。

1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

1.1 地鐵地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組成

鄭州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組成包括四個(gè)部分：隧道通風(fēng)系統(tǒng)；車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）；車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）；空調(diào)冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)（水系統(tǒng)）。

（1）隧道通風(fēng)系統(tǒng)

隧道通風(fēng)系統(tǒng)包括區(qū)間隧道的活塞通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)（兼防排煙）與輔助設(shè)備及站內(nèi)隧道排風(fēng)（兼排煙）等。保證列車正常運(yùn)營(yíng)時(shí)有效排除隧道內(nèi)的余熱余濕，確保隧道內(nèi)溫度最熱月日最高平均溫度時(shí)不大于40℃；列車阻塞時(shí)，應(yīng)能向阻塞區(qū)間提供一定的通風(fēng)量；列車火災(zāi)時(shí)，應(yīng)能及時(shí)排除煙氣和控制煙氣流向，保證乘客疏散及消防撲救需要。

（2）車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）

主要是地鐵車站出入口通道、站廳和站臺(tái)公共區(qū)的通風(fēng)空調(diào)以及防排煙系統(tǒng)。目的是確保正常運(yùn)營(yíng)時(shí)能為乘客提供過(guò)渡性舒適環(huán)境；車站公共區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，大系統(tǒng)（可與其它系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，例如站內(nèi)隧道通風(fēng)系統(tǒng)）能迅速排除煙氣，同時(shí)誘導(dǎo)乘客安全疏散。

（3）車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）

車站范圍內(nèi)，除隧道通風(fēng)系統(tǒng)和大系統(tǒng)服務(wù)范圍以外的所有環(huán)境皆為車站的設(shè)備管理用房區(qū)域。小系統(tǒng)應(yīng)滿足該區(qū)域環(huán)境內(nèi)不同房間的通風(fēng)空調(diào)要求，并同時(shí)兼有排煙功能。正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，能為地鐵工作人員提供舒適的工作環(huán)境及工藝設(shè)備良好的運(yùn)行環(huán)境；車站設(shè)備管理用房區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)排除煙氣或隔斷火源、煙氣。

（4）空調(diào)冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)（水系統(tǒng)）

該系統(tǒng)為地鐵環(huán)境空調(diào)提供冷源，其供冷對(duì)象為車站大系統(tǒng)及小系統(tǒng)。保證能在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)滿足空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)節(jié)要求。

1.2 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

鄭州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站采用的是屏蔽門系統(tǒng)，采用屏蔽門可以有效的阻擋列車運(yùn)行時(shí)隧道活塞風(fēng)對(duì)站臺(tái)層熱環(huán)境的影響，是地鐵采用最廣泛的一種系統(tǒng)形式。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗主要包括制冷機(jī)組能耗，通風(fēng)設(shè)備能耗，空氣處理機(jī)組能耗以及冷卻設(shè)備能耗等[2]。鄭州地鐵2號(hào)線技術(shù)要求對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)站的初期（2018年），近期（2025年）及遠(yuǎn)期（2040年）客流量預(yù)測(cè)如表1所示。

表1 鄭州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站客流量統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)統(tǒng)計(jì)的客流量對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)站進(jìn)行遠(yuǎn)期負(fù)荷計(jì)算，負(fù)荷主要包括：人員負(fù)荷，照明及廣告牌、指示牌負(fù)荷，自動(dòng)售、檢票及閘機(jī)負(fù)荷，通信設(shè)備、銀行、商鋪及其它負(fù)荷，風(fēng)道及屏蔽門傳熱，屏蔽門漏風(fēng)冷負(fù)荷(出入口進(jìn)入)以及新風(fēng)負(fù)荷，各負(fù)荷占比情況如圖1所示。

圖1 鄭州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站遠(yuǎn)期負(fù)荷組成及占比情況

由圖1可知，地鐵公共區(qū)的負(fù)荷主要是由人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷組成，分別占到總負(fù)荷的24%和21%，人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷是機(jī)組能耗和風(fēng)機(jī)能耗的重要組成部分，且與車站的客流量緊密相關(guān)[3]。該標(biāo)準(zhǔn)站是以遠(yuǎn)期（2040年）客流量作為負(fù)荷計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，這樣相對(duì)于初期（2018年）和近期（2025年）相比（如表1所示），勢(shì)必造成了計(jì)算負(fù)荷的進(jìn)一步放大。顯然，以該負(fù)荷指導(dǎo)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備選型是合理的，但通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備以該容量持續(xù)運(yùn)行的話，勢(shì)必會(huì)造成能量的巨大浪費(fèi)。如何保證通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在客流量少的情況下保持高效率運(yùn)行，避免“大馬拉小車”，才是地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的目的所在。

2 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能策略

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗主要是制冷系統(tǒng)能耗和風(fēng)機(jī)能耗，對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析，主要從這兩方面著手。

2.1 制冷系統(tǒng)節(jié)能策略

該標(biāo)準(zhǔn)站選用的是單臺(tái)冷量460kW的冷水機(jī)組2臺(tái)，配2臺(tái)冷凍水泵和2臺(tái)冷卻水泵。該機(jī)組的容量是在最大負(fù)荷下選定的，并有一定安全系數(shù)。但是在實(shí)際運(yùn)行中，空調(diào)系統(tǒng)大部分是處在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。這種情況下，傳統(tǒng)的定流量運(yùn)行會(huì)造成系統(tǒng)能源的大量浪費(fèi)，不宜采用。本方案采用的是壓差旁通控制的變流量水系統(tǒng)，原理如圖2所示。主要是在冷水機(jī)組和空調(diào)機(jī)組之間增加了壓差旁通閥（Δ），控制用戶側(cè)和機(jī)房側(cè)之間的壓差恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行變頻控制[4]。當(dāng)用戶側(cè)冷負(fù)荷需求降低時(shí)，通過(guò)改變冷凍水泵轉(zhuǎn)速，減少冷水流量供應(yīng)，從而使得冷水泵的運(yùn)行能耗降低。當(dāng)降低到總需求的50%以下時(shí)，可以采取關(guān)閉一臺(tái)機(jī)組及其對(duì)應(yīng)的冷水泵。有研究表明，變流量水系統(tǒng)比定流量水系統(tǒng)節(jié)省空調(diào)能耗35.8%，節(jié)能效果明顯[5]。

圖2 壓差旁通控制的變流量水系統(tǒng)原理圖

同時(shí)，在冷卻塔進(jìn)水管上設(shè)置電動(dòng)蝶閥，讓冷卻塔與冷水機(jī)組的運(yùn)行聯(lián)鎖，不僅可以保證單臺(tái)冷卻塔較高的冷卻效率，還可以降低冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度，具有一定的節(jié)能效果。

2.2 風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能策略

由前文分析可知，地鐵客流量是不定的，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量需求也是不定的，如何在客流量變化的同時(shí)，滿足對(duì)風(fēng)量的需求，又不造成能源的浪費(fèi)，就需要不同時(shí)段供給不同的風(fēng)量，可認(rèn)為是變風(fēng)量系統(tǒng)。地鐵的變風(fēng)量系統(tǒng)不同于一般民用建筑的變風(fēng)量系統(tǒng)，民用建筑的變風(fēng)量系統(tǒng)是由于末端需求不一致，而地鐵空調(diào)系統(tǒng)的末端風(fēng)量相同且變化一致，這時(shí)需要對(duì)總風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到節(jié)能的目的[6]。由通風(fēng)機(jī)的特性可知，風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

（2）

由式（1）和（2）不難看出，風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)量的三次方成正比，風(fēng)量減小，風(fēng)機(jī)的軸功率大大減小。若風(fēng)量減小10%，則風(fēng)機(jī)軸功率減小了27.1%，具有很大的節(jié)能潛力。鄭州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能策略表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)變頻控制

車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)是為了排除隧道的余熱，保證隧道內(nèi)的溫度不大于40℃。車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)與列車的運(yùn)行時(shí)間密切相關(guān)，在高峰期，列車運(yùn)行時(shí)間間隔短，排向隧道的余熱多，這時(shí)隧道排風(fēng)機(jī)需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)排除隧道余熱達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而在低峰期，列車運(yùn)行對(duì)數(shù)減少，這時(shí)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行即可排除余熱。車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)變頻控制對(duì)節(jié)能非常有利。

（2）回排風(fēng)機(jī)變頻控制

地鐵空調(diào)系統(tǒng)采用的一般是一次回風(fēng)系統(tǒng)，回排風(fēng)機(jī)雖然有部分回風(fēng)送到空調(diào)機(jī)組與新風(fēng)混合，但大部分還是直接送到排風(fēng)井白白排掉。如何回排風(fēng)不能根據(jù)站廳溫度、站臺(tái)溫度、室外溫度、站內(nèi)CO2濃度，利用智能控制算法控制回排風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率和回風(fēng)閥、新風(fēng)閥、排風(fēng)閥的開度，將會(huì)造成很大的浪費(fèi)[7]?；嘏棚L(fēng)機(jī)變頻控制根據(jù)站內(nèi)負(fù)荷的變化控制回排風(fēng)的風(fēng)量，不僅達(dá)到了站內(nèi)公共環(huán)境的舒適度要求，還能有效的節(jié)省能量。

（3）采用“可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門”通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

“可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門系統(tǒng)”是在屏蔽門門體上根據(jù)需要設(shè)置一定的開口（如圖3所示），開口在夏季空調(diào)季節(jié)關(guān)閉，滿足漏風(fēng)量要求。

圖3 可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門實(shí)景圖

“可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門系統(tǒng)該系統(tǒng)”綜合了屏蔽門和安全門的特點(diǎn)，在過(guò)渡季節(jié)和冬季開啟屏蔽門上的開口，充分利用活塞風(fēng)來(lái)冷卻地下車站公共區(qū)，降低運(yùn)行能耗，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。有關(guān)研究表明，在夏熱冬冷地區(qū)采用“可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門系統(tǒng)該系統(tǒng)”，每站全年可減少用電20萬(wàn)kWh，節(jié)約電費(fèi)16.7萬(wàn)元[8]。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鄭州地鐵2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的節(jié)能策略進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗分析，得出制冷系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)占通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗較大比例，分析制冷系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)采取的節(jié)能措施，可以取得較好的節(jié)能效果。

（2）制冷系統(tǒng)節(jié)能策略主要是采用壓差旁通控制的變流量水系統(tǒng)，使冷凍水泵根據(jù)使用側(cè)負(fù)荷情況及時(shí)調(diào)整流量，節(jié)省能耗。

（3）風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能策略包括車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)變頻控制，回排風(fēng)機(jī)變頻控制，采用“可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門”通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)三個(gè)方面。

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Energy-saving for Ventilation and Air Conditioning System in a Standard Station of Zhengzhou Subway

Zhu Yanyan1Dai Yuntian2Wu Genping1

( 1.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd, Zhengzhou, 450003;2.Zhengzhou Design and Research Institute of Coal Industry Co., Ltd, Zhengzhou, 450007 )

In this paper, design ventilation and air conditioning system in Zhengzhou Metro Line 2 a standard station, through the analysis of energy simulation of ventilation and air conditioning systems, refrigeration systems and wind systems obtained energy covers a large proportion of the air system. Then start from refrigeration systems and wind systems, take water system flow regulation and control strategies wind systems, can reduce energy consumption of ventilation and air conditioning systems, to provide a reference for the energy-saving design subway ventilation and air conditioning systems.

Subway Ventilation and Air Conditioning System; Energy Policy; Frequency Control

1671-6612（2017）04-371-03

TU831

B

朱艷艷（1986.11-），女，研究生，工程師，E-mail：dai0712@163.com

2015-08-20