地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能技術探討

■　龐李彬

地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能技術探討

■龐李彬

從地鐵環(huán)控系統(tǒng)組成入手，分析地鐵環(huán)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)的能耗特點。重點對地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能措施及技術進行探討，并提出相應建議。通過采用變頻調節(jié)、運行模式調節(jié)，適當提高送風溫差，適當啟用空氣-水空調系統(tǒng)、蒸發(fā)式冷凝空調系統(tǒng)等有效措施，優(yōu)化相關系統(tǒng)的設計方案。

地鐵；環(huán)控系統(tǒng)；節(jié)能；變頻；送風溫差；空氣-水空調系統(tǒng)；蒸發(fā)式冷凝空調系統(tǒng)

隨著我國各大城市的不斷發(fā)展，各中心城市的人口密度逐年增加，交通壓力日漸繁重，地鐵作為一種快捷、高效、運輸量大的公共交通工具，已逐漸成為解決城市交通問題的重要手段。目前，我國已有28個城市運營地鐵，批準建設城市更是高達38個。然而，隨著地鐵的大規(guī)模興建及運營，地鐵運營的巨大能耗也逐漸引起了社會的廣泛關注。環(huán)控系統(tǒng)作為地鐵的重要組成部分，也是地鐵車站的能耗大戶。 地鐵環(huán)控系統(tǒng)繁雜，影響能耗的因素也較多。因此，通過對系統(tǒng)的分析，針對各個子系統(tǒng)不同能耗規(guī)律有針對性地采取節(jié)能措施和技術開發(fā)，對地鐵行業(yè)的節(jié)能減排有重大意義。

1　地鐵環(huán)控系統(tǒng)組成及能耗分析

1.1系統(tǒng)組成

地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要用于調節(jié)地下空間的溫、濕度及空氣質量，在正常工況下為車站內乘客及工作人員提供舒適的空氣環(huán)境。在列車運行期間或因故阻塞在區(qū)間隧道時，為地鐵區(qū)間進行隧道通風換氣，保證乘客和乘務人員的正常需求。其次，在火災情況下迅速排煙，防止煙氣蔓延，為人員疏散提供有利條件。

地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要由4個子系統(tǒng)組成：車站公共區(qū)（站廳、站臺）空調通風系統(tǒng)（簡稱大系統(tǒng)）；車站設備用房、管理用房空調通風系統(tǒng)（簡稱小系統(tǒng)）；為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)提供冷源的系統(tǒng)（簡稱水系統(tǒng)）；區(qū)間隧道活塞風與機械通風系統(tǒng)，以及車站范圍內、屏蔽門外站臺下排熱和車行道頂部排熱系統(tǒng)（簡稱隧道通風系統(tǒng)）。

1.2能耗分析

我國各大地鐵廣泛應用的地鐵環(huán)控系統(tǒng)是屏蔽門系統(tǒng)，此類環(huán)控系統(tǒng)的主要負荷是人員負荷、 照明負荷、設備負荷、屏蔽門傳熱、滲透負荷及新風負荷。設備負荷是指高低壓配電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、廣告、導向標識等系統(tǒng)產生的負荷?？照{系統(tǒng)濕負荷主要由人員負荷、維護結構濕負荷組成［1］。

以上負荷中，照明、設備及屏蔽門傳熱負荷相對變化量較小，基本可以視為恒定值；人員、滲透及新風負荷隨著客流及季節(jié)的變化會有較為明顯的增減，可視為變量值。結合環(huán)控系統(tǒng)4個子系統(tǒng)各自功能的不同，可以對其加以區(qū)分。

大系統(tǒng)由組合式空調箱、回/排風機、排煙風機、小新風機、組合式電動風閥、防火閥、通風空調管道組成。主要功能為：正常情況下，在空調季節(jié)為站廳、站臺提供冷量和新風；在通風季節(jié)為站廳、站臺通風換氣。在站廳或站臺火災情況下，排除站廳或站臺層的煙氣，防止煙氣蔓延，為人員疏散創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)的負荷變化隨客流變化較為明顯，同時也受新風量的影響，其主要能耗設備為組合式空調箱和各類風機。

小系統(tǒng)由空氣處理機、回/排風機、排煙風機、送風機、排風機、通風空調管道、電動風閥、防火閥組成。主要功能為：正常情況下，在空調季節(jié)為車站設備及管理用房提供冷量和新風；在通風季節(jié)為車站設備及管理用房通風換氣。設備及管理用房火災情況下，配合氣體滅火系統(tǒng)完成滅火，排除設備及管理用房的煙氣和惰性氣體，防止煙氣蔓延，排除煙氣，為人員疏散創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)的負荷變化較小，只與季節(jié)性新風量變化有關，其主要能耗設備為空氣處理機和各類風機。

水系統(tǒng)由冷水機組、冷凍/冷卻水泵、集/分水器、冷卻塔、膨脹水箱、水處理裝置、管道及閥門組成。主要功能為：在空調季節(jié)為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)提供冷源。該系統(tǒng)的負荷變化與整個空調系統(tǒng)的負荷變化一致，受客流及新風量的共同影響，其主要能耗設備為冷水機組、水泵及冷卻塔。

隧道通風系統(tǒng)由隧道風機（TVF風機）、組合式電動風閥、排熱風機（UPE/OTE風機）、風道、組合式風閥組成。主要功能為：正常情況下隧道的通風換氣，列車因故阻塞在區(qū)間隧道時的通風，列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災且不能行進時的通風排煙，排除列車頂部空調冷凝器散發(fā)、列車底部剎車產熱、磨擦產熱和車體發(fā)熱量。該系統(tǒng)的負荷變化只與隧道內溫度變化有關，其主要能耗設備為隧道風機、排熱風機。

2　地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能措施及技術

2.1大系統(tǒng)

根據(jù)大系統(tǒng)的能耗特點，該系統(tǒng)的負荷變化較為明顯，需按照客流及季節(jié)變化對其進行有效調節(jié)才能達到節(jié)能的目的。

主要措施如下：

（1）變頻調節(jié)。由于地鐵通風空調系統(tǒng)的設計是根據(jù)預測的遠期高峰客流運營條件計算的，在客流量遠未達到設計值時，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻器來調節(jié)風量［2］。由于風機風量與轉速成正比，消耗功率與轉速的立方成正比。因此通過變頻裝置使風量減少10%，消耗功率可減少27%；風量減少40%，消耗功率可減少78%［1］。對于大系統(tǒng)這一受客流影響較大的系統(tǒng)采用變頻調節(jié)，節(jié)能效果顯著。

（2）運行模式的變化。有效利用不同季節(jié)外界冷負荷的變化，通過新風量的調節(jié)來達到節(jié)能的目的。夏季時最大限度減小新風負荷，過渡季節(jié)合理利用自然冷源。具體可分為小新風工況，即站外空氣焓值大于車站空調大系統(tǒng)回風空氣焓值時，采用最小新風加回風模式運行。全新風工況，即站外空氣焓值小于或等于車站空調大系統(tǒng)回風空氣焓值且站外空氣溫度大于空調送風溫度時，公共區(qū)空氣由組合式空調機組處理過的新風提供，回風全部排至車站外。通風工況，即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(jīng)處理直接送至公共區(qū)，回風全部排至車站外。

（3）適當提高送風溫差。送風溫差的提高可極大降低送風量，在保證不出現(xiàn)結露現(xiàn)象的前提下，盡可能提高送風溫差，從而減小送風量，進而影響設備的選型，從根本上降低設備系統(tǒng)的能耗上限值。

（4）采用空氣-水空調系統(tǒng)替代全空氣系統(tǒng)?，F(xiàn)階段大部分地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)占地面積大，且空氣的比熱遠小于水，在長距離運輸上能量損失較大，運送同樣冷量所消耗的能量也大。因此采用空氣-水空調系統(tǒng)可以在能量運輸及損耗方面有效降低系統(tǒng)的能耗。

2.2小系統(tǒng)

根據(jù)小系統(tǒng)的能耗特點，該系統(tǒng)的負荷變化較小，只與季節(jié)性新風量變化有關，因此需從季節(jié)性新風量變化及能量輸送等方面考慮節(jié)能。

主要措施如下：

（1）與大系統(tǒng)相似的方面：運行模式的變化。有效利用不同季節(jié)外界冷負荷的變化，通過新風量的調節(jié)實現(xiàn)節(jié)能；適當提高送風溫差，從而減小送風量進而影響設備的選型，從根本上降低設備系統(tǒng)的能耗上限值。這兩點同樣適用于小系統(tǒng)。

（2）區(qū)別于大系統(tǒng)的方面：因小系統(tǒng)負荷變化較為穩(wěn)定，因此變頻調節(jié)方式不適用于小系統(tǒng)。采用空氣-水空調系統(tǒng)替代全空氣系統(tǒng)，雖然可實現(xiàn)節(jié)能目的，但考慮小系統(tǒng)主要管轄區(qū)域為設備管理用房，較多電器類設備，應盡可能避免過多水管的使用，因此不考慮此方法用于小系統(tǒng)。

但結合轄區(qū)實際，可考慮采用全空氣系統(tǒng)與變頻多聯(lián)空調系統(tǒng)搭配使用的方法。即在白天大系統(tǒng)運轉時，小系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)，兩者共用冷水機組進行供冷，夜間大系統(tǒng)停止運轉時，采用變頻多聯(lián)空調系統(tǒng)為設備管理用房供冷，停止冷水機組運行。既可以避免過多水管進入設備管理用房，又可以用較低能耗的變頻多聯(lián)空調代替冷水機組供冷，同時可作為小系統(tǒng)備用冷源，進而達到節(jié)能效果。

2.3水系統(tǒng)

根據(jù)水系統(tǒng)的能耗特點，該系統(tǒng)的負荷變化與整個空調系統(tǒng)的負荷變化一致，受客流及新風量的共同影響，因此影響整個系統(tǒng)的調節(jié)方式均可影響其節(jié)能。

主要措施如下：

（1）運行模式的變化。有效利用不同季節(jié)外界冷負荷的變化，可在部分季節(jié)降低或停用水系統(tǒng)，從而實現(xiàn)節(jié)能；

（2）在環(huán)控系統(tǒng)中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量同樣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，環(huán)控系統(tǒng)大多處于低負荷運行狀態(tài)，因此，采用變頻器來調節(jié)水流量同樣是減少能耗的有效途徑。

（3）采用蒸發(fā)式冷凝空調系統(tǒng)取代水冷冷凝方式，只需較小的風量及冷卻水量就可以實現(xiàn)冷媒的降溫冷凝。既可減少冷卻塔建設的種種問題，也可以省去冷卻塔及大功率冷卻水泵的能耗，進而實現(xiàn)節(jié)能的目的［3］。

2.4隧道通風系統(tǒng)

根據(jù)隧道通風系統(tǒng)的能耗特點，該系統(tǒng)的負荷變化只與隧道內溫度變化有關，因此其有效節(jié)能措施較少，需從設計及運行模式入手。

主要措施如下：

（1）在設計之初，應積極協(xié)調建筑專業(yè)，優(yōu)化風道、風井或機房位置，盡可能保證風路通暢，協(xié)調減少土建直角彎，最大限度減少結構帶來的設備能耗加大的情況［1］。

（2）隧道通風系統(tǒng)采用的設備均為較大功率的設備，主要擔負功能為正常情況下隧道的通風換氣及列車頂部空調冷凝器散發(fā)、列車底部剎車產熱、磨擦產熱和車體發(fā)熱量的排除，因此可通過運行模式的控制，盡可能減少隧道通風系統(tǒng)設備的開啟時間，合理安排通風換氣的次數(shù)，在運營初期，區(qū)間隧道內溫度較低時，可適當限制隧道風機的開啟，從而減少能源的浪費。

3　結束語

在結合工作實踐的基礎上，對地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能問題進行分析和探討。通過分析，結合不同子系統(tǒng)的特點，地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用變頻調節(jié)，運行模式調節(jié)，適當提高送風溫差，適當啟用空氣-水空調系統(tǒng)、蒸發(fā)式冷凝空調系統(tǒng)，優(yōu)化設計等措施，都能起到較好的節(jié)能效果。然而，有效降低地鐵環(huán)控系統(tǒng)能耗是一項艱難持久的工作，需要從設計到施工再到運營各階段的共同努力。隨著新型節(jié)能技術的不斷創(chuàng)新及優(yōu)化方案的不斷開發(fā)，地鐵環(huán)控節(jié)能技術具有更為廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 聞彪，吳慶，洪學新.地鐵通風空調系統(tǒng)節(jié)能研究［J］.暖通與設備，2010，38（4）：32-34.

［2］ 蔡昌俊，鐘素銀.軌道交通節(jié)能減排分析與實施［J］.鐵路技術創(chuàng)新，2011（5）：5-10.

［3］ 李德輝.蒸發(fā)冷卻技術在地鐵工程中的應用探討［J］.中國鐵路，2012（5）：106-110.

龐李彬：深圳市地鐵集團有限公司運營總部，工程師，廣東 深圳，518040

責任編輯盧敏

U231

A

1672-061X（2016）04-0074-03