轨道交通通风空调系统节能影响因素分析

文_唐超 周菁 李新钢 于松伟 李国庆 北京城建设计发展集团

城市轨道交通用能中牵引供电系统和通风空调系统是城市轨道交通中最主要的用电项，全年用电中通风空调系统占比为37%，空调季通风空调系统用电量占比达到54%。本文主要针对地铁通风空调能耗影响因素进行分析并提出优化方案。

1 通风空调能耗影响因素

地铁暖通空调系统主要分为4个子系统，即隧道通风系统、公共区系统（大系统）、设备附属用房区系统（小系统）和空调水系统。

1.1 列车制动散热量

列车在停车和人为减速时需要制动力，而制动产生的能量首先被反馈到电网，多余能量要么被固定安装的电阻转为热能消耗，要么被储能装置吸收，当储能装置吸收不了时，仍被转化成热量。这些热量最终需要暖通空调系统通过风机排出。

1.2 人员及列车空调散热量

车站内的人员作为车站负荷的很大一部分，除了本身的散热，还需考虑相应的新风负荷。当人员进入列车车厢，每节客室顶部安装的空调( 制冷) 机组承担相应的负荷，同时机载空调的冷凝器再将热量传到隧道。

1.3 建筑规模、出入口及室外空气渗透耗热量

建筑规模和形式对空调系统能耗会产生影响。面积过大，建筑形式过于复杂对空调系统而言，既增加了基本热负荷又增加了传输能耗。出入口过多，截面积过大也会增加通风空调系统的能耗。

1.4 设备散热量

高低压配电系统、信号系统、通信系统、AFC系统、电扶梯系统、广告、导向标识等系统的机组平时的散热量，在设备管理用房产生，由通风空调系统排出到外界。

1.5 空调系统自身耗能

地铁暖通空调系统包含的4个子系统的设备本身也会产生巨大的能耗。空调部分主要包括冷热源、输配和末端、水系统。通风部分包括风机、输配和末端。同时通风空调的运行模式对能耗的影响也很大，运行模式主要受季节和客流量等因素的影响。

2 通风空调系统能耗优化方案

2.1 设计阶段

2.1.1 列车制动散热优化方案

列车制动产生的热量需要通风空调系统排出到外界，如何降低制动带来的能耗，使通风空调系统减少排热能耗的同时也可以降低牵引供电系统的耗能。

(1)节能坡设计配合

暖通空调专业在设计时需要积极和线路专业配合，寻找节能坡。如果列车在发动时是下坡，而在制动时是上坡，自然能减少牵引系统耗能，减少了转化为热能的部分，通风空调系统排热的能耗也会随之减少。

(2)站间距离设计配合

暖通空调专业在设计时还需要与线路专业积极配合，合理安排站间距，减少启动和制动次数，从而减少制动发热。

(3)列车再生制动与行车方案

再生制动的基本原理是将地铁列车的机械能转化为电能传输到供电触网，提供给相邻列车使用。当相邻列车也在制动的时候，这部分能量往往得不到最充分利用，如果储能设备饱和，最终转变为热量。在供电专业考虑再生制动的情况下，暖通专业还需要与行车专业积极配合。

(4)风机变频

暖通空调的专业应结合行车方案的效率模式和节能模式，根据列车制动排放到隧道的热量不同，排热风机变频使用，达到节能降耗的目的。

2.1.2 人员及列车空调能耗优化方案

车载空调系统与车站空调系统的启动、工作与监控都是由其自身的自动控制系统来实现。行车专业根据人员的变化制定运行的高峰时段和平峰时段相应的效率模式和节能模式，隧道排热风机的风量和区间新风风机的风量也应该随着行车模式的变化而变化。

2.1.3 建筑规模、出入口及室外空气渗透能耗优化方案

在设计之初，暖通专业需要与建筑专业配合，应合理确定地铁车站的建筑规模，在保证使用的同时，尽量缩小规模同时避免复杂的建筑形式。出入口数量在保证使用的前提下不宜过多，截面积不宜过大，可以考虑适当增加出入口的通风阻力，减少能量流失。

2.1.4 设备能耗优化方案

设备管理用房及设备发热量由通风空调小系统承担冷负荷，应优化设备及模块选型，选用低功耗部件，降低发热量。选用具有优质导电性能的铜质电缆和导线，降低传输损耗和发热量。

2.1.5 通风空调设备能耗优化方案

(1)多功能设备集成系统

对传统系统中区间隧道通风系统和车站通风空调系统部分进行有机整合, 在设备用房和风道等空间共用新型通风空调系统。这种系统充分利用了地铁活塞风，同时采用风机变频调速技术,在空调季节, 根据轨道交通系统内部空间热负荷在不同运营时间的变化, 实现系统的变风量运行；在通风季节打开表冷器, 降低系统阻力, 从而减少大量的能耗, 运行费用明显低于传统系统。

(2)设置可调通风型站台门的地铁通风空调

可调通风型站台门通风空调系统可以实现屏蔽门通风空调系统与安全门闭式通风空调系统的转换，构建一种全新的节能型通风空调系统，在不同季节充分发挥各自的节能优势。空调季节，可调通风型站台门处于关闭状态；非空调季，可调通风型站台门处于开启状态，实现通风空调系统的全年节能运行。

(3)根据室外温度控制通风空调设备

排热风机根据室外温度，调节控制模式，当室外空气焓值高于车站隧道区间时，停止运行。大系统空调根据比较室外空气焓值和回风焓值、室外空气温度和送风温度，分析新风空调运行状况、全新风空调运行状况、全新风非空调运行状况分别运行实现节能。

(4)水环热泵

地下车站的设备用房在冬季需要排除余热，管理用房在冬季需要提供一定的热量来保证人员的舒适性。采用热泵热回收技术，将设备用房低品位热能传递给管理用房供热，实现了低品味能的利用。

(5)风水联控

通过对通风空调水系统和风系统的优化控制，达到节能，如图1所示。

图1 风水联控示意图

(6)直接蒸发式空调机组

直接蒸发式空调机组包括冷机和表冷器两个部分。冷机部分设置在土建风道附近的制冷机房内，表冷器设置在土建风道中。结合地铁风道的特点，将蒸发冷换热器与表冷器设计成可启闭的方式，实现全年节能运营。

(7)水系统

空调水系统的冷水泵、冷却水泵采用变频技术。根据冷负荷的变化，在不影响冷冻机组COP的前提下，降低冷水、冷却水的输送能耗，从而达到节能的目的。

2.2 运营阶段

在保证运营服务质量的前提下，积极开展节能工作。从管理上，建立管理网络，细化管控，形成节能管理评价体系。从技术上，建立通风空调能源管理与在线诊断系统，合理监控，及时调整，优化环控运行模式。开展新技术研究应用，淘汰高能耗的工艺、技术和设备。加强系统维修管理，及时清洗过滤网和换热器、及时维修调节阀，减少设备老旧带来的能耗增加。

3 结语

通过对地铁通风空调相关能耗影响因素分析，分别从设计和运营两方面提出了节能优化方案，为地铁节能工作的提供一定的理论技术。地铁设计和运营是多专业协同的过程，有效降低地铁环控系统能耗,需要从规划设计到施工再到运营各阶段各专业紧密协调配合，以实现全寿命周期绿色交通。