跨座式單軌通風空調系統(tǒng)的節(jié)能控制與應用

朱慶松 何小寶 丁厚成 連志虛

1 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司

2 江蘇中車數(shù)字科技有限公司

3 安徽工業(yè)大學建筑工程學院

0 引言

城市軌道交通中的通風空調系統(tǒng)，是軌道交通的重要組成部分，承擔著通風以及防排煙的功能，直接影響乘客乘車環(huán)境的舒適度，通風空調系統(tǒng)在日常運營過程中消耗大量電力，根據(jù)調查統(tǒng)計，我國城市軌道交通通風空調系統(tǒng)的電力能耗達到城軌運營總能耗的40%[1]。

由于各機電系統(tǒng)中通風空調系統(tǒng)耗能較大，設備眾多且分散，不宜維護和管理，要做到整個通風空調系統(tǒng)的管控與協(xié)調，需環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS 系統(tǒng)）對整個通風空調系統(tǒng)進行集中監(jiān)控與管理[2]。各個車站與整條線路的環(huán)控，不僅要求通風空調系統(tǒng)的設計合理、施工規(guī)范，更需要合理的設計環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)，并對其控制模式進行選擇和優(yōu)化，做到實時監(jiān)控、實時調節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)運營過程中的問題，監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，做到既滿足安全運營，又能達到節(jié)能環(huán)保的效果[3]。

1 工程概況

蕪湖軌道交通1 號線為南北向的跨座式單軌城市交通線路，線路全長30.410 km，全線為高架敷設，共設車站25 座，均為高架站，2 號線一期線路全長15.796 km，其中地下線長1.246 km，地面及高架線14.550 km，全線共設車站11 座（高架站10 座、地下站1 座），在蕪湖火車站建設地下兩層島式站臺車站。

對于地下車站，在地面設置兩組風亭，并在地下布置相應風道，利用單軌列車進出隧道產生的活塞風進行通風。

2 跨座式單軌通風空調系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構成

由于蕪湖市軌道交通1 號線、2 號線一期工程，除火車站為地下車站，其余車站均為高架站，高架站通風空調系統(tǒng)較簡單，主要設備集中在設備管理用房內，通風空調的投資與能耗也相比地下車站大幅度減少，對于地下車站，通風空調系統(tǒng)主要分為車站通風空調系統(tǒng)與隧道通風空調系統(tǒng)如圖1 所示，涉及的設備有隧道軸流風機、射流風機、多聯(lián)機、組合式空調柜、風機盤管、風閥、消聲器、冷水機組、防煙防火閥、風閥、冷水泵、冷卻塔等[4-6]。

圖1 蕪湖市軌道交通通風空調系統(tǒng)組成

2.2 高架車站及車輛段通風空調制式

蕪湖軌道交通1 號線、2 號線一期工程高架車站及車輛段設備管理用房的通風空調系統(tǒng)采用多聯(lián)變頻空調加全熱新風系統(tǒng)，如：車控室、監(jiān)控設備室、高壓開關柜室、站臺門控制室等。對于高架車站公共區(qū)因屬于半開敞空間，故不設置空調系統(tǒng)，采用自然通風模式。通信、信號等有溫濕度要求的設備用房設置機房專用空調，全年不間斷運行，分散的值班室和客服室采用壁掛式分體空調。站臺、站廳、管理用房內走道采用自然通風、自然排煙模式[7]。

高架站和車輛段以及控制中心設備用房的通風空調，通過多聯(lián)式空調室內機承擔室內熱濕負荷，全熱新風機將室外新風通過新風管引入設備用房，保證室內空氣的新鮮以及將室內污濁有害氣體排出，保障室內環(huán)境安全。蕪湖市軌道交通項目采用的新風機為全熱新風機組，通過回收室內回風的熱濕負荷，到達節(jié)能換氣的作用。

2.3 地下車站通風空調制式

地下車站位于國鐵蕪湖站東廣場前方站東路中，本站為地下路中兩層島式站臺車站，車站標準段寬度22.28 m，總長166.00 m，車站總建筑面積9865.8 m2。

地下站設置全封閉站臺門，將軌行區(qū)與站臺公共區(qū)分隔開，通風空調系統(tǒng)（簡稱大系統(tǒng)）采用全空氣一次回風系統(tǒng)，將新風與部分回風處理至室內狀態(tài)等焓濕量點后送至公共區(qū)。

2.3.1 區(qū)間隧道通風系統(tǒng)

地下車站隧道兩端各設置一條活塞風道如圖2 所示，車站兩端隧道風機房各設2 臺隧道風機（TVF 兼車站隧道排熱風機，變頻），2 臺互為備用，也可并聯(lián)運行。在車站兩端地下區(qū)間設置射流風機，正線隧道活塞風道凈過流斷面積不小于20 m2，活塞風閥開孔面積不小于25 m2。隧道風機通過天圓地方管與消聲器進行連接，地下車站兩臺隧道風機可以彼此獨立運行，又可以相互冗余備用，以滿足正常運營時送排風要求，且BAS 系統(tǒng)可對風閥進行控制，進而實現(xiàn)正常運營、單軌列車阻塞在隧道中、區(qū)間隧道發(fā)生火災等不同工況時風閥的開閉[8]。

圖2 地下車站區(qū)間隧道通風系統(tǒng)圖

對于地下區(qū)間隧道，在單軌車輛正常行駛情況下，利用單軌車輛進出隧道形成的活塞風，并通過活塞風道風井等設施與外界進行空氣交換，進行隧道日常的通風換氣，如圖3 所示。

圖3 地下車站區(qū)間隧道活塞通風示意圖

由于單軌列車在隧道內行駛產生的熱量，以及單軌列車車廂內的通風空調與隧道內的空氣進行熱濕交換，必然造成隧道內空氣焓濕量過高，同時造成有害氣體的聚集[9]。當單軌列車的活塞風無法將隧道內的熱量與濕量完全帶走時，需要設置機械通風，通過風機的強制對流，將區(qū)間隧道內的有害氣體排除隧道外，同時補入室外新風。

2.3.2 地下車站通風空調系統(tǒng)

城市軌道交通車站的站廳層、站臺層公共區(qū)是乘客活動的主要場所，也是通風空調系統(tǒng)的主要控制區(qū)，公共區(qū)的通風空調簡稱為大系統(tǒng)[10]。蕪湖火車站地下車站公共區(qū)通風空調采用采用全空氣一次回風系統(tǒng)，每端空調機房內各設1 臺組合式空調機組、1 臺回排風機、1 臺排煙風機負擔站廳、站臺層公共區(qū)排煙。組合式空調機組將室外新風與部分室內回風進行混合，對送風進行過濾冷卻去濕，并處理至室內狀態(tài)等焓濕量點后送至公共區(qū)。

地下車站的設備及管理用房主要為各機電設備室，如信號設備室、環(huán)控電控室、通信設備室、整流變壓器室、開關柜室等，以及運營管理用房，如站長室、警務室、站務室、更衣室、會議室等，其中機電設備室的工作環(huán)境狀態(tài)將直接影響城市軌道交通的乘車環(huán)境與安全運營[11]，各設備及管理用房對于溫濕度、空氣中的含塵量、房間內風速要求不盡相同，根據(jù)蕪湖市軌道交通地下車站的設計、暖通空調設備的選型，蕪湖火車站地下車站設備管理用房可以大致分為5 類：

1）空調設備用房，如車站控制室、站務室、AFC 票務室、弱電系統(tǒng)綜合值班室、信號設備室、環(huán)控電控室、通信設備室等。

2）冷風降溫用房，如35 KV 開關柜室、整流變壓器室、1500 V 直流開關柜式、上網隔離開關柜式室等。

3）空調管理用房，如站長室、會議室、警務室、乘務員休息室、更衣室等。

4）通風房間，如：通風空調機房、冷水機房、內走道、消防泵房、照明配電室、檢修室、電力電纜井、氣瓶室、安檢設備室等。

5）獨立排風用房，如茶水室、衛(wèi)生間、盥洗室、保潔工具間等。

當設備及管理用房火災發(fā)生時，不同類型的設備用房選擇不同的消防模式[12]，對于管理用房與通風排風用房一般選用人工滅火，并通過機械排風方式進行排煙，而對于重要機電設備用房，關閉送、排風管進行氣體滅火。

3 BAS 系統(tǒng)構成及對暖通設備的監(jiān)控

環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)對車站中的暖通空調系統(tǒng)（HVAC）、火災報警系統(tǒng)（FAS）、風機控制箱、冷水機組集控柜、環(huán)控柜、電動二通閥、多聯(lián)機等環(huán)控設備進行有效和全面的智能化集中監(jiān)控與管理，通過前端處理器與遠程模塊箱對車站內溫濕度、CO2傳感器、FAS系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進行采集分析，以此對通風空調系統(tǒng)進行相應的模式控制，提供一個舒適的乘車環(huán)境，同時兼顧機電的節(jié)能管理，并在單軌列車阻塞或火災等突發(fā)事故狀態(tài)下，協(xié)調與聯(lián)動車站設備，充分發(fā)揮各機電設備應有的作用，保證乘客的安全[13]，其中車站BAS系統(tǒng)構成如圖4 所示。

圖4 車站BAS 系統(tǒng)構成圖

3.1 BAS 系統(tǒng)構成

BAS 系統(tǒng)采用分散集中的原則在被控設備附近設置遠程I/O 模塊等，遠程I/O 模塊及通信接口等模塊采用冗余雙總線接入PLC 控制器。在車站通風機房、照明配電室、車站各類水泵房或水泵房附近、變電所等地設置遠程I/O 模塊箱，監(jiān)控現(xiàn)場設備。

控制中心和車站通過BAS 系統(tǒng)進行機電設備的集中管理，并可由控制中心調度工作站、車站操作員工作站、就地控制箱進行機電設備控制。當發(fā)生火災時，F(xiàn)AS 系統(tǒng)會將火災信息傳輸給BAS 系統(tǒng)，由BAS系統(tǒng)按照預定模式或工作人員的操作，進行相關設備的聯(lián)動。如關閉空調系統(tǒng)，開啟防排煙系統(tǒng)，并對送風與排煙方向進行控制，同時開啟閘機與釋放門禁，疏散人員。

3.2 BAS 系統(tǒng)與暖通設備之間的接口

BAS 系統(tǒng)通過與環(huán)控柜、冷水機組集控柜、風機控制箱、電動二通閥、電動防煙防火閥、電動排煙窗之間的接口，進而控制暖通空調設備[14]。在地下車站兩端的環(huán)控電控室內，通過五類屏蔽網絡電纜，建立BAS系統(tǒng)機柜與環(huán)控柜之間的通信通道，其中接口界面如下圖5 所示：

圖5 BAS 系統(tǒng)與環(huán)控柜接口界面

在BAS 與環(huán)控柜之間建立通信通道，可實現(xiàn)對相關通風空調設備的自動監(jiān)視及控制，BAS 可采集環(huán)控設備的狀態(tài)以及報警信息，并下達控制指令，控制相關設備按監(jiān)控要求運行或停止，對于地下車站的風機盤管，由電動二通閥調節(jié)其冷凍水的出水量，BAS系統(tǒng)遠程模塊箱中的AO、AI、DI 模塊端子與風機盤管上的電動二通閥通過硬線進行連接，用來對電動二通閥的開度進行監(jiān)視與控制，進而控制風機盤管的空氣處理效果，接口界面如圖6 所示：

圖6 BAS 系統(tǒng)與電動二通閥接口界面

除上述BAS 系統(tǒng)除與環(huán)控柜、電動二通閥、冷水機組集控柜之間的接口外，還與多聯(lián)機、機房專用空調、風機控制箱、防火閥、排煙窗等通過RS485、RJ45、硬線等方式與遠程模塊箱中的端子進行連接，從而監(jiān)視風機等設備的故障報警、運行與停止。

3.3 BAS 系統(tǒng)對暖通空調的智能控制與探討

BAS 系統(tǒng)的功能主要有：1）數(shù)據(jù)庫管理功能。2）輸入數(shù)據(jù)處理功能。3）通用的人機界面，人機界面的圖形與文字顯示，用層次化、生動豐富的畫面，將系統(tǒng)和各子系統(tǒng)接線圖、總貌圖、流程圖、趨勢圖顯示出來，如圖7 所示，顯示的畫面主要有各系統(tǒng)的主畫面、設備維護畫面等，如設備布置圖、大系統(tǒng)通風圖、隧道通風圖、小系統(tǒng)通風圖、空調水系統(tǒng)圖、溫濕度傳感器圖等。4）監(jiān)視功能，系統(tǒng)及現(xiàn)場設備的狀態(tài)通過操作員操作站監(jiān)視，狀態(tài)信息用文本或靜態(tài)與動態(tài)圖形的方式顯示。5）冗余設備的自動切換。6）系統(tǒng)安全與操作權限的管理。

圖7 BAS 系統(tǒng)環(huán)控控制界面

通風空調設備監(jiān)控模式的優(yōu)化，對智能化管理與運營有著重要的作用，通過BAS 系統(tǒng)的集中監(jiān)控，有利于后期運營和節(jié)能管理，以及突發(fā)模式下的緊急控制與正常模式下的時間表控制[15]，通過BAS 系統(tǒng)統(tǒng)一管理設備的啟停，不同運營時刻進行不同自動化控制。

通風空調系統(tǒng)運行模式有正常運行模式、火災運行模式、突發(fā)狀況運行。在正常運行模式下，BAS 系統(tǒng)通過接收并分析溫濕度傳感器以及二氧化碳傳感器的記錄數(shù)據(jù)，判別應運行何種控制模式，在空調季節(jié)有小新風運行模式、全新風運行，非空調季節(jié)應當進行全通風模式[16]，以保證車站環(huán)境的舒適性。

除正常運營模式外，還應當考慮區(qū)間隧道火災、站臺層火災、站廳層火災、站臺軌行區(qū)火災、設備管理用房火災、出入口通道火災、列車阻塞在高架車站或地下車站時，通風排煙系統(tǒng)的控制模式，通過BAS 聯(lián)動其他系統(tǒng)，控制相應的風機送風方向，排煙系統(tǒng)的排煙方向，保證人員及時的疏散。

除上述可能存在的風險，還需及時更新信息，分析研究當前以及未來的規(guī)劃和需求，目前中國處于疫情防控階段，給軌道交通建設和后期運營提出了新的難題，蕪湖市軌道交通多數(shù)為高架車站，在站廳層和站臺層采用開窗自然通風，可以有效的保證車站的通風換氣，利于乘客的安全，對于地下車站，通風空調設計為全空氣一次回風系統(tǒng)，將新風與部分回風處理至室內狀態(tài)等焓濕量點后送至公共區(qū)，回風中可能會含有新冠病毒，此時將新風與部分室內排風混合后，送入公共區(qū)或設備用房將造成人員感染的風險。

4 總結與思考

本文詳細論述了蕪湖市軌道交通1 號線、2 號線一期工程中通風空調制式與系統(tǒng)構成、BAS 系統(tǒng)的構成與控制模式，以及BAS 系統(tǒng)通過與通風空調各設備之間的接口，形成對通風空調的集中管控與聯(lián)動。在暖通空調設計的基礎上，如何利用BAS 系統(tǒng)對其進行智能化管理與控制，是值得探討研究的，這關系到設備調試以及開通運營。當BAS 系統(tǒng)能合理控制通風空調系統(tǒng)的運行，才能保證乘車的安全與舒適性，同時應考慮實際工程、氣候條件以及后期運營情況，合理的設計與優(yōu)化控制模式。BAS 系統(tǒng)軟硬件需要達到一定標準，可開發(fā)各種模式的管理操作程序，方便后期運營人員操作，以達到節(jié)能、環(huán)保、安全、智能化運營。