地鐵通風(fēng)與空調(diào)節(jié)能控制設(shè)計(jì)措施

謝大明

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 地鐵通風(fēng)與空調(diào)節(jié)能控制設(shè)計(jì)原則

在地鐵設(shè)計(jì)中，通風(fēng)與空調(diào)節(jié)能控制是兩項(xiàng)不容忽視的重要內(nèi)容。它們不僅能夠鑄牢地鐵安全運(yùn)行的銅墻鐵壁，而且能夠有效降低地鐵能源消耗，從而使地鐵的應(yīng)用性不斷提高。為了切實(shí)做好通風(fēng)與空調(diào)節(jié)能控制設(shè)計(jì)這兩項(xiàng)工作，設(shè)計(jì)人員必須按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)，力爭(zhēng)將設(shè)計(jì)的最終效果完美呈現(xiàn)出來(lái)。具體體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

1)地鐵高架站所處的區(qū)域一般比較空曠，為公共區(qū)域，因此無(wú)須配備空調(diào)，自然通風(fēng)是最佳選擇。在設(shè)備管理區(qū)，有必要配備變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置。

2)要嚴(yán)格遵循“就近服務(wù)與相鄰布置”的標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)地鐵站的通風(fēng)空調(diào)，目的主要在于兩方面：縮短空氣輸送的范圍，將設(shè)計(jì)成本控制在合理范圍。

3)要使用性能集中、方便維護(hù)的設(shè)備，以保證空調(diào)系統(tǒng)功能的展現(xiàn)。此外，運(yùn)行安全、技術(shù)過(guò)硬、節(jié)約空間等也是集中考量的因素。這些不僅能夠有效提高地鐵通風(fēng)的設(shè)計(jì)水平，而且能夠提升空調(diào)科學(xué)水準(zhǔn)。

4)在設(shè)計(jì)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，必須嚴(yán)格遵循行業(yè)規(guī)定與技術(shù)要求，而且設(shè)計(jì)工作全程以及設(shè)備配備等均要圍繞節(jié)能展開(kāi)，從而使地鐵車(chē)站配置的通風(fēng)系統(tǒng)具有優(yōu)良的節(jié)能性能。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須堅(jiān)持具體問(wèn)題具體分析的宗旨，對(duì)于施工場(chǎng)所的實(shí)際情況，必須進(jìn)行及時(shí)、全面的分析，同時(shí)，節(jié)能意識(shí)必須貫穿設(shè)計(jì)以及施工的全過(guò)程，以確定設(shè)計(jì)工作能夠真正按設(shè)計(jì)效果呈現(xiàn)。

2 供冷模式自動(dòng)切換控制

2.1 節(jié)能原理

首先考慮室外的溫度情況，其次結(jié)合系統(tǒng)自動(dòng)尋優(yōu)算法以及前饋控制算法，以此合理調(diào)節(jié)組合風(fēng)閥的開(kāi)度，最終設(shè)定一個(gè)適宜的供能溫度，從而最大程度地減少地鐵運(yùn)行的耗能。如果新風(fēng)帶來(lái)的益處更大，應(yīng)當(dāng)使用新風(fēng)，將冷源設(shè)備關(guān)閉；如果新風(fēng)的缺點(diǎn)更多，則不考慮使用新風(fēng)，盡量將新風(fēng)所攜帶的熱量降低。

2.2 自動(dòng)控制策略

系統(tǒng)運(yùn)行模式一般有三種分類(lèi)：完全新風(fēng)供冷模式、新風(fēng)+冷機(jī)組合供冷模式以及完全冷機(jī)供冷模式。具體做如下分析。

1)模式一：完全新風(fēng)供冷模式。組合風(fēng)閥閥位：一般將新風(fēng)閥、排風(fēng)閥開(kāi)啟，而關(guān)閉回風(fēng)閥。在新風(fēng)最大時(shí)正式運(yùn)行系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)關(guān)閉冷機(jī)、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔達(dá)到控制冷源的目的。

2)模式二：新風(fēng)+冷機(jī)組合供冷模式。組合風(fēng)閥閥位：新風(fēng)閥全開(kāi)、排風(fēng)閥全開(kāi)、回風(fēng)閥關(guān)閉。在新風(fēng)最大時(shí)正式運(yùn)行系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)將冷機(jī)啟動(dòng)命令傳達(dá)給冷源群控系統(tǒng)的方式，使得冷機(jī)能夠依據(jù)自身的配置運(yùn)行。當(dāng)對(duì)室外供冷時(shí)，最主要借助的是新風(fēng)和冷機(jī)的組合。

3)模式三：完全冷機(jī)供冷模式。組合風(fēng)閥閥位：新風(fēng)閥角開(kāi)、排風(fēng)閥角開(kāi)、回風(fēng)閥全開(kāi)。在新風(fēng)最小時(shí)正式運(yùn)行系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)將冷機(jī)啟動(dòng)命令傳達(dá)給冷源群控制系統(tǒng)的方式，實(shí)現(xiàn)冷機(jī)能夠依據(jù)自身的配置進(jìn)行運(yùn)行。此模式下功能完全借助冷機(jī)。

而完成以上三種模式轉(zhuǎn)換更多依據(jù)的是新風(fēng)溫度，詳細(xì)要求如下。

在模式一下運(yùn)行，外界新風(fēng)溫度低于tx時(shí)，由于系統(tǒng)會(huì)對(duì)外界新風(fēng)溫度進(jìn)行判斷，反饋到的是低溫狀態(tài)時(shí)，室內(nèi)所產(chǎn)生的熱量完全可以被新風(fēng)釋放的冷量相抵消，此時(shí)應(yīng)該采取的是全新風(fēng)供冷模式。

在模式二下運(yùn)行，外界新風(fēng)溫度高于tx，小于28℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)外界新風(fēng)溫度進(jìn)行判斷，得到的結(jié)果是室溫大于新風(fēng)溫度，新風(fēng)中含有的是冷量而非熱量，當(dāng)全新風(fēng)模式下時(shí)，室內(nèi)所產(chǎn)生的熱量不能夠完全被新風(fēng)冷量所消耗，因此冷源會(huì)被開(kāi)啟。

在模式三下運(yùn)行時(shí)，外界新風(fēng)溫度會(huì)超過(guò)28℃，系統(tǒng)會(huì)對(duì)外界新風(fēng)溫度進(jìn)行判斷，得到的結(jié)果是室溫低于新風(fēng)溫度，此時(shí)新風(fēng)中含有的是熱量，當(dāng)衛(wèi)生達(dá)標(biāo)的情況下，避免對(duì)新風(fēng)的引入，此時(shí)在新風(fēng)最小值下運(yùn)行。

以上所描述的規(guī)則中，擁有一個(gè)參數(shù)tx，該參數(shù)可以對(duì)新風(fēng)所含冷量能否滿足室內(nèi)的冷負(fù)荷進(jìn)行判斷。tx可以用在多種車(chē)站中，本文中所涉及到的tx會(huì)借助系統(tǒng)的運(yùn)行而生成，所以不限制車(chē)站類(lèi)型。

tx自動(dòng)修正算法為：①不開(kāi)啟冷機(jī)，回風(fēng)溫度超過(guò)回風(fēng)所設(shè)定的溫度(28℃)；②送風(fēng)機(jī)頻率大于風(fēng)機(jī)比較頻率設(shè)定值(45 Hz)。

當(dāng)上述條件都達(dá)到時(shí)，開(kāi)始對(duì)UPF界溫度以及室內(nèi)溫度隨時(shí)監(jiān)測(cè)，如果室內(nèi)溫度能夠保持大于1 h以上的舒適溫度，且狀態(tài)較為穩(wěn)定時(shí)，立刻將外界溫度進(jìn)行記錄，該溫度即為tx值；如果在該原理下tx值很低，應(yīng)當(dāng)更換現(xiàn)有值。以此循環(huán)狀態(tài)達(dá)到優(yōu)化目的，只有tx值一直被修正，車(chē)站環(huán)境才能更加穩(wěn)定。

3 送排風(fēng)模式自動(dòng)切換控制

3.1 節(jié)能原理

由于地鐵站的出入口相較于一般建筑來(lái)說(shuō)較多，因此采取了自動(dòng)調(diào)節(jié)送排風(fēng)模式，當(dāng)風(fēng)速在允許值的范圍之內(nèi)，風(fēng)機(jī)組才能消耗較小的能源。春、秋兩季，地鐵上的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的作用僅僅限于通風(fēng)，而不會(huì)有制冷效果[1]。此時(shí)，送風(fēng)機(jī)、回排風(fēng)機(jī)處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)處于滿負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)然在寫(xiě)字樓等類(lèi)似建筑中應(yīng)用該模式會(huì)更為適宜，此種建筑的特征之一就是擁有較小的通風(fēng)面積，建筑所自帶門(mén)窗的通風(fēng)率極差，所以為了加大空氣流通，需要安裝回風(fēng)道、送風(fēng)道。但是對(duì)于地鐵這類(lèi)建筑，會(huì)在每個(gè)車(chē)站設(shè)置4個(gè)出入口，同時(shí)具有較大的橫截面積，所以完全滿足了通風(fēng)需求[2]。此時(shí)，將送風(fēng)機(jī)單獨(dú)開(kāi)啟以保證室內(nèi)的正壓即可，當(dāng)然還可以將回排風(fēng)機(jī)單獨(dú)打開(kāi)，使得室內(nèi)維持負(fù)壓即可。上述兩種方式只開(kāi)啟了一半，所以便可以節(jié)約一半能源。

3.2 自動(dòng)控制策略

當(dāng)?shù)罔F車(chē)站通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式維持在送、排二選一的狀態(tài)時(shí)，但是只開(kāi)一組風(fēng)機(jī)也要保證一個(gè)前提，即有效通風(fēng)量足夠。當(dāng)出入口充當(dāng)風(fēng)道時(shí)，該處的阻力會(huì)影響風(fēng)量。如果總風(fēng)量設(shè)計(jì)為16萬(wàn)m3/h，4個(gè)出入口的截面積均為16 m2，計(jì)算可得風(fēng)速為1.4 m/s。通道口阻力系數(shù)局部達(dá)到了5.8，計(jì)算得出入口阻力的最大值是6.8 Pa?？梢?jiàn)風(fēng)量不易受到出入口阻力的影響。

由此可知，風(fēng)機(jī)只打開(kāi)一組時(shí)出入口處的風(fēng)速最大也不會(huì)超過(guò)1.5 m/s，設(shè)計(jì)風(fēng)速在5 m/s以下即可。對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，一般會(huì)依據(jù)遠(yuǎn)期高峰負(fù)荷對(duì)風(fēng)量進(jìn)行控制。如果地鐵處于初期、近期或者遠(yuǎn)期非高峰期，由于設(shè)計(jì)值會(huì)遠(yuǎn)高于車(chē)站自身的發(fā)熱量，并不需要很多的通風(fēng)，可見(jiàn)大多數(shù)狀態(tài)下只要開(kāi)啟單排放送即可[3-4]。

結(jié)合前饋控制理論，本控制策略模塊將分成三個(gè)模式對(duì)車(chē)站通風(fēng)模式進(jìn)行控制。

模式一：只送不排。通常多應(yīng)用在低溫較低的季節(jié)，比如冬天，室外溫度較低，此時(shí)只送不排的狀態(tài)下，但是站內(nèi)會(huì)儲(chǔ)存很大的熱量，所以進(jìn)站人群感受到出入口的溫度較高，會(huì)產(chǎn)生舒適的感覺(jué)。當(dāng)只送不排時(shí)，具體需要將大系統(tǒng)的送風(fēng)機(jī)打開(kāi)，并關(guān)閉回排風(fēng)機(jī)，使得室內(nèi)保持正壓，排風(fēng)首先穿過(guò)出入口等位置，再進(jìn)入到室外環(huán)境中。

模式二：只排不送。通常多應(yīng)用在溫度適宜的季節(jié)，比如春秋兩季，溫度不會(huì)出現(xiàn)較高、較低的情況，此時(shí)便采取單排。當(dāng)只排不送時(shí)，具體將大系統(tǒng)的回排風(fēng)機(jī)打開(kāi)，讓送風(fēng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，保證室內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，新風(fēng)穿過(guò)出入口等位置，最終進(jìn)入室內(nèi)。

模式三：送排結(jié)合。此種運(yùn)行模式下，具體需要將送風(fēng)機(jī)、回排風(fēng)機(jī)都處于打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)存在污染，所以室內(nèi)要保持微正壓或微負(fù)壓。

總結(jié)以上描述的三個(gè)模式，可知節(jié)能模式僅為模式一、模式二。而且對(duì)比排風(fēng)道和送風(fēng)道兩者的阻力，前者較小，因此更為節(jié)能的便是模式二。但是由于出入口的乘客會(huì)受到外界新風(fēng)的影響，特別是如果溫度較低，乘客的不適感會(huì)增加[5]。當(dāng)環(huán)境溫度較熱或者出現(xiàn)特殊情況時(shí)，會(huì)選取模式三，當(dāng)新風(fēng)量并不充足或者夏季時(shí)期，運(yùn)行該模式會(huì)讓此系統(tǒng)以平衡通風(fēng)的方式運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。這種模式下，空調(diào)的通風(fēng)效果更加強(qiáng)烈，又不會(huì)過(guò)多耗費(fèi)能源。對(duì)于送排風(fēng)模式有兩種情況可供選擇，其一是空調(diào)工況，其二是非空調(diào)工況。

1)依據(jù)室內(nèi)外焓值判斷是否采取空調(diào)工況：當(dāng)在氣溫較高的季節(jié)，回風(fēng)焓值并沒(méi)有超過(guò)室外空氣焓值，風(fēng)機(jī)運(yùn)行便可以采取最小新風(fēng)空調(diào)工況模式，此時(shí)回排風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組全部打開(kāi)，按照模式三運(yùn)行。當(dāng)回風(fēng)焓值超過(guò)室外空氣焓值時(shí)，此時(shí)不開(kāi)啟回排風(fēng)機(jī)，將空調(diào)機(jī)組打開(kāi)，在模式一下運(yùn)行。

2)依據(jù)室內(nèi)外溫度判斷是否采取非空調(diào)工況：當(dāng)處于換季時(shí)期，外界新風(fēng)溫度超過(guò)10℃，一般會(huì)以模式二運(yùn)行，也就是只排不送；當(dāng)溫度較低的冬季時(shí)，外界新風(fēng)溫度小于10℃，一般會(huì)以模式一運(yùn)行，也就是只送不排的機(jī)械送風(fēng)模式。因此，會(huì)發(fā)生模式之間的更替，因此系統(tǒng)在對(duì)室外焓值以及室外溫度進(jìn)行采集時(shí)，一般采集量數(shù)據(jù)1 h之間的平均值。

4 供冷模式自動(dòng)切換控制效果

本策略在某地鐵站某天的實(shí)際運(yùn)行效果如圖1所示。

圖1 供冷模式自動(dòng)切換效果

根據(jù)圖1所顯示的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，此種設(shè)計(jì)方案下供冷模式需要持續(xù)地進(jìn)行調(diào)整，室溫還要保持在28℃以下。在這種夏季天氣，新風(fēng)供冷模式運(yùn)行時(shí)間會(huì)大于10 h，而且冷機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，能夠取得良好的節(jié)能效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，全世界都面臨能源缺乏的問(wèn)題，因此依靠科學(xué)技術(shù)大大縮減能源的消耗成為一個(gè)非常重要的待解決問(wèn)題，解決該問(wèn)題也有利于有效降低地鐵運(yùn)行成本。本文分析研究了地鐵通風(fēng)和空調(diào)節(jié)能控制設(shè)計(jì)措施，以期為相關(guān)工程提供理論依據(jù)。

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