地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)

陳鐵強(qiáng)，武翔宇

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510030）

1 地鐵通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)的分類及構(gòu)成

1.1 隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)

隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)主要分為區(qū)間的隧道通風(fēng)系統(tǒng)以及車站的隧道排風(fēng)系統(tǒng)。

區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)主要由隧道風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、組合風(fēng)閥、消聲器組成，主要為了確保運(yùn)營(yíng)期間和非運(yùn)營(yíng)期間內(nèi)區(qū)間的通風(fēng)；正常運(yùn)營(yíng)時(shí)通過(guò)活塞效應(yīng)對(duì)隧道內(nèi)的余熱余濕進(jìn)行排除；當(dāng)列車阻塞在區(qū)間時(shí)，為保證設(shè)備的正常運(yùn)行向區(qū)間內(nèi)送風(fēng)；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)來(lái)確保可以及時(shí)地排除煙氣。車站內(nèi)的隧道排風(fēng)系統(tǒng)主要由排熱風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、消聲器等設(shè)備組成，主要功能是對(duì)列車?？繒r(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行排除；在發(fā)生火災(zāi)時(shí)輔助車站排煙。

1.2 車站的大系統(tǒng)

車站大系統(tǒng)主要由組合式空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)等）、閥門等設(shè)備組成，主要功能是在正常情況下保證公共區(qū)環(huán)境溫度和濕度在適宜范圍內(nèi)；出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，通過(guò)與其余系統(tǒng)共同動(dòng)作，及時(shí)對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行排除，并且通過(guò)出入口進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，確保人員在逃生過(guò)程中不會(huì)被煙氣阻隔。

1.3 車站的小系統(tǒng)

車站小系統(tǒng)主要由空調(diào)器、風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)等）、閥門等設(shè)備組成，主要功能為確保各設(shè)備機(jī)房的氣溫在合適的范圍內(nèi)，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，人員房間的氣溫及風(fēng)速滿足人員需求并可以自主進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，及時(shí)地排除煙氣，并防止產(chǎn)生的煙氣通過(guò)各種方式進(jìn)入公共區(qū)或其余區(qū)域內(nèi)。

1.4 車站的空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、水泵（冷凍水泵、冷卻水泵）、冷卻塔等設(shè)備組成。主要為地鐵內(nèi)的空調(diào)器提供冷凍水，給予其所需要的冷量，使空調(diào)器可以滿足各種工況的運(yùn)行要求。

2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷分析

由于地鐵是地下建筑，常年不與外界接觸，而且一般埋深較大，外界對(duì)地鐵車站溫度的影響較小，所以，車站里面的人員數(shù)量，站廳公共區(qū)和站臺(tái)公共區(qū)燈具照明、廣告牌、指示牌、自動(dòng)售票機(jī)、進(jìn)出閘機(jī)、票房售票機(jī)、驗(yàn)票機(jī)、店鋪、銀行等設(shè)備的發(fā)熱量是影響公共區(qū)大系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的主要因素，設(shè)備區(qū)內(nèi)各設(shè)備的發(fā)熱量及工作人員的數(shù)量是影響小系統(tǒng)熱狀況的主要因素。在平時(shí)的設(shè)計(jì)中，一般將公共區(qū)各設(shè)備的發(fā)熱量確定為定值，設(shè)備區(qū)內(nèi)各設(shè)備用房的發(fā)熱量也是由各專業(yè)進(jìn)行提供，也可認(rèn)定為定值；而且對(duì)于站臺(tái)層采用屏蔽門系統(tǒng)的地鐵車站，隧道內(nèi)產(chǎn)生的熱量對(duì)車站的影響也大大減少，電動(dòng)扶梯和垂直電梯發(fā)熱量暫按全天恒定考慮，此時(shí)的車站內(nèi)發(fā)熱量的變化主要是乘客流量的不同引起人員發(fā)熱量的變化造成。如果忽略站內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱慣性，站內(nèi)的逐時(shí)發(fā)熱量可近似看作是逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷。

以典型站為例，給出夏季日負(fù)荷變化圖，如圖1所示。

由站內(nèi)客流及發(fā)熱量（冷負(fù)荷），可以計(jì)算出當(dāng)送風(fēng)溫差固定時(shí)逐時(shí)送風(fēng)量（見圖2）。

3 地鐵站空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)及節(jié)能策略

3.1 定風(fēng)量運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)能耗

以典型站為例，計(jì)算采用定風(fēng)量運(yùn)行時(shí)的環(huán)控系統(tǒng)能耗。當(dāng)采用空調(diào)季小新風(fēng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)器、回排風(fēng)機(jī)、小新風(fēng)機(jī)處于全部開啟的狀態(tài)；當(dāng)采用空調(diào)季全新風(fēng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)器、回排風(fēng)機(jī)處于全部開啟的狀態(tài)；當(dāng)處于冬季時(shí)，室外空氣溫度較低，此時(shí)風(fēng)機(jī)與空調(diào)器采用間歇運(yùn)行或風(fēng)量減半的運(yùn)行方式，并從地鐵站內(nèi)的各個(gè)出入口自然進(jìn)風(fēng)。

通過(guò)計(jì)算，為了保證室內(nèi)的溫度、濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并在考慮風(fēng)機(jī)存在溫升狀態(tài)后，計(jì)算出的送風(fēng)溫度為22.8℃。由圖2送風(fēng)量圖可以看出，設(shè)計(jì)日空調(diào)送風(fēng)量最大約320 000 m3/h。

根據(jù)上述的空調(diào)通風(fēng)方案與控制方式，可以計(jì)算出地鐵車站公共區(qū)的全年能耗（見圖3）。

3.2 變風(fēng)量調(diào)節(jié)的可行性

地鐵站中，早高峰和晚高峰時(shí)的風(fēng)量相較于其他時(shí)候更突出，究其原因在于人員的突然增加使風(fēng)量突然增大，故而出現(xiàn)了兩個(gè)最大值，而除了這兩個(gè)時(shí)間段外，進(jìn)出地鐵站的人員遠(yuǎn)少于高峰數(shù)量，故風(fēng)量較低。在采用風(fēng)機(jī)定風(fēng)量的方案時(shí)，為了滿足全天室內(nèi)環(huán)境的舒適性，則必須要滿足早高峰、晚高峰這兩個(gè)時(shí)間段的峰值風(fēng)量，導(dǎo)致在非高峰期出現(xiàn)了多余的風(fēng)量。按照日平均風(fēng)量計(jì)算能耗，計(jì)算出能耗為按峰值計(jì)算能耗的70%左右。因此，風(fēng)機(jī)定風(fēng)量運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致能耗被嚴(yán)重的浪費(fèi)，采取一定的措施改變運(yùn)行方式是非常重要的。

4 風(fēng)機(jī)變風(fēng)量調(diào)節(jié)策略

變風(fēng)量運(yùn)行可以用下列兩種方式實(shí)現(xiàn)：

1）更改運(yùn)行的風(fēng)機(jī)數(shù)量。根據(jù)實(shí)際的人員數(shù)量情況及設(shè)備發(fā)熱情況計(jì)算各時(shí)間段所需要的風(fēng)量，并根據(jù)實(shí)際計(jì)算的風(fēng)量調(diào)整每個(gè)時(shí)間段正在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)數(shù)量。比如，當(dāng)空調(diào)負(fù)荷減小到設(shè)計(jì)負(fù)荷的1/2時(shí)，只開啟1/2的風(fēng)機(jī)。由于管路系統(tǒng)特性變化較小，此時(shí)風(fēng)量稍大于原本的1/2，能耗也稍大于原能耗的1/2。但這種調(diào)節(jié)方式屬于有級(jí)調(diào)節(jié)，一旦空調(diào)負(fù)荷超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷的1/2時(shí)，全部風(fēng)機(jī)均需要開啟。

2）采用既變頻又變風(fēng)量的運(yùn)行模式。在最初的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員一般按照遠(yuǎn)期地鐵的早高峰或者晚高峰數(shù)據(jù)對(duì)大系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了整體的風(fēng)機(jī)選型數(shù)據(jù)偏大，而在實(shí)際的應(yīng)用中，客流量遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)值要小，導(dǎo)致各風(fēng)機(jī)無(wú)法在最佳工作點(diǎn)進(jìn)行工作。因此，需要采用變頻器等方式對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證其風(fēng)量及冷量與實(shí)際工況不會(huì)出現(xiàn)大的偏差，同時(shí)也產(chǎn)生了節(jié)能的效果。

風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、水泵的流量、風(fēng)機(jī)及水泵的消耗功率與風(fēng)機(jī)及水泵的轉(zhuǎn)速有下述關(guān)系：

式中，V1和P1分別為風(fēng)機(jī)（或水泵）在N1轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量（或流量）和功率，m3/s；V2和P2分別為風(fēng)機(jī)（或水泵）在N2轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量和功率，kW。

由式（1）、式（2）可得：風(fēng)量（或流量）與風(fēng)機(jī)（或水泵）的轉(zhuǎn)速成正比，功率與風(fēng)機(jī)（或水泵）的轉(zhuǎn)速的三次方成正比?？梢缘贸鲈?0%~90%風(fēng)機(jī)（或水泵）轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)機(jī)（或水泵）進(jìn)行變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)（或水泵）的動(dòng)態(tài)節(jié)能效果為27%~78%，節(jié)能效果非常明顯。而且如果進(jìn)行變頻的調(diào)速控制，對(duì)電網(wǎng)的沖擊可以繼續(xù)減輕，對(duì)設(shè)備和閥門的消耗也比之前小，壽命得到了延長(zhǎng)，從而設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用也得到了節(jié)省。

因此，風(fēng)機(jī)的相關(guān)能耗在地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗中占比較大，對(duì)于地鐵車站的節(jié)能，風(fēng)機(jī)本身的節(jié)能運(yùn)行就非常重要。

根據(jù)上述分析及計(jì)算可以得出，為保證地鐵車站的節(jié)能運(yùn)行，通風(fēng)空調(diào)的運(yùn)行方式需采用變頻變風(fēng)量系統(tǒng)；針對(duì)室外氣溫較高的天氣時(shí)，采用大溫差小風(fēng)量的方式；同時(shí)排風(fēng)道內(nèi)的阻力相對(duì)較小，在采用通風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)時(shí)，建議利用排風(fēng)機(jī)及風(fēng)道通風(fēng)。地鐵的出入口相對(duì)截面積較大，可以充分利用出入口進(jìn)行通風(fēng)換氣，降低風(fēng)機(jī)能耗，更好地利用室外溫度較低的空氣降溫。

在室外空氣焓值小于空調(diào)送風(fēng)焓值時(shí)，溫度是最主要的控制量。在這個(gè)階段，地鐵車站內(nèi)的空氣溫度高于室外的空氣溫度，故在通常情況下，當(dāng)室內(nèi)溫度滿足室內(nèi)的溫度要求時(shí)，地鐵站內(nèi)的相對(duì)濕度也滿足室內(nèi)的濕度要求，但存在濕度過(guò)大的情況，在這種情況下，可以放寬溫度標(biāo)準(zhǔn)，從而確保室內(nèi)濕度滿足濕度的要求。若室外的空氣含濕量小于地鐵站內(nèi)的空氣含濕量，此時(shí)應(yīng)該通過(guò)風(fēng)機(jī)等設(shè)備加大通風(fēng)量，反之則減少通風(fēng)量。

5 冷水系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案

5.1 冷水系統(tǒng)能耗分析

空調(diào)水系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備是冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵等，其中，冷水機(jī)組的容量一般為200~300 kW，供回水溫差一般可以顯示冷水機(jī)組的能耗水平；冷凍泵、冷卻泵等動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際功率越大，能耗越大[1]。

5.2 針對(duì)冷水系統(tǒng)的節(jié)能控制

冷水機(jī)組的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)是由供/回水溫度進(jìn)行控制的，其自身可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)能級(jí)調(diào)節(jié)，空調(diào)的負(fù)荷一般由供/回水溫度決定。因此，優(yōu)化冷凍機(jī)組的供回水溫度，使之既滿足實(shí)際的運(yùn)營(yíng)需求，又可以節(jié)能。

當(dāng)所需冷負(fù)荷較小時(shí)，空調(diào)二通閥已經(jīng)開到最低程度，無(wú)法繼續(xù)實(shí)施調(diào)節(jié)，則大部分的壓力會(huì)消耗在調(diào)節(jié)閥上，如果此時(shí)調(diào)整冷水機(jī)組的出水溫度，即升高出水溫度，則對(duì)提高機(jī)組性能以及減低能耗有很大的益處；反之當(dāng)冷負(fù)荷很大時(shí)，降低出水溫度也可達(dá)到上述益處。

通過(guò)變水量的變頻調(diào)速方法，冷卻供/回水溫度可控制冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)或調(diào)節(jié)冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。故水泵和風(fēng)機(jī)均可采用變頻的方式進(jìn)行節(jié)能。

冷凍泵根據(jù)供/回水溫度或壓差來(lái)控制啟動(dòng)臺(tái)數(shù)或調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，地鐵通常采用一次泵系統(tǒng)。采用一次泵變流量壓差變頻調(diào)速是最具節(jié)能效果的方法，因此，冷凍泵可采用變頻技術(shù)來(lái)節(jié)能。

通過(guò)壓差進(jìn)行控制可使冷水閥處于安全的壓力狀態(tài)下，同時(shí)由于冷水閥較少，可通過(guò)所有閥位的反饋，調(diào)整壓差設(shè)定值，使冷水閥開度維持在70%~90%，保證冷凍水循環(huán)的阻力為最小，系統(tǒng)損耗最小。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)組進(jìn)行了節(jié)能方案的設(shè)計(jì)，其中，風(fēng)機(jī)主要采取了變臺(tái)數(shù)運(yùn)行和變頻變風(fēng)量運(yùn)行的模式，針對(duì)實(shí)際情況減少風(fēng)量，進(jìn)行節(jié)能；對(duì)于冷水機(jī)組，節(jié)能的方式主要通過(guò)改變冷凍機(jī)的供/回水溫度，確保冷量不會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的損失。