地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化研究

周鵬

（無錫地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

地鐵運(yùn)營所消耗的電量是非常大的，空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的用電相當(dāng)于整個(gè)地鐵運(yùn)營系統(tǒng)用電的40%[1]，因此通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能顯得尤為重要。無錫地鐵1、2 號(hào)線隧道通風(fēng)采用雙活塞三風(fēng)機(jī)系統(tǒng)；公共區(qū)采用一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；設(shè)備區(qū)空調(diào)系統(tǒng)采用多聯(lián)機(jī)+通風(fēng)+新風(fēng)系統(tǒng)，與大系統(tǒng)冷源分開設(shè)置；空調(diào)水采用一次泵變流量系統(tǒng)。排熱風(fēng)機(jī)、大系統(tǒng)送排風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷凍水泵等均采用變頻控制，冷凍站未實(shí)施節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制均由BAS 實(shí)現(xiàn)基本控制功能。

1 排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行

當(dāng)前1、2 號(hào)線，關(guān)于排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)段以及運(yùn)行頻率的問題爭議頗大，主要是由于現(xiàn)狀行車密度較小，排熱風(fēng)機(jī)全天開啟，即使最低頻率運(yùn)行，能耗也比較高，且當(dāng)前行車密度較小，隧道內(nèi)無明顯的溫升，排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果不明顯，對(duì)此運(yùn)營提出較多的優(yōu)化需求。

開式系統(tǒng)在過渡季節(jié)能利用活塞風(fēng)通風(fēng)換氣，節(jié)約排熱風(fēng)機(jī)能耗[2]。對(duì)于全封閉的站臺(tái)門系統(tǒng)，則更多的依賴于排熱風(fēng)機(jī)，針對(duì)全封閉站臺(tái)門制式系統(tǒng)，排熱風(fēng)機(jī)除滿足火災(zāi)時(shí)排煙需求外，平時(shí)主要考慮排出列車散熱，控制隧道溫升。列車散熱量占區(qū)間隧道散熱量的70%左右，與區(qū)間隧道內(nèi)溫度有直接關(guān)系，也即行車密度越高，散熱量也越大，雖然行車對(duì)數(shù)增大，活塞效應(yīng)會(huì)有所增強(qiáng)，但是由于列車散熱量增加導(dǎo)致隧道內(nèi)的溫升影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)比活塞通風(fēng)效應(yīng)增強(qiáng)的降溫要大，因此區(qū)間內(nèi)隧道溫度與列車行車對(duì)數(shù)有直接的關(guān)系。而對(duì)于排熱功能而言，排熱風(fēng)機(jī)的配置容量，一般按遠(yuǎn)期需求考慮，遠(yuǎn)期排熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量比初、近期大，在初近期運(yùn)行時(shí)，應(yīng)合理確定排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。由于運(yùn)營初、近期行車密度較小，排熱風(fēng)機(jī)全天開啟，能耗比較高。

鑒于以上分析，結(jié)合無錫地鐵1、2 號(hào)線特點(diǎn)，在運(yùn)行中建議根據(jù)行車對(duì)數(shù)確定排熱風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行狀態(tài)，排熱風(fēng)機(jī)可設(shè)置四個(gè)運(yùn)行頻段，分別為50Hz、40Hz、30Hz、關(guān)閉。當(dāng)行車對(duì)數(shù)大于25 對(duì)/h，排熱風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行；當(dāng)25≤行車對(duì)數(shù)＜20對(duì)/h 時(shí)，排熱風(fēng)機(jī)的頻率為40Hz；當(dāng)20≤行車對(duì)數(shù)＜12 對(duì)/h 時(shí)，排熱風(fēng)機(jī)的頻率為30Hz，當(dāng)行車對(duì)數(shù)≤12 對(duì)/h 時(shí)，排熱風(fēng)機(jī)關(guān)閉。實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)營部門應(yīng)根據(jù)初、近、遠(yuǎn)期線路實(shí)際運(yùn)行情況以及運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)，合理調(diào)節(jié)排熱風(fēng)機(jī)的開啟頻率及運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

2 大小系統(tǒng)節(jié)能措施

根據(jù)運(yùn)營反饋，開啟機(jī)械送排風(fēng)系統(tǒng)會(huì)給設(shè)備房送入較多灰塵以及增加環(huán)境噪音等問題，過渡季節(jié)仍然采用常開多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)維持室內(nèi)環(huán)境。對(duì)此，運(yùn)營公司對(duì)2 號(hào)線河埒口站1～3月份多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)營能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，全站在24 小時(shí)開啟多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)模式下日均耗電量為144 千瓦時(shí)，若采用機(jī)械通風(fēng)模式，按風(fēng)機(jī)的額定功率計(jì)算，風(fēng)機(jī)總能耗為730 千瓦時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。究其原因，當(dāng)前強(qiáng)弱電設(shè)備散熱量尚遠(yuǎn)未達(dá)到遠(yuǎn)期工況，且1～3月份，室溫較低，利于設(shè)備散熱，系統(tǒng)冷負(fù)荷整體較小，而開啟多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，其可以根據(jù)房間負(fù)荷變化實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備出力，在維持室內(nèi)設(shè)定溫度的前提下，設(shè)備變頻運(yùn)行或間歇運(yùn)行。在這種情況下采用機(jī)械通風(fēng)模式，只能定風(fēng)量運(yùn)行且無法根據(jù)室內(nèi)溫度情況控制設(shè)備自動(dòng)啟停，風(fēng)機(jī)能耗并不比多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)低。

理論上，機(jī)械通風(fēng)與多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)總能耗曲線應(yīng)有一個(gè)交叉點(diǎn)。鑒于此，針對(duì)1、2 號(hào)線現(xiàn)狀，全年各時(shí)間段優(yōu)先按照多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行模式，并統(tǒng)計(jì)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)，獲得此“交叉點(diǎn)”的位置，即在過渡季節(jié)，核實(shí)采用機(jī)械通風(fēng)模式更為節(jié)能，作為后期調(diào)整運(yùn)營策略的依據(jù)。

2.1 變頻控制策略

現(xiàn)狀由于部分設(shè)備及控制程序的調(diào)試問題，組合式空調(diào)器及回排風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)尚有人工控制，未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)頻。建議鑒于當(dāng)前1、2 號(hào)線的實(shí)際情況，按以下策略進(jìn)行控制：根據(jù)回風(fēng)溫度調(diào)整組合式空調(diào)器的頻率，回風(fēng)的溫度較高時(shí)，增大空調(diào)器頻率，加大送風(fēng)量，回風(fēng)的溫度較低時(shí)，降低空調(diào)器的頻率，減少送風(fēng)量，回排風(fēng)機(jī)的頻率作同步變化。根據(jù)送風(fēng)溫度來調(diào)整末端動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥的開度，當(dāng)送風(fēng)溫度升高時(shí)，閥門開度增大，冷凍水量增大，當(dāng)送風(fēng)溫度降低時(shí)，閥門開度減小，冷凍水量減小，冷凍水泵及冷水機(jī)組采用變頻控制達(dá)到所要求的負(fù)荷量。由于風(fēng)量調(diào)節(jié)對(duì)末端負(fù)荷的響應(yīng)較快，當(dāng)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，首先調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，而對(duì)于變頻風(fēng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速降為額定轉(zhuǎn)速的30%以下時(shí)，效率點(diǎn)將大大下降，節(jié)能效果將遠(yuǎn)小于流量立方關(guān)系；送風(fēng)氣流組織也將顯著惡化。因此在地鐵空調(diào)通風(fēng)中，風(fēng)機(jī)一般最低降速到40%～50%。當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至下限時(shí)，進(jìn)行水系統(tǒng)的變水量調(diào)節(jié)。

風(fēng)系統(tǒng)變頻閉環(huán)控制圖

動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閉環(huán)控制圖

2.2 減少通風(fēng)工況下空調(diào)器的運(yùn)行能耗

根據(jù)無錫運(yùn)營特點(diǎn)，全年約3/4 時(shí)間處于通風(fēng)運(yùn)行狀態(tài)，減少風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行阻力均可有效節(jié)能。對(duì)于前者，在控制模式的選擇上可以做一些優(yōu)化。同樣，考慮到空調(diào)器由于內(nèi)部構(gòu)件阻力較大，同等風(fēng)量下相對(duì)于排風(fēng)機(jī)功率更高，因此可以采用“只排不送”的通風(fēng)模式，則可以節(jié)省空調(diào)箱送風(fēng)機(jī)的能耗，且建議優(yōu)先考慮采用“只排不送”模式。而對(duì)于減少設(shè)備運(yùn)行阻力方面，由于在通風(fēng)季節(jié)無需冷凍水處理，組合式空調(diào)器內(nèi)冷水盤管等部件徒增阻力，若在通風(fēng)季節(jié)，將表冷器采用對(duì)開門方式打開，從與氣流垂直變?yōu)榕c氣流方向平行，減少對(duì)空氣的阻擋，可大大降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗。目前，表冷器可打開型組合式空調(diào)器已有成熟的技術(shù)和市場，建議考慮在新線中引用。

3 結(jié)語

可根據(jù)列車的行車密度，對(duì)排熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)整，可有效的降低能耗。通過改變小系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)營時(shí)間，優(yōu)化空調(diào)水系統(tǒng)的運(yùn)行策略，調(diào)整環(huán)控系統(tǒng)的環(huán)控模式，可有效的降低能耗。

本文結(jié)合已運(yùn)營線路，從排熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略、空調(diào)小系統(tǒng)設(shè)置形式、智能模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用、大系統(tǒng)取消小新風(fēng)機(jī)的可行性、大系統(tǒng)節(jié)能措施等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，提出優(yōu)化建議以供新線建設(shè)及運(yùn)營參考。