地鐵車站公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能探討

朱德斌

中鐵上海設計院集團有限公司

0 引言

近幾年我國各地城市開始修建地鐵，通風空調(diào)系統(tǒng)為城市軌道交通工程提供舒適、安全的環(huán)境，但其能耗水平卻占整個地鐵用電負荷的 40%[1]，本文從設計角度究其能耗高的原因，可總結(jié)為以下幾點：

①業(yè)主在地鐵建設中占據(jù)重要作用，一切都得照章辦事，追求的是穩(wěn)，這看似與節(jié)能無關，實則關系大矣，“照以前的做”、“進一步研究”是經(jīng)常聽到業(yè)主們說的話。

②能參與地鐵設計的設計院較少，而且設計的工作量大，導致設計人員基本上沒時間思考創(chuàng)新，只能一味的按國內(nèi)常規(guī)的設計方案進行設計。

③地鐵設計的周期長，需要召開各種專家評審會，然而專家意見不同，最終也會導致地鐵的設計取常規(guī)做法。

④施工單位為保證通車時間，經(jīng)常趕工，導致施工質(zhì)量參差不齊。

因此，為打破地鐵運營中通風空調(diào)系統(tǒng)能耗高的特點，需要某些城市率先打破常規(guī)，采用新技術，這對地鐵經(jīng)濟節(jié)能運行具有重要意義，本文提出在公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)中具有節(jié)能意義的幾種方案。

1 公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)設計方案

如圖1，公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風全空 氣系統(tǒng)，雙端送風，A、B 端機房設于兩端。系統(tǒng)的主要設備有小新風機，回排風機，排煙風機，組合式空調(diào)器以及相應的控制風閥。當空調(diào)季節(jié)室外新風焓值大于車站回風點焓值時，采用空調(diào)新風運行，全新風風閥關閉，排風機的排風風閥關閉，回風風閥打開，回風與小新風在組合式空調(diào)器的混合段混合，經(jīng)處理后送入站廳站臺。當室外新風焓值小于車站回風混合點焓值且其溫度大于空調(diào)送風點溫度時采用空調(diào)全新風運行，此時小新風機關閉，全新風風閥打開，回排風機的回風風閥關閉，排風風閥打開，回風經(jīng)回排風機直接排到排風道，室外新風經(jīng)組合式空調(diào)器處理后送至站廳站臺。當室外新風溫度小于空調(diào)送風點溫度時，室外新風不經(jīng)冷卻處理，利用組合式空調(diào)器直接送入車站公共區(qū)。車站的小新風機、回排風機、組合式空調(diào)器、排煙風機分別設于A、B 端站廳層的環(huán)控機房內(nèi)。

圖1 公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)圖

2 公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案探討

2.1 采用雙風機系統(tǒng)

由于地鐵站埋于地下，空調(diào)負荷受太陽輻射的影響不大，可忽略不計，因此空調(diào)負荷主要包括人員，設備散熱，區(qū)間及出入口熱滲透，新風等所形成的負荷。其中新風負荷占比較大，如圖 2，一般占到空調(diào)總負荷的 1/3 以上，且夏季新風的焓值高于室內(nèi)焓值，因此，只要室內(nèi)衛(wèi)生條件允許，應使新風比盡量達到最小，從而降低空調(diào)能耗。

圖2 計算新風負荷占空調(diào)負荷比例

GB/T 51357-2019 《城市軌道交通通風空氣調(diào)節(jié)與供暖設計標準》（下文簡稱規(guī)范）第3.1.7 條規(guī)定當?shù)叵萝囌竟矃^(qū)采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，每個乘客的新風量不應少于 12.6 m3/h,且系統(tǒng)的新風量不應少于總送風量的10%。需要強調(diào)的是，新風量指的是實際進入公共區(qū)的總新風量，即包括由空調(diào)送風系統(tǒng)機械送入的部分以及在活塞風壓及室外風壓作用下由出入口、風亭等外界侵入部分，然而在設計中往往以機械送入的新風量來滿足規(guī)范要求，因此實際新風量往往比理論計算值要大很多。也有相關研究表明，出入口、風亭等外界侵入的新風量遠大于客流所需的新風量[3]，規(guī)范 4.3.10 指出車站公共區(qū)的全空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)應采用設置風機變頻調(diào)節(jié)的變風量系統(tǒng)，宜設置空氣調(diào)節(jié)回排風機，應滿足全新風運行的條件，并非需要設置小新風機，綜上所述，公共區(qū)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可取消小新風機，采用雙風機系統(tǒng)，已降低能耗。

2.2 采用變風道組合式空調(diào)器

由于在過渡季節(jié)新風不需要經(jīng)過冷卻處理，組合式空調(diào)機組中表冷器、過濾網(wǎng)等就成為通風管路上不必要的阻力件，為解決此問題，可采用變風道組合式空調(diào)器，如圖3、4，當在空調(diào)工況時，內(nèi)置風閥關閉，新風與回風混合后經(jīng)過換熱器進行熱交換后送入室內(nèi)。在過渡季節(jié)可利用全新風制冷時，內(nèi)置風閥打開，從而減小組合式空調(diào)器的內(nèi)部阻力，降低了風機的能耗，同時也能延長換熱器的使用壽命。有研究表明，采用變風道組合式空調(diào)器在過渡季節(jié)運行時，空調(diào)器內(nèi)部阻力可減少約100Pa 阻力，從而可減少空調(diào)器配電功率約 10%功耗[4]。經(jīng)與廠家咨詢，國內(nèi)一線空調(diào)品牌廠家均可以生產(chǎn)變風道組合式空調(diào)器，且尺寸與傳統(tǒng)空調(diào)器的相差不會很大，并不會因此增大環(huán)控機房的面積，因此，變風道組合式空調(diào)器在地鐵公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的實施性很大。

圖3 空調(diào)工況下氣流走向

圖4 全新風工況下氣流走向

2.3 采用空氣-水系統(tǒng)

目前該市地鐵公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)均采用全空氣系統(tǒng)，其優(yōu)點在于過渡季節(jié)可以全空氣運行，具有一定的節(jié)能效果。但全空氣系統(tǒng)也存在一些不可避免的缺點：①空氣質(zhì)量比熱容遠小于水的，輸送相同能量時輸配能耗要大。②空氣在環(huán)控機房內(nèi)集中處理，輸送管路長，閥件多，導致阻力大，風機能耗大。③全空氣系統(tǒng)設備數(shù)量少，單臺設備容量大，不便根據(jù)實際負荷情況靈活組合，只能靠變頻運行來調(diào)節(jié)風量，節(jié)能性不高，且當一臺組合式空調(diào)器失效，對車站制冷能力影響較大。④風管施工量大，施工質(zhì)量會影響漏風率，造成能源的浪費。⑤風道與機房占用空間大，會給地鐵車站管線綜合造成較大壓力，經(jīng)常會避讓其它管線導致無形中增加多個來回彎頭，也會導致風機的壓頭增大。⑥由于冷水機組一般放置于車站的一端，冷量輸送到另一端的組合式空調(diào)機組后再由機組送到公共區(qū)，無形中增加了冷量輸送的路徑，造成能源不必要的損耗。

圖5 空氣-水系統(tǒng)在地鐵公共區(qū)的應用

若采用空氣-水系統(tǒng)，如圖 5 所示，車站的風道、機房面積可減小，一方面可以降低地鐵投資成本，另一方面公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)由空氣與水共同承擔室內(nèi)冷負荷，且冷量直接由一端的冷水機組直接輸送到公共區(qū)末端，不像全空氣系統(tǒng)存在冷量輸送路勁的折返，可降低輸送能耗。需要解決的問題是空氣-水系統(tǒng)在過渡季節(jié)不能很好的利用室外新風。但從圖 1 所示，地鐵工程中的排煙系統(tǒng)是必不可少的，地鐵工程線路，車站及相鄰區(qū)間按同一時間發(fā)生一次火災考慮，且站廳、站臺公共區(qū)面積一般均不大于 2000 m2，計算出來A、B 端每臺排煙風機的排煙量與回排風機相當，因此過渡季節(jié)時完全可以考慮開啟公共區(qū)的排煙風機進行通風換氣。

3 結(jié)論

常規(guī)公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性不佳，提出取消小新風機，采用變風道空調(diào)系統(tǒng)設計方案，且方案不會對地鐵投資及施工方面造成影響，具有一定的節(jié)能意義，工程可實施性強。

采用空氣-水系統(tǒng)，可減少地鐵土建投資，能源利用率高，可預見節(jié)能性能明顯，為地鐵公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)設計及節(jié)能改造項目提供一定的參考及借鑒。