无锡地铁通风空调系统节能优化的探索

王斌 李小坤

无锡地铁通风空调系统节能优化的探索

王斌1李小坤2

(1.无锡地铁集团有限公司江苏无锡214023;2.中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430000)

通风空调系统作为地铁运营系统的重要组成部分和用电大户，消耗的能源费用约占轨道交通总能耗的1/3，空调系统的节能富有潜力且意义重大。从方案设计、工程实施、运营管理等三个方面出发，结合无锡地铁1、2号线工程特点及空调能耗测试结果，综合探索空调方案配置、控制策略、系统实施等对节能的影响，并重点分析小系统多联机空调形式的优点，设备发热量与设备选型配置的关系、模式转化及控制选择，提出只有在明确运营需求、结合运营管理模式的前提下综合考虑空调系统建设，才能真正发挥空调系统的最大价值。

地铁;通风空调;节能优化;设备运行模式

1 研究背景

轨道交通系统是耗电量巨大、运行成本很高的行业，其用电量约占运营总成本的40%～48%［1］。如何建设节能的系统成为系统规划设计与建设管理中的一个重要研究课题，也是行业发展的方向和追求的目标。通风空调系统作为地铁运营系统的重要组成部分和用电大户，消耗的能源约占轨道交通总能耗的1/3［2］，对节能降耗有积极的影响，而其系统特点决定在设计、建设、运营等环节都大有降耗潜力。笔者以无锡地铁为例，分析上述几个环节在节能降耗方面的问题。

2 系统设计

设计方案为工程源头，设计优劣从根本上决定了系统的能耗水平。当前地铁通风空调系统的设计相对较为成熟，当采用屏蔽门制式时，隧道通风一般采用双活塞系统，车站轨行区设置排热风系统，公共区采用全空气一次回风系统，设备区采用全空气或多联机空调系统，空调水系统采用一次泵变流量系统，以及机械通风、冗余空调系统等［3］。无锡地铁空调系统的设计在结合传统方案的同时，为节能进行优化创新，但也存在不足之处。

2.1 小系统的形式

小系统较为普遍的做法是采用全空气一次回风系统，在无锡地铁1、2号线的车站及管理用房中创新采用了多联机+新风+通风系统形式，原理如图1所示。

图1 多联机+新风+通风系统典型原理

该形式空调季节房间冷负荷由多联机系统承担，人员新风量由小新风处理机提供;过渡季节由设置的机械送排风系统通风运行消除余热［4］。其主要优点有:

1)与大系统冷源独立，使水系统运行模式简单，部分负荷可提高机组运行能效;

2)系统为直接蒸发式，冷媒载冷能力比空气强，减小了送、回风管的尺寸，且可缩小冷水机房、环控机房的土建规模;

3)多联机系统可根据空调负荷的变化，使设备始终稳定、高效地运行;

4)多联机系统控制灵活，可按需开启及关闭，避免不必要的能源浪费［5］。

无锡市属北亚热带湿润区，四季分明，气候温和，雨水充沛，日照充足，无霜期长，夏季空调主要集中在7—9月，冬季制热主要集中在12月及次年1—3月，多联机空调以其使用管理灵活、兼顾制冷制热、安装调试方便等特点在无锡以及华东地区有着广泛的应用基础。

2.2 设备发热量

设备房间内设备发热量的大小在一定程度上决定了空调系统的管路规模、设备选型，且为了确保系统安全，设计需按远期发热量峰值计算冷负荷［6］，但在实际运营过程中，可以明显感觉到设备房间内空调系统制冷能力过于富裕。当前设备发热量估算的普遍做法较为保守，导致空调设备配置冗余过大，增加投资的同时也带来了运营能耗增加。对此，无锡在地铁新线建设中对设备发热量大小进行了核实优化，典型房间优化前后的发热量对比见表1。

表1 典型房间设备发热量优化前后对比kW

设备发热量的计算有较大的优化空间，作为空调系统负荷设计的源头，发热量的减少可直接带来管路系统、设备容量、运行能耗的减少，间接地减小了土建规模，并使配电、控制设备的容量降低。

另外，在实际运营过程中，小系统的冷负荷也并非稳态，其变化主要受以下因素影响:

1)初、近、远期不同行车规模所需设备出力不同，发热量也不同;

2)同一天运营时间段和非运营时间段内设备发热量不同;

3)维持发热量峰值的时间较短，大部分时间远低于峰值负荷。

针对上述特点，应通过系统形式优化或运营模式调整以节能降耗。例如，整流变电室、直流室等高负荷强电房间，在列车停运时段，其设备发热量仅为运营时段的25%左右，夜晚室外温度较低，采用全通风模式即可消除室内余热［6］。对于重要弱电设备房间设置有备用冷源保证时，夜晚可完全停运冷水机组，大大节约水系统的输送能耗和设备功耗。鉴于小系统负荷的时变特点，当采用定风量的做法无法达到实时按需调节设备出力的目的时，也可考虑采用变风量系统等有效节能措施［7］。

2.3 管道系统优化设计

管道系统的设计优劣决定了管网阻力大小，为克服阻力所选的风机等设备，其全压与设备功率成正比，也直接决定了输送能耗。管网阻力主要为沿程阻力和局部阻力，房间布局、管道附件设置、管线布置等方面的优化均可有效减少管网阻力。

1)设备及管理用房的空调应尽量根据需求特点模块化布置，优化空调系统划分方案，使管路短、简、直，从根本上减少管路的复杂程度，降低管道阻力;

2)风管系统中必要的防火阀、电动风阀、手动调节阀等是局部阻力的主要贡献者。以防火阀为例，各地对规范的理解及做法不同，设置标准也不一致，在满足工艺要求和规范要求的前提下，宜尽量少设。

3)管路系统中尽量减少风箱、土建风室的使用，风机出入口应有一定的直管段长度，对于气流偏转角较大的应设置导流措施等减少局部阻力，以减少设备运行能耗。

4)对于公共区回排风兼排烟系统也可进行优化。若按排烟需要，需设置多个风口并均匀布置，管路较长，而在正常通风情况下，回排风口对于气流组织的影响较小，因此，可以在当前的排风兼排烟风口的做法上进行改进，近端增设集中排风口，平时常开，排烟时关闭。集中排风或回风，可有效减少沿程阻力和局部阻力，从而减少风机运行功率。

2.4 设备配置优化

地铁为百年工程，考虑到系统扩容困难，通风空调系统设计及负荷一般按远期夏季晚高峰运营条件计算，设备配置也按满足远期需求设计，近期负荷较小时，依靠空调设备台数控制或采取变频措施以适应低负荷状态［8］。在实际使用中，由于受自控系统的完善性及运营管理水平的制约，运行模式不合理、设备运行无秩序所造成的“大马拉小车”、设备效率低下等能源浪费情况较为普遍。根据无锡地铁1、2号线的运行情况，最热月冷水机组开启一台即可满足供冷需求，处于最低负荷运行的时间占比很大，风机、水泵频率即使在最低允许设定值的情况下，依然存在富余。在有条件扩容及受使用寿命限制的设备，按照近期需要配置，如冷水机组，其使用寿命约20年，近期配置容量减少，可节省初期投资，且负载率提高也有利于运行效率的提高，减少运行能耗［9］。

另外，在各系统专业设备的空调负荷计算、设备选型等环节中，各专业设计人员出于安全考虑，每个环节中都保守地考虑了一定的安全系数，最后厂家进行产品匹配时，也往往“只许大不许小”，导致设备容量被层层扩大，超出实际需求，造成资源的浪费。

2.5 控制模式

当前无锡地铁1、2号线大系统正常运营时，主要有表2所示几种运行模式。

表2 无锡地铁车站大系统主要运行模式

风机能耗的高低取决于功率和运行时间，因此在开始时间、开启送风机或排风机的选择上也有优化条件。以模式Ⅱ、Ⅱ'为例，主要区别为是否开启回排风机，前者为平衡通风，理论上通风能力较强，后者为只送不排，靠出入口等正压排风。因排风口对气流组织的影响较小，地铁出入口面积较大，利用室内正压从出入口排风所受阻力也相对较小，根据现场测试情况，完全可满足通风需要:因此，宜尽量不开排风机或减少回排风机的开启时间。以模式Ⅲ'为例，送风机一般为组合式空调器，同等风量下，组合式空调器的功率高出回排风机1/3，采用“只排不送”比“只送不排”模式可有效降低单位运行能耗。另外，由于屏蔽门漏风量以及出入口布置特点导致的穿堂风效应，使带入车站的新风量远远大于公共区最小新风量的需求，应允许关闭机械送排风设备，利用自然通风满足某些时段的需要［10］。

以某典型车站为例，集中通风模式风机总功率对比如图2所示。

图2 某车站各模式下风机总功率对比

因此，对于通风模式可增加表3所示模式，并宜优先考虑。

表3 无锡地铁通风工况优化方案

2.6 空调与通风工况的转换

从经济性方面考虑，启动冷机的条件是:启动冷机后的总耗电量小于不启用冷机时的通风耗电量。冷机启动后，系统能耗为风机能耗、冷机能耗、水泵能耗、冷却塔能耗之和，不启动冷机时，系统的能耗全部为风机能耗。根据常识判断，冷机启停临界点附近，应该在过渡季，此时室外温度低于室内设定温度，随着送风温度的降低，风机功率下降很快，而冷机功率则逐渐上升［11］。因此总能耗曲线存在一个极小值，其变化关系如图3所示。

图3 典型车站风机与冷机能耗关系

当外温高于临界外温时，启动冷机是经济的，否则纯通风方式运行是经济的。从图3曲线可以看出，临界温度范围在21～26℃。实际运行时，可在此范围内适当设定［12］。

3 工程施工

通风空调系统实际运行的好坏与后期安装和调试是否到位关系紧密。目前管道管路安装、保温施工、风量调试、设备联动控制等方面，普遍存在着众多问题。

3.1 管路施工

风管、水管等管路宜平直顺畅，尤其是主干管，尽量减少弯头等局部阻力大的管件，必须使用时应设置导流措施或弧形弯等。但在施工过程中，风管随意变高变低、未设弯头导流片、用直管斜接代替弧形乙字弯、静压箱渐扩接管改为平直接、风管进出口被其他管线阻挡等现象屡见不鲜，导致管道阻力大大增加、风机偏离额定工况点、风量得不到保证、运行能耗增加等。

另外，从施工单位最后测试的风量来看，大部分都低于设计风量，有的甚至少了一半风量，除了风机设备运行工况点偏离的因素外，最重要的就是风管连接不严密导致漏风量严重，冷量白白浪费。

3.2 保温施工

在地铁通风系统中，一般采用铁皮风管外包保温材料的做法，受限于地铁安装空间狭小及材料防火等级要求高的因素，保温材料脱落、断层、破损、受潮等情况也比较常见，尤其是当保温层不连续时，可能导致风管结露，使保温层含水量提高，久而久之导致保温失效，造成冷量巨大浪费。有条件时，可以考虑用复合风管替代铁皮风管外包保温的传统做法。

3.3 运行调试

末端风口的风量不均衡时可能导致整个系统的失效，尤其是小系统，个别房间没风或风量达不到要求时，将无法满足消除房间余热的要求，存在运营安全隐患。如无锡某车站在过渡季节应执行通风模式，以利节能，但通风系统运行后，部分房间风口无风，导致机房温度持续上升，在未调试到位前，不得不开启多联机系统制冷。另外，空调系统中存在大量联动模式及联动设备，设备联动正常与否也关系着系统安全或能耗情况，如某车站与冷水机组联动开关的电动蝶阀在执行开启一台的模式时，另外一台机组的电动蝶阀未关闭，导致出现旁通现象，使供水温度升高。

在赶工期的压力下，施工及调试过程可能会被压缩或忽略，但所带来的弊端将伴随整个地铁通风空调系统的生命周期，且难以整改，必须引起足够的重视，规范化施工，必要时采用新工艺、新材料确保质量。

4 运营管理

运行模式的选择、设备运行状态的控制、设备的维护保养等也是影响系统能耗的主要方面。

完善的自动节能控制系统对空调系统运行秩序的作用非常重要，因空调风和水联动控制是非稳态、多变量、相互耦合制约的过程，一般的BAS(环境与设备监控系统)难以做到设备的实时状态调节控制，机械的时间表控制不利于合理选择运行模式，从而无法确保设备在最有效的状态下运行。根据调研，完善的节能控制系统有助于节能25%左右。因此，有必要引入节能控制系统，用先进有效的控制策略替代传统的时间表控制策略［13］。

另外，运营管理人员应关注运行记录，总结运营经验，对设计建议值敢于提出更为适宜的修改，如:在通风与空调的转换温度设定、运行模式选择等方面，必须根据实际运行经验不断优化调整，才能做到更为合理化、人性化。

此外，还应重视冷冻水、冷却水的水质，抓好水处理工作，经常检查、督促水处理公司，保证蒸发器、冷凝器内不结垢、无污物，以免影响热交换效果，增加冷机耗电量。设备定期清理维护，可保证设备处于最佳状态，延续寿命的同时带来运行能耗的降低。

5 结语

综上所述，地铁通风空调系统的节能应站在使用者角度进行节能，从设计阶段开始就综合考虑运营管理方的组织架构及管理方式，一套空调系统的节能与否，设计建设是关键，维护使用同样重要，只有将两者一并统筹考虑，才能真正发挥空调系统的最大价值。

［1］邹娜.空调一次泵水系统变流量节能分析［D］.南京:南京理工大学，2005.

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(编辑:王艳菊)

Com prehensive Exploration on Energy Saving Optim ization of Ventilation and Air-conditioning System in WuxiMetro

Wang Bin1LiXiaokun2
(1.Wuxi Metro Group Co.，Ltd.，Wuxi，Jiangsu 214023; 2.China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430000)

As an important part of the subway operating system with large power consumption,ventilation and air-conditioning system accounts for about1/3 of the total energy consumption of rail transport.Therefore,energy saving and energy efficiency of the air-conditioning system is of great significance.Considering engineering design,implementation and operationmanagement,aswell as the test results on engineering characteristics and air-conditioning energy consumption of WuxiMetro lines1 and 2,the air-conditioning scheme configuration,control strategy,system implementation of energy conservation are comprehensively explored.The analysis of the advantages of small system of VRF air-conditioning form,the relationship between equipment heat volume and its selection and configuration,mode conversion and control selection are focused on.It is concluded that only the specific operational requirements and the operation andmanagementmode are both considered,can we build an energysaving air-conditioning system of high efficiency.

metro;ventilation and air-conditioning system;energy saving optimization;equipment operationmode

U231.5

A

1672-6073(2016)02-0104-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.024

2016-02-22

2016-03-14

王斌，男，本科，规划前期部项目工程师，建筑环境与设备工程专业，39886105@qq.com