地鐵通風空調系統節能分析

龔德高

摘 要：以縮小地鐵車站規模、減少工程投資為出發點，在滿足地鐵車站通風空調系統基本功能的前提下，通過對地鐵隧道通風系統和空調水系統遇到的設計問題進行總結。隧道通風系統可通過設置單活塞風井來壓縮車站規模，減少活塞風亭對車站周圍環境的影響。

關鍵詞：通風空調系統；原理；優化控制；節能策略

地鐵通風空調系統是地鐵綜合自動化系統的一部分，在地鐵運營中發揮著重要的作用。良好的地鐵通風空調系統可以根據地鐵內部環境的變化自動進行溫度、濕度、風量等調節，為乘客創造一個舒適愜意的乘車環境。

1 地鐵通風空調系統原理

地鐵車站通風空調系統由大系統、小系統和水系統構成，三部分組成一個有機的整體，共同作用完成車站環境參數的自動調節。大系統和小系統負責車站公共區和設備管理用房的通風、排風以及車站溫濕度的控制等。水系統為車站空調系統提供冷源，使組合空調機組完成熱交換過程，從而實現地鐵車站溫度調節。在地鐵運營時，空調新風機負責向站內輸送新風；回排風機負責站內排風；組合空調機組兼具送風和制冷兩個方面的功能。組合空調通過冷凍水回路和空調水系統相連，將制冷后帶有設備熱負荷的冷凍水通過冷凍泵輸送到空調水系統的冷水機組，冷水機組通過熱交換將冷凍水熱量轉移到冷卻水，通過冷卻水回路和冷卻塔將熱量排放到大氣中。同時冷水機組將熱交換后形成的冷源，回饋到空調機組以便站內制冷。

2 通風空調系統的優化控制

2.1 優化控制思路

由于傳統的空調控制系統的控制方式屬于粗放式的控制，造成了極高的能源耗費，因此必須尋找一種更加優化的控制方式來代替。地鐵列車及其空調冷凝器的發熱量、新風負荷、人員負荷隨行車密度及客流量波動，不同時期、不同時段所需要的軌道排風量、車站所需的新風量和冷量都會因行車密度、客流量及屏蔽門開啟時間的變化而有很大差異。在空調系統中冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按照車站最大設計負荷選定的，且留有余量。在實際使用中，空調系統大多處于低負荷運行狀態，因此，對冷凍水回水閥進PID調節，以控制冷凍水回水量，這是減少能耗的有效途徑。

2.2 通風空調系統優化控制方案

2.2.1 變風量變流量控制。變風量控制主要是由設在車站兩端的組合式空調機組和回排風機來實現的。在送風機和回排風機上均配備變頻器，用來改變送風機和回排風機的轉速，可方便地調節送風量和回風量，使空調大系統成為變風量系統。這樣，系統不僅能隨時改變供風量以適應風量需求的變化，同時也有顯著的節能效果。綜合監控系統通過與自動售檢票系統、屏蔽門系統及環境與設備控制系統的接口，可獲知當前時段進閘人數和出閘人數等客流信息、屏蔽門開啟次數以及站內的二氧化碳傳感器采集的信息，然后由綜合監控系統根據這些信息實時計算系統的新風負荷和人員負荷。

2.2.2 分析比較。常規的定風量變流量控制方式存在冷水量不能隨風量同步變化的問題，這也限制了冷水量的調節作用。而且地鐵通風空調系統的負荷具有大干擾、高度非線性、不確定性、大滯后的特征，如果控制模型單純采用負反饋控制，容易造成系統的波動和震蕩，難以達到預想的控制效果。采用變風量變流量優化方案的優點是：發揮變頻器調節風量的優勢，引入正反饋和負反饋控制，用于調節組合空調和新風機的出風量以適應負荷的波動。對末端冷水量的調節引入正反饋控制，使冷水量隨風量同步變化，增加了風量調節的有效范圍，縮短了冷水量調節的響應時間。該方案考慮了冷水量和風量的配合問題，將變風量控制和變流量控制有機地結合在一起，使整個通風空調系統的性能得到了進一步的優化，而且該方案結構清晰、控制流程簡單、易于組態、容易編程，可以有效地節約地鐵運營的能耗。

2.2.3 軌道排熱風機節能優化控制。車行區排熱通風系統中的排熱風機的作用是排除列車進站、停站、出站時產生的熱量，以減少列車發熱量對車站及區間的影響。車行區排熱系統在地鐵運營期間需長期運行，能耗巨大，且負荷變化明顯，因而排熱風機有必要采用變頻技術。

3 通風空調系統節能策略

從空調負荷分析，人員及新風負荷是系統節能的重點，這需要根據實際負荷需求對風量、水量進行調節。從系統運行耗電分析，風機、水泵等輸配系統是車站節能的重點，也需要根據車站負荷變化調節風機、水泵等運行狀態，降低運行費用。因此，空調系統的節能應綜合考慮設計、運行的各個階段。

3.1 設計階段節能策略

3.1.1 優化系統布置。車站設計時，本專業應積極配合建筑專業，優化風道、房間的布置。風井或機房位置應保證管路通暢，協調減少土建直角彎，最大限度的減少不合理的結構導致車站能耗加大的情況。通風空調系統的設計，應強化節能意識。設計師應充分結合地鐵負荷特點，優化系統設置，盡量減小風管直角彎，合理科學選擇空調設備，杜絕“大馬拉小車”的現象。

3.1.2 大溫差送風。對于設備管理用房，合理加大送風溫差。因送風溫差的增大，使送風量大大減小，可節省系統的一次投資費用和運行費用。對于車站變電所及發熱量大的電氣用房，保證在電氣設備空載時不結露的情況下，適當提高送風溫差，一般取△T≈15～19℃。

3.2 運行階段節能策略

3.2.1 風機變頻變風量調節。由于地鐵通風空調系統的設計是根據預測的遠期高峰客流運營條件來計算的，在客流量遠未達到設計值時，最有效的節能措施就是采用變頻器來調節流量、風量。

3.2.2 空調水系統流量調節。在空調系統中冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按照車站最大設計負荷選定的，且留有余量。在實際使用中，空調系統大多處于低負荷運行狀態，因此，采用變頻器來調節水流量是減少能耗的有效途徑。

3.2.3 采用不同的運行模式。夏季最大限度的減小新風負荷，合理利用過渡季節自然冷源是空調系統節能的有效措施。通過以下的運行方式可達到較好的節能目的。①空調小新風工況。當站外空氣焓值大于車站空調大系統回風空氣焓值時，空調系統采用小新風加一次回風運行。②空調全新風工況。當站外空氣焓值小于或等于車站空調大系統回風空氣焓值，并且站外空氣溫度大于空調送風溫度時，采用全新風空調運行，空調器處理室外新風后送至空調區域，回/ 排風全部排至車站外。③通風工況。當站外空氣溫度小于空調送風溫度時，停止冷水機組運行，外界空氣不經處理直接送至空調區域，回/排風則全部排出車站外。

4 結語

通過分析，地鐵車站空調系統運行時根據實際負荷需求對風量、水量進行變頻控制，以及不同季節采用不同的運行模式，都能起到良好的節能效果。同時，通過優化設計同樣可以達到節能目的。然而，有效并全面降低地鐵系統的能耗是一項艱巨的任務，需要各專業密切協作，節能意識更需要貫穿于整個設計過程當中。隨著新型節能空調設備的不斷發明，以及優化方案的不斷開發，地鐵節能前景必將更為廣闊！

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