郑州地铁某标准站通风空调系统节能策略研究

朱艳艳 代运天 吴根平



郑州地铁某标准站通风空调系统节能策略研究

朱艳艳1代运天2吴根平1

（1.黄河勘测规划设计有限公司 郑州 450003；2.煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司 郑州 450007）

以郑州地铁2号线某标准站通风空调系统设计为例，通过对其通风空调系统的能耗分析，得出制冷系统和风系统能耗占地铁通风空调系统较大比例的结论。然后从制冷系统和风系统入手，采取水系统流量调节及风系统变频控制等策略，可以有效降低通风空调系统能耗，以期为地铁通风空调系统的节能设计提供参考。

地铁通风空调；节能策略；变频控制

0 引言

目前郑州人口已经超过1100万，按照建成区面积计算，人口密度仅次于广州，位居全国第二，地上交通压力越来越大。郑州地铁的起步阶段基本完成，地铁1号线已经通车，目前在建的线路为2号线、5号线、2号线延长线，规划到2030年地铁线路达到17条。地铁为城市交通带来便利的同时，能源消耗形势也很严峻，能源问题直接影响地铁运行的经济效益。有关研究表明，地铁通风空调系统能耗占整个地铁系统能耗比重较大，约占整个地铁用电负荷的45～60%，而地铁通风空调系统庞大，对能耗的影响因素也多[1]。通过对地铁通风空调系统能耗模拟分析，找出其“能耗大户”，然后对症下药，采取相关的节能策略，对减少地铁能耗意义重大。

1 地铁通风空调系统能耗分析

1.1 地铁地铁通风空调系统组成

郑州地铁2号线某标准站通风空调系统组成包括四个部分：隧道通风系统；车站公共区通风空调系统（大系统）；车站设备管理用房通风空调系统（小系统）；空调冷冻水系统和冷却水系统（水系统）。

（1）隧道通风系统

隧道通风系统包括区间隧道的活塞通风、机械通风（兼防排烟）与辅助设备及站内隧道排风（兼排烟）等。保证列车正常运营时有效排除隧道内的余热余湿，确保隧道内温度最热月日最高平均温度时不大于40℃；列车阻塞时，应能向阻塞区间提供一定的通风量；列车火灾时，应能及时排除烟气和控制烟气流向，保证乘客疏散及消防扑救需要。

（2）车站公共区通风空调系统（大系统）

主要是地铁车站出入口通道、站厅和站台公共区的通风空调以及防排烟系统。目的是确保正常运营时能为乘客提供过渡性舒适环境；车站公共区发生火灾时，大系统（可与其它系统协调动作，例如站内隧道通风系统）能迅速排除烟气，同时诱导乘客安全疏散。

（3）车站设备管理用房通风空调系统（小系统）

车站范围内，除隧道通风系统和大系统服务范围以外的所有环境皆为车站的设备管理用房区域。小系统应满足该区域环境内不同房间的通风空调要求，并同时兼有排烟功能。正常运营时，能为地铁工作人员提供舒适的工作环境及工艺设备良好的运行环境；车站设备管理用房区发生火灾时，系统能及时排除烟气或隔断火源、烟气。

（4）空调冷冻水系统和冷却水系统（水系统）

该系统为地铁环境空调提供冷源，其供冷对象为车站大系统及小系统。保证能在正常运营时间内满足空调系统运行、调节要求。

1.2 地铁通风空调系统能耗分析

郑州地铁2号线某标准站采用的是屏蔽门系统，采用屏蔽门可以有效的阻挡列车运行时隧道活塞风对站台层热环境的影响，是地铁采用最广泛的一种系统形式。通风空调系统能耗主要包括制冷机组能耗，通风设备能耗，空气处理机组能耗以及冷却设备能耗等[2]。郑州地铁2号线技术要求对该标准站的初期（2018年），近期（2025年）及远期（2040年）客流量预测如表1所示。

表1 郑州地铁2号线某标准站客流量统计表

通过统计的客流量对该标准站进行远期负荷计算，负荷主要包括：人员负荷，照明及广告牌、指示牌负荷，自动售、检票及闸机负荷，通信设备、银行、商铺及其它负荷，风道及屏蔽门传热，屏蔽门漏风冷负荷(出入口进入)以及新风负荷，各负荷占比情况如图1所示。

图1 郑州地铁2号线某标准站远期负荷组成及占比情况

由图1可知，地铁公共区的负荷主要是由人员负荷和新风负荷组成，分别占到总负荷的24%和21%，人员负荷和新风负荷是机组能耗和风机能耗的重要组成部分，且与车站的客流量紧密相关[3]。该标准站是以远期（2040年）客流量作为负荷计算标准，这样相对于初期（2018年）和近期（2025年）相比（如表1所示），势必造成了计算负荷的进一步放大。显然，以该负荷指导通风空调设备选型是合理的，但通风空调系统设备以该容量持续运行的话，势必会造成能量的巨大浪费。如何保证通风空调系统在客流量少的情况下保持高效率运行，避免“大马拉小车”，才是地铁通风空调系统节能的目的所在。

2 地铁通风空调系统节能策略

地铁通风空调系统能耗主要是制冷系统能耗和风机能耗，对地铁通风空调系统节能分析，主要从这两方面着手。

2.1 制冷系统节能策略

该标准站选用的是单台冷量460kW的冷水机组2台，配2台冷冻水泵和2台冷却水泵。该机组的容量是在最大负荷下选定的，并有一定安全系数。但是在实际运行中，空调系统大部分是处在低负荷运行状态。这种情况下，传统的定流量运行会造成系统能源的大量浪费，不宜采用。本方案采用的是压差旁通控制的变流量水系统，原理如图2所示。主要是在冷水机组和空调机组之间增加了压差旁通阀（Δ），控制用户侧和机房侧之间的压差恒定，通过调节冷冻循环水泵的转速来进行变频控制[4]。当用户侧冷负荷需求降低时，通过改变冷冻水泵转速，减少冷水流量供应，从而使得冷水泵的运行能耗降低。当降低到总需求的50%以下时，可以采取关闭一台机组及其对应的冷水泵。有研究表明，变流量水系统比定流量水系统节省空调能耗35.8%，节能效果明显[5]。

图2 压差旁通控制的变流量水系统原理图

同时，在冷却塔进水管上设置电动蝶阀，让冷却塔与冷水机组的运行联锁，不仅可以保证单台冷却塔较高的冷却效率，还可以降低冷却塔风机的运行速度，具有一定的节能效果。

2.2 风系统节能策略

由前文分析可知，地铁客流量是不定的，对通风系统的风量需求也是不定的，如何在客流量变化的同时，满足对风量的需求，又不造成能源的浪费，就需要不同时段供给不同的风量，可认为是变风量系统。地铁的变风量系统不同于一般民用建筑的变风量系统，民用建筑的变风量系统是由于末端需求不一致，而地铁空调系统的末端风量相同且变化一致，这时需要对总风量进行调节以达到节能的目的[6]。由通风机的特性可知，风机的轴功率与转速之间的关系为：

（2）

由式（1）和（2）不难看出，风机的轴功率与风量的三次方成正比，风量减小，风机的轴功率大大减小。若风量减小10%，则风机轴功率减小了27.1%，具有很大的节能潜力。郑州地铁2号线某标准站风系统的节能策略表现在以下几方面。

（1）车站隧道通风系统变频控制

车站隧道通风系统是为了排除隧道的余热，保证隧道内的温度不大于40℃。车站隧道通风系统与列车的运行时间密切相关，在高峰期，列车运行时间间隔短，排向隧道的余热多，这时隧道排风机需要高速运转排除隧道余热达到设计要求；而在低峰期，列车运行对数减少，这时风机低速运行即可排除余热。车站隧道通风系统变频控制对节能非常有利。

（2）回排风机变频控制

地铁空调系统采用的一般是一次回风系统，回排风机虽然有部分回风送到空调机组与新风混合，但大部分还是直接送到排风井白白排掉。如何回排风不能根据站厅温度、站台温度、室外温度、站内CO2浓度，利用智能控制算法控制回排风机运行频率和回风阀、新风阀、排风阀的开度，将会造成很大的浪费[7]。回排风机变频控制根据站内负荷的变化控制回排风的风量，不仅达到了站内公共环境的舒适度要求，还能有效的节省能量。

（3）采用“可调通风型站台门”通风空调系统

“可调通风型站台门系统”是在屏蔽门门体上根据需要设置一定的开口（如图3所示），开口在夏季空调季节关闭，满足漏风量要求。

图3 可调通风型站台门实景图

“可调通风型站台门系统该系统”综合了屏蔽门和安全门的特点，在过渡季节和冬季开启屏蔽门上的开口，充分利用活塞风来冷却地下车站公共区，降低运行能耗，节约运行费用。有关研究表明，在夏热冬冷地区采用“可调通风型站台门系统该系统”，每站全年可减少用电20万kWh，节约电费16.7万元[8]。

3 结论

本文通过对郑州地铁2号线某标准站通风空调系统设计中采用的节能策略进行分析，得出以下结论：

（1）通过对该标准站通风空调系统能耗分析，得出制冷系统和风系统占通风空调系统能耗较大比例，分析制冷系统和风系统采取的节能措施，可以取得较好的节能效果。

（2）制冷系统节能策略主要是采用压差旁通控制的变流量水系统，使冷冻水泵根据使用侧负荷情况及时调整流量，节省能耗。

（3）风系统节能策略包括车站隧道通风系统变频控制，回排风机变频控制，采用“可调通风型站台门”通风空调系统三个方面。

[1] 闻彪,吴庆,洪学新.地铁通风空调系统节能研究[J].建筑节能,2010,38(4):32-34.

[2] 胡祝银,余朝,张宇深.地铁通风空调系统的变频节能技术研究[J].铁道运营技术,2013,19(3):16-18.

[3] 杨巨澜.地铁通风空调系统变频技术方案探讨[J].制冷与空调,2008,22(4):37-41.

[4] 高波,李先庭,韩宗伟,等.地铁通风空调系统节能的新进展[J].暖通空调,2011,41(8):21-26.

[5] 丁大勇,许玲,朱培根.地铁运行初期通风空调系统能耗模拟与分析[J].建筑热能通风空调,2008,27(2):69-72.

[6] 王峰.地铁通风空调系统变频节能研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[7] 何志康,朱培根,涂江峰,等.地铁站通风空调系统能耗测试与分析[J].制冷与空调,2012,26(4):345-348.

[8] 李国庆.城市轨道交通通风空调新技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2014:174.

Energy-saving for Ventilation and Air Conditioning System in a Standard Station of Zhengzhou Subway

Zhu Yanyan1Dai Yuntian2Wu Genping1

( 1.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd, Zhengzhou, 450003;2.Zhengzhou Design and Research Institute of Coal Industry Co., Ltd, Zhengzhou, 450007 )

In this paper, design ventilation and air conditioning system in Zhengzhou Metro Line 2 a standard station, through the analysis of energy simulation of ventilation and air conditioning systems, refrigeration systems and wind systems obtained energy covers a large proportion of the air system. Then start from refrigeration systems and wind systems, take water system flow regulation and control strategies wind systems, can reduce energy consumption of ventilation and air conditioning systems, to provide a reference for the energy-saving design subway ventilation and air conditioning systems.

Subway Ventilation and Air Conditioning System; Energy Policy; Frequency Control

1671-6612（2017）04-371-03

TU831

B

朱艳艳（1986.11-），女，研究生，工程师，E-mail：dai0712@163.com

2015-08-20