地铁车站通风空调系统节能方案设计

陈铁强，武翔宇

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510030）

1 地铁通风及空调系统的分类及构成

1.1 隧道内通风系统

隧道内的通风系统主要分为区间的隧道通风系统以及车站的隧道排风系统。

区间隧道通风系统主要由隧道风机、风道、组合风阀、消声器组成，主要为了确保运营期间和非运营期间内区间的通风；正常运营时通过活塞效应对隧道内的余热余湿进行排除；当列车阻塞在区间时，为保证设备的正常运行向区间内送风；当发生火灾时，启动对应的风机来确保可以及时地排除烟气。车站内的隧道排风系统主要由排热风机、风阀、消声器等设备组成，主要功能是对列车停靠时产生的热量进行排除；在发生火灾时辅助车站排烟。

1.2 车站的大系统

车站大系统主要由组合式空调机组、风机（送风机，排风机等）、阀门等设备组成，主要功能是在正常情况下保证公共区环境温度和湿度在适宜范围内；出现火灾时，通过与其余系统共同动作，及时对火灾产生的烟气进行排除，并且通过出入口进行补风，确保人员在逃生过程中不会被烟气阻隔。

1.3 车站的小系统

车站小系统主要由空调器、风机（送风机、排风机等）、阀门等设备组成，主要功能为确保各设备机房的气温在合适的范围内，保证设备的正常运行，人员房间的气温及风速满足人员需求并可以自主进行调节；当发生火灾时，及时地排除烟气，并防止产生的烟气通过各种方式进入公共区或其余区域内。

1.4 车站的空调水系统

空调水系统主要由冷水机组、水泵（冷冻水泵、冷却水泵）、冷却塔等设备组成。主要为地铁内的空调器提供冷冻水，给予其所需要的冷量，使空调器可以满足各种工况的运行要求。

2 通风空调系统的负荷分析

由于地铁是地下建筑，常年不与外界接触，而且一般埋深较大，外界对地铁车站温度的影响较小，所以，车站里面的人员数量，站厅公共区和站台公共区灯具照明、广告牌、指示牌、自动售票机、进出闸机、票房售票机、验票机、店铺、银行等设备的发热量是影响公共区大系统室内环境的主要因素，设备区内各设备的发热量及工作人员的数量是影响小系统热状况的主要因素。在平时的设计中，一般将公共区各设备的发热量确定为定值，设备区内各设备用房的发热量也是由各专业进行提供，也可认定为定值；而且对于站台层采用屏蔽门系统的地铁车站，隧道内产生的热量对车站的影响也大大减少，电动扶梯和垂直电梯发热量暂按全天恒定考虑，此时的车站内发热量的变化主要是乘客流量的不同引起人员发热量的变化造成。如果忽略站内围护结构的热惯性，站内的逐时发热量可近似看作是逐时空调冷负荷。

以典型站为例，给出夏季日负荷变化图，如图1所示。

由站内客流及发热量（冷负荷），可以计算出当送风温差固定时逐时送风量（见图2）。

3 地铁站空调负荷特点及节能策略

3.1 定风量运行时的系统能耗

以典型站为例，计算采用定风量运行时的环控系统能耗。当采用空调季小新风状态运行时，空调器、回排风机、小新风机处于全部开启的状态；当采用空调季全新风状态运行时，空调器、回排风机处于全部开启的状态；当处于冬季时，室外空气温度较低，此时风机与空调器采用间歇运行或风量减半的运行方式，并从地铁站内的各个出入口自然进风。

通过计算，为了保证室内的温度、湿度达到标准，并在考虑风机存在温升状态后，计算出的送风温度为22.8℃。由图2送风量图可以看出，设计日空调送风量最大约320 000 m3/h。

根据上述的空调通风方案与控制方式，可以计算出地铁车站公共区的全年能耗（见图3）。

3.2 变风量调节的可行性

地铁站中，早高峰和晚高峰时的风量相较于其他时候更突出，究其原因在于人员的突然增加使风量突然增大，故而出现了两个最大值，而除了这两个时间段外，进出地铁站的人员远少于高峰数量，故风量较低。在采用风机定风量的方案时，为了满足全天室内环境的舒适性，则必须要满足早高峰、晚高峰这两个时间段的峰值风量，导致在非高峰期出现了多余的风量。按照日平均风量计算能耗，计算出能耗为按峰值计算能耗的70%左右。因此，风机定风量运行会导致能耗被严重的浪费，采取一定的措施改变运行方式是非常重要的。

4 风机变风量调节策略

变风量运行可以用下列两种方式实现：

1）更改运行的风机数量。根据实际的人员数量情况及设备发热情况计算各时间段所需要的风量，并根据实际计算的风量调整每个时间段正在运行的风机数量。比如，当空调负荷减小到设计负荷的1/2时，只开启1/2的风机。由于管路系统特性变化较小，此时风量稍大于原本的1/2，能耗也稍大于原能耗的1/2。但这种调节方式属于有级调节，一旦空调负荷超过设计负荷的1/2时，全部风机均需要开启。

2）采用既变频又变风量的运行模式。在最初的设计中，设计人员一般按照远期地铁的早高峰或者晚高峰数据对大系统的风机进行选型设计，导致了整体的风机选型数据偏大，而在实际的应用中，客流量远比设计值要小，导致各风机无法在最佳工作点进行工作。因此，需要采用变频器等方式对风机进行调节，保证其风量及冷量与实际工况不会出现大的偏差，同时也产生了节能的效果。

风机的风量、水泵的流量、风机及水泵的消耗功率与风机及水泵的转速有下述关系：

式中，V1和P1分别为风机（或水泵）在N1转速下的风量（或流量）和功率，m3/s；V2和P2分别为风机（或水泵）在N2转速下的风量和功率，kW。

由式（1）、式（2）可得：风量（或流量）与风机（或水泵）的转速成正比，功率与风机（或水泵）的转速的三次方成正比。可以得出在60%~90%风机（或水泵）转速范围内对风机（或水泵）进行变频调速，风机（或水泵）的动态节能效果为27%~78%，节能效果非常明显。而且如果进行变频的调速控制，对电网的冲击可以继续减轻，对设备和阀门的消耗也比之前小，寿命得到了延长，从而设备的维护费用也得到了节省。

因此，风机的相关能耗在地铁车站通风空调系统的能耗中占比较大，对于地铁车站的节能，风机本身的节能运行就非常重要。

根据上述分析及计算可以得出，为保证地铁车站的节能运行，通风空调的运行方式需采用变频变风量系统；针对室外气温较高的天气时，采用大温差小风量的方式；同时排风道内的阻力相对较小，在采用通风进行室内环境调节时，建议利用排风机及风道通风。地铁的出入口相对截面积较大，可以充分利用出入口进行通风换气，降低风机能耗，更好地利用室外温度较低的空气降温。

在室外空气焓值小于空调送风焓值时，温度是最主要的控制量。在这个阶段，地铁车站内的空气温度高于室外的空气温度，故在通常情况下，当室内温度满足室内的温度要求时，地铁站内的相对湿度也满足室内的湿度要求，但存在湿度过大的情况，在这种情况下，可以放宽温度标准，从而确保室内湿度满足湿度的要求。若室外的空气含湿量小于地铁站内的空气含湿量，此时应该通过风机等设备加大通风量，反之则减少通风量。

5 冷水系统调节方案

5.1 冷水系统能耗分析

空调水系统的主要耗能设备是冷水机组、冷冻泵、冷却泵等，其中，冷水机组的容量一般为200~300 kW，供回水温差一般可以显示冷水机组的能耗水平；冷冻泵、冷却泵等动力设备运行的实际功率越大，能耗越大[1]。

5.2 针对冷水系统的节能控制

冷水机组的启动台数是由供/回水温度进行控制的，其自身可自动实现能级调节，空调的负荷一般由供/回水温度决定。因此，优化冷冻机组的供回水温度，使之既满足实际的运营需求，又可以节能。

当所需冷负荷较小时，空调二通阀已经开到最低程度，无法继续实施调节，则大部分的压力会消耗在调节阀上，如果此时调整冷水机组的出水温度，即升高出水温度，则对提高机组性能以及减低能耗有很大的益处；反之当冷负荷很大时，降低出水温度也可达到上述益处。

通过变水量的变频调速方法，冷却供/回水温度可控制冷却泵和冷却塔风机的启动台数或调节冷却泵和冷却塔风机的转速。故水泵和风机均可采用变频的方式进行节能。

冷冻泵根据供/回水温度或压差来控制启动台数或调节其转速，地铁通常采用一次泵系统。采用一次泵变流量压差变频调速是最具节能效果的方法，因此，冷冻泵可采用变频技术来节能。

通过压差进行控制可使冷水阀处于安全的压力状态下，同时由于冷水阀较少，可通过所有阀位的反馈，调整压差设定值，使冷水阀开度维持在70%~90%，保证冷冻水循环的阻力为最小，系统损耗最小。

6 结语

本文主要针对风机和冷水机组进行了节能方案的设计，其中，风机主要采取了变台数运行和变频变风量运行的模式，针对实际情况减少风量，进行节能；对于冷水机组，节能的方式主要通过改变冷冻机的供/回水温度，确保冷量不会出现过多的损失。