地铁车站公共区通风空调系统节能探讨

朱德斌

中铁上海设计院集团有限公司

0 引言

近几年我国各地城市开始修建地铁，通风空调系统为城市轨道交通工程提供舒适、安全的环境，但其能耗水平却占整个地铁用电负荷的 40%[1]，本文从设计角度究其能耗高的原因，可总结为以下几点：

①业主在地铁建设中占据重要作用，一切都得照章办事，追求的是稳，这看似与节能无关，实则关系大矣，“照以前的做”、“进一步研究”是经常听到业主们说的话。

②能参与地铁设计的设计院较少，而且设计的工作量大，导致设计人员基本上没时间思考创新，只能一味的按国内常规的设计方案进行设计。

③地铁设计的周期长，需要召开各种专家评审会，然而专家意见不同，最终也会导致地铁的设计取常规做法。

④施工单位为保证通车时间，经常赶工，导致施工质量参差不齐。

因此，为打破地铁运营中通风空调系统能耗高的特点，需要某些城市率先打破常规，采用新技术，这对地铁经济节能运行具有重要意义，本文提出在公共区通风空调系统中具有节能意义的几种方案。

1 公共区通风空调系统常规设计方案

如图1，公共区通风空调系统采用一次回风全空 气系统，双端送风，A、B 端机房设于两端。系统的主要设备有小新风机，回排风机，排烟风机，组合式空调器以及相应的控制风阀。当空调季节室外新风焓值大于车站回风点焓值时，采用空调新风运行，全新风风阀关闭，排风机的排风风阀关闭，回风风阀打开，回风与小新风在组合式空调器的混合段混合，经处理后送入站厅站台。当室外新风焓值小于车站回风混合点焓值且其温度大于空调送风点温度时采用空调全新风运行，此时小新风机关闭，全新风风阀打开，回排风机的回风风阀关闭，排风风阀打开，回风经回排风机直接排到排风道，室外新风经组合式空调器处理后送至站厅站台。当室外新风温度小于空调送风点温度时，室外新风不经冷却处理，利用组合式空调器直接送入车站公共区。车站的小新风机、回排风机、组合式空调器、排烟风机分别设于A、B 端站厅层的环控机房内。

图1 公共区通风空调系统图

2 公共区通风空调系统节能方案探讨

2.1 采用双风机系统

由于地铁站埋于地下，空调负荷受太阳辐射的影响不大，可忽略不计，因此空调负荷主要包括人员，设备散热，区间及出入口热渗透，新风等所形成的负荷。其中新风负荷占比较大，如图 2，一般占到空调总负荷的 1/3 以上，且夏季新风的焓值高于室内焓值，因此，只要室内卫生条件允许，应使新风比尽量达到最小，从而降低空调能耗。

图2 计算新风负荷占空调负荷比例

GB/T 51357-2019 《城市轨道交通通风空气调节与供暖设计标准》（下文简称规范）第3.1.7 条规定当地下车站公共区采用空气调节系统时，每个乘客的新风量不应少于 12.6 m3/h,且系统的新风量不应少于总送风量的10%。需要强调的是，新风量指的是实际进入公共区的总新风量，即包括由空调送风系统机械送入的部分以及在活塞风压及室外风压作用下由出入口、风亭等外界侵入部分，然而在设计中往往以机械送入的新风量来满足规范要求，因此实际新风量往往比理论计算值要大很多。也有相关研究表明，出入口、风亭等外界侵入的新风量远大于客流所需的新风量[3]，规范 4.3.10 指出车站公共区的全空气调节系统应采用设置风机变频调节的变风量系统，宜设置空气调节回排风机，应满足全新风运行的条件，并非需要设置小新风机，综上所述，公共区空气调节系统可取消小新风机，采用双风机系统，已降低能耗。

2.2 采用变风道组合式空调器

由于在过渡季节新风不需要经过冷却处理，组合式空调机组中表冷器、过滤网等就成为通风管路上不必要的阻力件，为解决此问题，可采用变风道组合式空调器，如图3、4，当在空调工况时，内置风阀关闭，新风与回风混合后经过换热器进行热交换后送入室内。在过渡季节可利用全新风制冷时，内置风阀打开，从而减小组合式空调器的内部阻力，降低了风机的能耗，同时也能延长换热器的使用寿命。有研究表明，采用变风道组合式空调器在过渡季节运行时，空调器内部阻力可减少约100Pa 阻力，从而可减少空调器配电功率约 10%功耗[4]。经与厂家咨询，国内一线空调品牌厂家均可以生产变风道组合式空调器，且尺寸与传统空调器的相差不会很大，并不会因此增大环控机房的面积，因此，变风道组合式空调器在地铁公共区空调系统的实施性很大。

图3 空调工况下气流走向

图4 全新风工况下气流走向

2.3 采用空气-水系统

目前该市地铁公共区通风空调系统均采用全空气系统，其优点在于过渡季节可以全空气运行，具有一定的节能效果。但全空气系统也存在一些不可避免的缺点：①空气质量比热容远小于水的，输送相同能量时输配能耗要大。②空气在环控机房内集中处理，输送管路长，阀件多，导致阻力大，风机能耗大。③全空气系统设备数量少，单台设备容量大，不便根据实际负荷情况灵活组合，只能靠变频运行来调节风量，节能性不高，且当一台组合式空调器失效，对车站制冷能力影响较大。④风管施工量大，施工质量会影响漏风率，造成能源的浪费。⑤风道与机房占用空间大，会给地铁车站管线综合造成较大压力，经常会避让其它管线导致无形中增加多个来回弯头，也会导致风机的压头增大。⑥由于冷水机组一般放置于车站的一端，冷量输送到另一端的组合式空调机组后再由机组送到公共区，无形中增加了冷量输送的路径，造成能源不必要的损耗。

图5 空气-水系统在地铁公共区的应用

若采用空气-水系统，如图 5 所示，车站的风道、机房面积可减小，一方面可以降低地铁投资成本，另一方面公共区空调系统由空气与水共同承担室内冷负荷，且冷量直接由一端的冷水机组直接输送到公共区末端，不像全空气系统存在冷量输送路劲的折返，可降低输送能耗。需要解决的问题是空气-水系统在过渡季节不能很好的利用室外新风。但从图 1 所示，地铁工程中的排烟系统是必不可少的，地铁工程线路，车站及相邻区间按同一时间发生一次火灾考虑，且站厅、站台公共区面积一般均不大于 2000 m2，计算出来A、B 端每台排烟风机的排烟量与回排风机相当，因此过渡季节时完全可以考虑开启公共区的排烟风机进行通风换气。

3 结论

常规公共区空调系统节能性不佳，提出取消小新风机，采用变风道空调系统设计方案，且方案不会对地铁投资及施工方面造成影响，具有一定的节能意义，工程可实施性强。

采用空气-水系统，可减少地铁土建投资，能源利用率高，可预见节能性能明显，为地铁公共区通风空调系统设计及节能改造项目提供一定的参考及借鉴。