南京地铁一号线加装安全门系统后通风空调节能运行策略

肖 波 ，毛 纬

1.南京地下铁道有限责任公司建设分公司，江苏 南京 210000

2.南京地下铁道有限责任公司运营分公司，江苏 南京 210000

1 概述

南京地铁一号线环控系统地下车站采用闭式通风空调系统，系统运转由环境监控自动管理系统（Bui1ding Automation System简称BAS）自动控制。空调系统在空调季节为全线地下车站供冷，保持地铁车站的夏季清凉，送风机、排风机是空调系统的核心设备，采用变频控制，它对于提高乘客舒适度、保障设备可靠运行都必不可少。

随着一号线站台门加装工程的逐步完善，全线通风系统的结构产生了一定的变化，站台与区间隧道的气流交换方式由原来的直接连通变成了通过站台门的通风百叶进行连接，车站的密闭性增强。如果仍然延用之前的通风工艺，势必会造成能源的浪费。因此，在吨相关数据进行实测，整理和分析的基础，对车站现有的 工况进行分析论证，优化系统运行参数，在满足车站正常的舒适度的前提下 ，节能降耗。

加装安全门前 夏天所有车站送风机均以40Hz的频率投入运转，排风机的频率按照送风机频率的80%投入运转，基本能够满足车站的降温要求；安全门加装后，安全门格挡了大量的活塞风进入车站，由于压强的变化，原先由出入口泄出的低温空气将变少；同理，当列车出站时，安全门又格挡了部分冷量流入区间隧道，出入口灌入的高温空气也将变小。综上所述，由于车站热负荷变小，送风机的送风量可以缩小，风机频率也可以相应的降低。

2 地铁内部热湿负荷组成及计算方法

对地铁通风空调系统能耗进行分析，就是要分析地铁内部的热湿环境及其影响因素，归根结底就是要对其热湿负荷的组成进行研究，并在此基础之上加以量化，从而准确地得到系统运行能耗情况。

如前面所述，影响地铁内部热湿环境的因素非常多，同时就决定了其热湿负荷组成也十分复杂。为了表述方便，首先将地铁内部环境划分为车站和区间隧道两个部分。车站的热湿负荷组成主要包括围护结构传热传湿、列车运行及其设备发热、出入口空气交换热湿负荷、室外新风负荷、车站设备及照明发热、车站人员散热散湿等等；区间隧道的热湿负荷组成主要包括围护结构传热传湿、列车运行及其设备发热、峒口空气交换热湿负荷、隧道设备及照明发热等。车站和区间热湿环境通过空气流动相互影响。以下对热湿负荷组成的主要方面进行详细的分析计算。

1）围护结构传热传湿

2）列车运行及其设备发热

列车发热量是地铁内部的负荷的主要组成部分，资料显示其运行发热及冷凝器等设备发热分别为地铁内部的第一和第二热源[3，6]。

3）车站人员散热散湿

考虑地铁内部人员的散热量，主要就是考虑车站乘客的散热量。与一般的建筑有所区别，车站乘客为非常驻人员。一般乘客乘车的过程是途经站厅、站台直至进入列车车厢，平均停留时间为4min～5min，下车的过程恰好相反。在进行计算时必须对车站的客流量进行统计，即统计运营时段内各小时上车和下车的人员数，一旦客流量确定，人员的散热量也基本确定。在通常地铁客流量的预测中，由于多种不确定因素，一般仅对高峰期作预测，至于其它时刻的客流量，常常在高峰客流量的基础之上乘以一个因子，即要引入一个客流系数的概念，其大小一般根据以往的统计的数据及经验所得。

4）设备及照明散热

对于未设置设备的区间隧道，由于其照明也相对较少，基本上可以忽略区间上的设备及照明散热，主要考虑车站的设备及照明散热。

而车站的设备及照明散热一般是由用电设备产生，包括AFC自动售票机、检票机、自动扶梯、垂直电梯、灯具、广告牌等等。

地铁内部设备及照明散热与一般的建筑相同，可以在统计用电设备用电功率及使用时间的基础之上得出。

5）新风及出入口进风负荷

为保证地铁车站内良好的空气品质，必须向站内送入一定的新风。根据《规范》要求，系统开始运行时，人均新风量不得少于30m3/h；系统闭式运行时，人均新风量不得少于12.6m3/h，且系统的新风量不得少于总风量的10%；空调系统开启时，人均新风量不得少于12.6m3/h，且系统的新风量不得少于总风量的10%。

由于地铁活塞风效应的影响，外界新风会通过乘客出入口进入车站内而与站内空气混合，从而影响空调负荷。对非屏蔽门地铁而言，出入口的进风量与发车对数密切相关，发车对数存在着某一临界值，在临界值以下，其进风量与发车对数基本呈正比关系[10]。

系统新风及出入口进风携带的冷负荷在空调季节均由空调系统来承担，因此可以统一为一个计算公式：

3 安全门系统对地铁热环境的影响

地铁车站安装的安全门系统，由于其本身的结构，相当于在车站与区间隧道之间形成了一道屏障，虽然不完全封闭，但势必会影响到车站及隧道的气流组织，另外相当于在站台与隧道之间增加了一导热热阻，势必会对地铁内部热环境产生影响。由于活塞风的作用，地铁内部空气扰动相对剧烈，因此从定性的角度上来讲，因空气对流而对热环境产生的影响要比导热的影响程度大得多。而空气流动的程度视安全门的高度而定，安全门越高，即车站与隧道间的隔绝程度就越大，空气流动就越困难。

1）安全门对车站热环境的影响

在空调季节，从节能的角度出发，车站一般采用小新风进风方式，即只要引入一定的新风满足车站人员的卫生及舒适性要求即可。因此，地铁通风空调系统在空调季节一般采用闭式运行，即区间与车站机械通风机均关闭，活塞风道、机械风道关闭，仅依靠地铁活塞风作用从乘客出入口吸入室外空气或者通过新风机送入一定的新风进入空调箱。对于未设置安全门系统的地铁车站，由于活塞效应比较强，一般通过乘客出入口进入的新风就能满足新风量要求，但与此同时，隧道中温度相对高的空气，特别是列车刹车进站停靠阶段产生的大量制动热也以空气为载体，通过活塞效应流入了站台，导致车站温度短时间内迅速升高，这部分热量也成为了空调负荷影响了空调能耗。地铁车站安装安全门系统以后，车站与隧道直接连通的面积减小（其面积大小由安全门的结构形式决定），因活塞效应进入站台的高温空气量同时减小，空调负荷降低，车站热环境受到的影响程度也降低。

在过渡季节，由于室外温度相对较低，无须开启空调系统，地铁内部产生的余热余湿可以通过引入室外新风加以消除。对于未设置安全门系统的地铁车站，可以充分利用活塞效应而从出入口进入的新风冷却车站，如果新风不足，一般开启局部的送排风机即可满足车站热环境要求。而当地铁车站设置了安全门系统后，车站的活塞风效应被削弱，通过出入口进入车站的新风量减少，地铁内部的余热余湿可能得不到及时的消除，而使室内热环境恶化，因此为了满足热环境要求，必须开启更多的回排风机或者延长风机工作时间，同时这也增加了通风系统的能耗。

2）安全门对隧道热环境的影响

4 通风空调系统能耗分析

为了得到安全门系统对地铁通风空调能耗的影响情况，需对地铁通风空调系统的运行参数和能耗作一详细的测试分析， 包括有无安全门系统下的能耗，在此基础之上进行对比，从而分析出规律，得出结论。

4.1 理论计算

4.1.1 相关条件设定

为了便于计算，特对车站的参数进行如下设定：

1）列车进站平均时间为15S，列车出站平均时间为10S，且列车出站时风速约占列车进站时风速的60%，根据上述设定可以得出列车出站风量（U出）占进站风量（U进）的40%， 即U出=U进*40%；

2）通过出入口泄压、引流的气流总量为列车进出站时带进、带出车站气流的70%，

U泄=U进*70%

U引=U出*70%

3）根据南京地铁设计文件标准，夏季室外干球计算温度（T外）取32℃，车站温度（T车）控制在29℃，隧道内平均温度（T隧）取30℃，空调口出风温度（T空）取20℃；

4）由于车站采用水冷式空调并经过相关处理，可以近似认为车站的相对湿度和隧道内的相对湿度相等；

5）经过测量，南京地铁一号线站台全长（L）144m，站台高度（H）为2.5m。

4.2 相关数据测量

有无站台们都将站台两端和站台中央作为3处测量点，利用风速仪的平均测量功能，得到该测量点的平均风速。最终将3处测量的平均值作为整个站台的平均风速，

4.2.1 无安全门列车进站时站台侧边的风量测算

次数位置 第一次测量 第二次测量 第三次测量站台头部 0.6m/s 0.5m/s 0.5m/s

V台=2.1m/s

4.2.2 有安全门列车进站时经百叶的风量测算

V台'≈0.8m/s

4.3 数据计算

4.3.1 风量计算

无安全门情况下，整个车站站台区相当于气流通道，站台长144m，高2.5m，在列车平均进站时间内，注入车站的活塞风量U可以做如下近似计算：

U=L*H *V台*t=144m*2.5m*2.1m/s*15s=11340m3

有安全门情况下，安全门体百叶部分的面积约占整个站台侧面积的1/2，按百业通风率60%计算，通风过流面积 占整个站台面积的 30%。考虑到站台门接缝及站台门顶端处漏风现象， 漏风率λ取值15%，在列车平均进站时间内，给车站注入的活塞风量U′可以做如下近似计算：

U'=L*H *13/40*V 台 '*t/（1-λ）=（144m*2.5m*30%*2.1m/s*15s）/85%=4002m3

经过上述计算可知，由于安全门的存在，格挡了大量的活塞风，风量减少ΔU=U-U'=11340m3-4002m3=7338m3。

4.3.2 能量与风量折算

1）进站时，站台门格挡的风量与风机送风量的计算

列车进站时，被格挡掉的风原先是要消耗车站内的冷量才能从隧道内的30℃降为车站设定的29℃的，但是现在这些风被挤入区间隧道，就不会消耗车站的冷量，所以送风机减少送出的冷量近似等于被格挡风量降温所消耗的能量。故送风机在一次进站过程中需要少送出气体的体积U风1，

ΔU/U风1=（T车-T空）/（T隧-T车）

代入数值7338m3/U风1=（29℃-20℃）/（30℃-29℃）

得U风1=815m3

2）出站时，站台门格挡的风量与风机送风量的计算

如前所述，列车出站时的总风量是进站总风量的40%，也即送风机送风体积也是进站时的40%，

∵U出=U进*40%

U出/U进= U2/U1

∴U风2=U风1*40%=815m3*40%=326m3

3）出站时，出入口引流风量与风机送风量的计算

列车出站时，从出入口少灌入车站的风 要消耗车站内的冷量才能从32℃降为车站设定的29℃的，现在引流风量减少，送风机可以减少送出的冷量近似等于引流风量降温所需耗能。对送风机减少的风量U风3，进行如下计算：

∵U引=U出*70%

∴ΔU引=（ΔU *40%）*70%

又 ∵ v1/ v2 =Δt2/Δt1

∴ΔU引/U风3=（T车-T空）/（T外-T车）

代入ΔU引后得：

（ΔU*60%*2/3*70%）/U风3=（T车-T空）/（T外-T车）

2030m3/U风3=（29℃-20℃）/（32℃-29℃）

U风3=676m3

4）出站时，出入口泄压风量与风机送风量的计算

列车出站时出入口引流风量是列车进站时出入口泄压风量的40%，也即送风机送风体积也是进站时的40%，

∵U进/U出= U引/U泄= U风3/U风4

∴U引=U泄*40%

U风4=U风3/40%=676m3/40%=1690m3

一号线目前的行车间隔是4分钟，也就意味着平均每2分钟就会有一班上行或下行的地铁列车进站，则每小时列车进站次数M=60/2=30，综上所述，则风机在一个小时内，可以减少送风量U总为：

4 数值分析

南京地铁一号线典型地下车站均设4台送风机、4台排风机，风机功率均为37KW(送风量约100000m3/h)。

经过上述计算，可见对于列车进站而言，由于站台门的存在，格挡了大量的活塞风（ΔU）：

ΔU=U-U'=11340m3-4095m3=7245m3

其格挡率η=ΔU/ U*100%=7245m3/11340m3*100%≈64%可见其在节能方面是效果是很显著的。

因电源频率（F）、风机转速（N）、风机风量（U）均成一次关系，同时车站共有4台送风机，折算每台风机可以减少的风量为U总的1/4，也就是26198m3，依照典型地下站进行计算，遂得

∵ F/F′=U/U′

∴F50/ΔF=U额/ΔU

50Hz/ΔF=100000m3/26198m3

即ΔF=13Hz

综上所述，根据理论计算，由于站台门的原因，可以将现有的风机频率下调13Hz，但是出于对舒适度的考虑，应保留部分送风的余量，故令：

ΔF≈10Hz

经过优化后，可以将送风机频率上限设定为30Hz、排风机仍按照送风机频率的80%投入运行，以满足运营需要。

5 自动化控制修改策略

为了让车站在夏季既能维持一个清凉的环境又能达到节能的目标，BAS系统需要对送、排风机进行智能的调节以适应车站具体的环境变化，其具体的控制过程由三个部分组成，分别是开机初始阶段运行过程、线性下降运行过程和智能调节运行过程。如前所述，排风机的运行频率是送风机的80%，故下述讨论均以送风机为例，排风机的频率直接按照关系比例产生输出。通过之前的结论，我们需要将送风机的频率上限下调10Hz，即让送风机运行在[20Hz，30Hz]区间范围内。但是一号线不同的车站有不同的结构，而且通风系统的构造也不尽相同，由此我们可以将这些不同抽象出来，在程序中增设一个频率修正因子γ来体现。在产生输出时，直接将γ值与PID输出频率值相加得到最终的输出频率。可见，此次修改的难点在于如何确定修正因子γ的取值。下面对程序修改的各因素、各过程进行具体的分析，以建立BAS程序中通风系统的软件模型，并给出最终控制方案。

5.1 送风机运行频率相关参数设定

根据行业相关标准，南京地铁一号线车站夏季控制温度为29℃，那么我们需要根据实时的温度情况对风机的频率进行相关控制。为此，要根据新需要在程序中要重新设立PID控制模块的相关参数，需要修正的参数设定如下：

1）频率上限设定

根据分析，送风机的频率上限应设定为30Hz，下限应设定为20Hz，这样在根据车站温度进行PID智能调节时，能保证风机的输出频率在无修正的情况下，可以在[20Hz，30Hz]区间范围内进行实时的调节，以达到智能的控制。

2）PID控制模块的各参量设定

程序中需要对PID模块的比例参量P、积分参量I和微分参量D进行设置。其中比例参量起信号比例放大作用，积分参量控制时间积累效应，微分参量主要起阻止偏差变化的作用。对于南京地铁一号线通风系统的控制，我们只需要考虑比例参量和积分参量即可。由于车站公共区的面积较大，总体的热容也较大，所以车站每升高或降低1℃所需要的时间就比较长，所以从这个角度考虑，我们要缩减时间效应对风机频率的影响，换言之也就是要增大积分参量的取值，让其控制相对“滞缓”。根据经验值和模拟验证。

3）控制温度点和死区的设定

程序中设立的PID模块需要根据车站的具体温度进行控制，为了防止输出频率的频繁震荡，需要在程序中设立一定的死区范围，在死区范围内，维持现有的频率进行运转，不再进行调节。车站温度控制标准为29℃，在控制上，可以定义±1℃的死区范围，让车站温度能够稳定在[27℃，29℃]，即当车站温度从低温上升至29℃时，增大风机的频率，直到控制上限；当温度从高温降至27℃时，减小风机的频率，直到控制下限。综上，程序中的控制温度点应该设置为28℃，死区为±1℃，以满足温度控制区间要求。

5.2 风机开机初始阶段运行过程

当车站每天刚开站的时候，首先为了能够迅速地将车站温度降下来，起初需要用大风量给车站送风，以南京地铁一号线典型地下车站为例，将频率基准点设定为风机正常调节的中间点25Hz，将修正因子的初始基准值设定为10。根据不同的车站特点，可以对γ值进行二次修正，修正的原则如下：

1）对于侧式站台，γ修正-1；

2）对于车站面积较小，γ修正-2；

3）对于车站面积较大，γ酌情修正1-2；

4）对于重点客流大站，γ酌情修正2-5；

5）对于换乘站，γ修正1；

6）站厅站台合一，γ修正2；

7）对于同一车站，γ的二次修正值在初始基准值基础上进行矢量叠加，γ上限不超过15，下限不低于5。

那么如何确定运行时间T、初始频率F和修正因子γ的二次修正值呢，下面根据不同车站给出不同的取值：

参数车站运转时间T（min）初始频率F（Hz）修正因子γ二次修正 取值原因奥体中心 40 37 12 站厅站台合一元通 25 33 8 换乘站、车站面积较小、侧式站台中胜 25 32 7 车站面积较小、侧式站台三山街 30 37 12 客流较大张府园 30 35 10 典型车站新街口 60 40 15 换乘站、客流大、车站面积大珠江路 30 35 10 典型车站鼓楼 45 37 12 车站面积大，三层玄武门 35 35 10 典型车站新模范马路 35 35 10 典型车站南京站 45 40 15 客流大，车站面积较小

5.3 风机线性下降阶段运行过程

当完成了风机开机初始阶段运行过程后，自动转入线性下降阶段运行过程，需要将风机的频率缓慢地从高频降低至基准频率25Hz，这个时候就要按照时间逐步对功率修正因子γ进行线性修正了。把修正因子γ看成是风机在本阶段运行时间T1的一次函数，令γ=N-1/K *T1，其中N为上一阶段γ的初始值，对于某一车站而言为定值；K为比例系数，即每K分钟降低1Hz的频率，典型车站K的取值为5，其修正原则与上述γ初始值的二次修正原则相同，不再赘述，下面给出各车站的K取值：

参数车站 比例系数K 取值原因奥体中心 7 站厅站台合一元通 6 换乘站、车站面积较小、侧式站台

中胜 4 车站面积较小、侧式站台三山街 7 客流较大张府园 5 典型车站新街口 10 换乘站、客流大、车站面积大珠江路 5 典型车站鼓楼 7 车站面积大，三层玄武门 5 典型车站新模范马路 5 典型车站南京站 7 客流大，车站面积较小

综上设备在以初始频率运行T分钟后，频率线性下降，最终达到基准频率25Hz。当γ＜0时，表示风机频率已经降低至基准频率，也就意味着该阶段运行结束。

5.4 风机智能调节运行过程

在该运行过程中，风机的运行频率由PID智能调节模块来计算，并保持在[20Hz，30Hz]范围内，以达到节能的效果，由于该项技术较为成熟，且都为模块化控制，故此不在赘述。

考虑此项目为今年第一次测试，应该在程序中设定一个测试偏移量α，α的取值为[-5，10]，在频率输出时叠加α，即让风机运行的频率范围变成[20Hz+α，30Hz+α]。在进行测试时，如果车站温度过高时可以增加α的值以获得更高的送风量；相反，可以适当的减小α的值，直到得出每一个车站的最优频率值。

6 项目经济效益

该项目可以更加合理的安排车站通风系统的设备运转，在满足车站降温的前提下，达到节能降耗的效果；每年节能的费用 如下表所示：

车站 设备功率 设备台数 节电量（万千瓦时）奥体中心 37kW 8台 11元通 37kW 8台 11中胜 37kW 8台 11三山街 37kW 8台 11张府园 37kW 8台 11新街口 55kW 11台 2837kW 3台 11珠江路 37kW 8台 11鼓楼 55kW 8台 17玄武门 37kW 8台 11新模范马路 37kW 8台 11南京站 55kW 8台 17

根据上述计算数据可得每年空调季节可以节约用电总和为：

11*8+28+16.85*2=150万度

按0.51元/度的价格，每年空调季可以节省电费约76.5万元。

[1]赵荣义，范存养，薛殿华，钱以明[M].空气调节.北京：中国建筑工业出版社，1994.

[2]机电部第十设计研究院.空气调节设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1986.

[3]孙一坚，等.工业通风[M].北京：中国建筑工业出版社，1985.

[4]何川，郭立君.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，2004.