陸 俊

車站通風空調系統(tǒng)運行與優(yōu)化

陸 俊

(無錫地鐵集團有限公司江蘇無錫214023)

在地鐵運營中，車站通風空調系統(tǒng)能耗能占車站用電量的45%～60%，全國各地鐵公司都很重視通風空調系統(tǒng)的節(jié)能運行，但是，設計院在設計通風空調系統(tǒng)時是按照遠景進行設計，對系統(tǒng)運行存在較大冗余量。通過對現有無錫地鐵通風空調系統(tǒng)分析，結合實際運營情況，對既定條件下通風空調系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，以節(jié)約地鐵運營成本，達到降本增效目的。關鍵詞地鐵;車站;通風空調系統(tǒng);運行優(yōu)化

在地鐵運營中，車站通風空調系統(tǒng)能耗占車站用電量的45%～60%，因此，全國各城市地鐵都很重視通風空調系統(tǒng)的節(jié)能運行，但是，對二、三線城市來講，設計院當時是按照遠景進行設計的，對系統(tǒng)運行存在較大冗余量，而以目前已開通城市來看，客流量遠遠未達到設計預期，如果按照設計要求按部就班運行，往往會造成極大的能耗浪費;其次，從設計到建設，最后到運營階段，這其中又會存在較多偏差，可能最終結果又會差強人意，與設計預期存在較大出入。最重要的是，對于一個新的運營公司來講，往往缺乏相應技術和數據積累，對整個系統(tǒng)運行存在的問題認識不夠充分，在運行管理上也會存在一定的盲目性。目前，無錫地鐵1、2號線已運營多日，客流也相對穩(wěn)定，在前期存在的諸多問題，正在逐步完善和優(yōu)化中，下面就結合無錫地鐵實際情況，探討如何在既定條件下，對車站通風空調系統(tǒng)運行進行優(yōu)化，以達到節(jié)約運營成本的目的。

1 運營初期問題

在通風空調系統(tǒng)設計中，設備的選擇一般都是按照最不利因素(即系統(tǒng)最大負荷時)選取，但實際上往往達不到設計的最大負荷，從而造成通風空調系統(tǒng)運行狀態(tài)與實際需要的狀態(tài)不一致，導致系統(tǒng)運行能耗偏大，超過實際運行需要［1］。如圖1所示的運營狀態(tài)點A，由于在試運營期間，客流量不穩(wěn)定，且系統(tǒng)運行問題較多。在相關運行經驗與數據缺乏的情況下，只能按照設計說明對車站通風空調系統(tǒng)進行運行和管理，這就造成了極大的成本浪費。因此，在目前運營階段，應根據實際的系統(tǒng)狀態(tài)、客流情況、管理架構，對整個通風空調系統(tǒng)從運行策略到運行維護管理上進行優(yōu)化，以達到圖1中狀態(tài)點B，甚至可以進一步在服務質量與運營成本效益之間尋求最佳狀態(tài)點，如圖1中狀態(tài)點C，以最大化節(jié)約運營成本，實現公司的節(jié)能增效的生產目標。

圖1 運營要素關系

目前，作為一家新成立的地鐵運營公司，無錫地鐵在運營初期，往往缺乏通風空調系統(tǒng)設計與運行管理經驗，還面臨巨大運營成本負擔。所以在服務質量與運營成本效益之間，尋求符合現狀的最佳狀態(tài)點是運營初期首要解決的難題。

2 負荷特點與能耗分析

無錫地鐵采用了屏蔽門系統(tǒng)，車站空調負荷主要包括人員負荷、照明負荷、設備負荷、屏蔽門傳熱、滲透負荷、出入口滲透負荷、新風負荷以及廣告、導向牌、指示牌產生的負荷。設備負荷是指電扶梯、AFC(自動售檢票系統(tǒng))等產生的負荷?？照{系統(tǒng)濕負荷主要由人員負荷、圍護結構濕負荷組成［2］。現以無錫2號線某標準站為例，分析車站設計負荷與實際負荷的差異。

通過對現場設備用電、客流以及風量測試分析(見圖2)，表明設計負荷遠遠大于實際負荷。

圖2 無錫地鐵某站設計負荷與實際負荷對比

單獨就個別分項來看，在設計負荷計算中，因為取值是參考遠期客流，但目前客流量遠遠低于設計預期，所以實測負荷不大，在車站實測的負荷比重也不大，可見現階段客流量對車站通風空調系統(tǒng)運行影響不是很大。而照明和設備這部分實測的負荷比設計負荷也小了很多。屏蔽門傳熱由于無法直接測試，圖2中設計和實測都是按照常規(guī)設計計算方法取值。空調新風負荷由于大系統(tǒng)送回風量不匹配，導致實際引入的新風量較少，實際新風負荷小于設計值。風機溫升由于實際風機采用變頻運行，輸入功率遠小于額定工況，所以實測值小于設計值。出口進風與屏蔽門漏風存在相互影響的關系，在測試站空調設計說明中并未提及如何考慮屏蔽門漏風對于車站負荷的影響，因此在設計負荷分析中，僅考慮了出入滲風的負荷，而現場實測則發(fā)現屏蔽門漏風對車站還是有一定影響的。由于屏蔽門施工缺陷，導致屏蔽門漏風，對出口進風影響也較大，所以出口進風負荷遠遠大于設計取值，同時增加了因屏蔽門漏風導致的負荷損失，所占比重較大，因而室外空氣將通過空氣交換對車站負荷產生了明顯的影響，造成車站負荷的季節(jié)性變化。在夏季，室外氣溫高，尤其是啟用空調后，由于室外空氣的含濕量一般較大，使車站空調負荷因此大為增加。在冬季，室外氣溫低，此時室外空氣將對車站起到降溫作用。其次，在設計負荷中還保留很大部分未知冗余量，這對前期車站通風空調系統(tǒng)運行存在一定的能耗浪費。

另外，根據測試站設備用電情況來看(見圖3)，車站通風空調系統(tǒng)用電約占28%，照明用電所占比例為18%。而在夏季時候，整個通風空調系統(tǒng)用電約占60%，照明用電所占比例為7%。從以上數據可以看出，通風空調系統(tǒng)對車站整個用電量影響較大，尤其是夏季，開啟空調水系統(tǒng)后，能耗增加較為明顯。

圖3 無錫地鐵某站過渡季節(jié)與夏季典型用電比

3 運行優(yōu)化

表1是設計院給出的無錫地鐵環(huán)控大系統(tǒng)模式，但目前從實際運營情況來看，無論是模式轉換條件還是模式控制，都需要結合運營初期的數據和積累經驗，對其從3個方面進行優(yōu)化，首先是模式控制優(yōu)化，其次是模式轉換條件優(yōu)化，最后就是根據現有運行管理條件，對模式時間表進行優(yōu)化。

表1 無錫地鐵環(huán)控大系統(tǒng)正常運營模式

3.1 模式控制優(yōu)化

在南京、上海等成熟地鐵的暖通空調設計中，有通風季節(jié)只排不送模式，而在無錫地鐵設計中(見表1)，只有只送不排模式，但從現階段運營情況來看，增加只排不送模式能使通風空調系統(tǒng)運行管理更靈活、方便，有利于節(jié)約運營成本。

大系統(tǒng)只排不送模式說明:只開啟回排風機，空調新風機、組合式空調機組均關閉，利用回排風機排除公共區(qū)空氣并形成風壓差，由車站各出入口補入新風，見圖4。

圖4 典型車站大系統(tǒng)示意

由于利用車站乘客出入口作為風道，則乘客出入口通道的阻力對風量有決定性的影響。按照測試站空調總風量130 000m3/h計算，車站出入口2個，每個截面積12 m2，則出入口風速為1.5 m/s。出入口通道的局部阻力系數約為5.8(彎頭2×1.15，門洞1×2，突擴突縮1×1.5)，計算得到出入口通道阻力最大為7.8 Pa，與空調機組送風機及回排風機的壓頭相比，不到2%。因此，出入口阻力對于通風量的影響是相當小的，單排通風和單送通風方式完全能夠滿足系統(tǒng)通風量的要求。此外，從計算中也可以看到，單排單送模式引起的出入口最大風速變化不到1.5m/s，對于乘客來說是可以接受的。

通過實際能耗的測算得出，單排通風的能耗最小，僅為通風工況Ⅲ的38%。另外，與單送通風比較，單排通風還避免了風機溫升的影響，但由于出入口無組織進風，未經過空氣凈化處理，可能會導致地鐵站內存在空氣含塵濃度等指標偏高問題，因此，應在室外空氣質量較好的情況下，與其他模式靈活使用，在不影響客運服務質量的前提下，減輕運營成本壓力，是適合無錫地鐵實際情況的。

3.2 模式轉換條件優(yōu)化

根據設計院給出的通風季與空調季的轉換條件為臨界溫度16℃，這無疑不符合無錫地鐵現狀，為此針對轉換條件，必須重新進行優(yōu)化，以達到運營成本目的，根據推導公式［3］，有

式中，ts，to為送風溫度，室內設定溫度℃;Qst為車站顯熱負荷，kW;ρ為空氣密度，kg/m3;G為送風量，m3/s; Cp為空氣定壓比熱，kJ/kg℃。

在開啟冷機和通風情況下，采用較低的送風溫度，被認為有利于節(jié)能，但實際送風溫度不可能無限制，一般送風溫差最多在10℃左右，送風量G是由車站負荷Qst和室內外溫差決定的，因此對于給定的系統(tǒng)，冷機的啟停條件是由外溫和車站負荷決定的。

根據計算可以得出按不同車站負荷計算的冷機啟停外溫條件，如圖5所示。

圖5 冷機啟停臨界室外溫度與車站負荷關系

從圖5可知，外溫高于臨界溫度時，啟動冷機是經濟的，否則純通風方式運行是經濟的。從曲線可以看出，臨界溫度范圍在21℃～26℃，并與車站負荷的變化趨勢相反。車站發(fā)熱量越大，臨界溫度越低，說明車站負荷大時，更應開啟冷機。由于車站負荷在一天內有兩個峰值，臨界溫度也出現兩個低谷。在實際運行時，為了避免冷機的頻繁啟停，可以用臨界溫度的均值來進行判斷，當然這樣系統(tǒng)能耗會有少量增加。

由于無錫地鐵車站無法實現對車站實時負荷變化的監(jiān)控，且整個系統(tǒng)運行全依靠人為手動調整，難度較大，所以為方便運行調整，在不考慮相對濕度情況下，根據初期負荷和遠期負荷的比值來確定這個臨界溫度。以實際負荷與設計負荷對比來看，實際負荷占設計負荷一半不到，取負荷占比0.5，室內設定溫度為28℃，根據上述推導公式，計算得出臨界溫度值為22℃。

在原設計模式轉換條件下，對其適當調整，得出無錫地鐵運營初期的模式轉換條件［4-10］。

1)空調工況時以室內外焓值為判據。當室外空氣焓值大于回風焓(室內設定焓值)即iw＞io時，風機按最小新風空調工況模式運行，送回風機全開運行;

當iw＜io時，風機按全新風空調模式運行，空調風機運行，?；嘏棚L機，由乘客出入口排風。

2)非空調工況時以室內外溫度為判據。當外溫tw高于10℃時，作為過渡季處理，采用單排的通風模式，也可以采用單送的通風模式來改善進站乘客的舒適度;當外溫tw低于10℃時，認為處于冬季，從節(jié)能的角度出發(fā)，建議采用單排的通風模式;考慮到運營初期，站內乘客較少，且存在屏蔽門漏風導致的站內外換氣，部分時段可以采用自然通風的模式，也就是停運模式。

3)其他非空調工況建議采用通風工況Ⅲ模式。通風與空調工況的轉換條件，將設計的臨界溫度16℃調整到22℃，大大延長了通風工況的運行時間，減少了冷機的開啟。

3.3 時間表優(yōu)化

由于無錫地鐵通風空調系統(tǒng)沒有智能控制系統(tǒng)，且缺乏相應數據，只能人為手動調整，不可能做到實時監(jiān)控和實時調整，工作要求和強度大，所以只能利用現有模式以及BAS(環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng))時間表自動執(zhí)行模式功能，合理制定時間表，并不斷優(yōu)化和調整，以實現節(jié)能與服務雙效益局面。目前，根據以往測試車站實時負荷變化情況，將全線車站分為A、B、C 3個等級，A等級車站為客流大站，在運營期間，車站逐時負荷因客流較多的原因一直保持較高數值;而B級站，主要受高峰、低谷客流量的影響較為明顯;C級站則一直保持低位，受客流影響較小，所以針對這3個等級車站，分別制定3個等級的通風空調系統(tǒng)模式時間表。在圖6中，對通風季節(jié)，選取B級車站室外典型氣象歷史數據，根據優(yōu)化后模式轉換條件初步制定時間表，早上8:00之前室外溫度低于10℃，室外空氣質量較好，根據模式轉換條件采用單排通風模式，8:00之后溫度上升至10℃以上，此時采用單送通風模式，以改善站內環(huán)境，持續(xù)運行至晚上21:30，之后停止運行，利用車站屏蔽門漏風以及出入口穩(wěn)定送風來滿足站內需求，同時并結合現場反饋溫度數據加以調整和優(yōu)化，以減少人工調節(jié)工作量和設備頻繁動作。

圖6 測試站實時室外溫度變化

4 結語

通過對現有無錫地鐵通風空調系統(tǒng)分析，結合實際運營情況，對既定條件下通風空調系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，以節(jié)約地鐵運營成本，達到降本增效目的，并積累相關技術經驗，著眼于未來，為將來新線的規(guī)劃設計提供更多的技術支持。

［1］尚志宇.地鐵通風空調系統(tǒng)節(jié)能方法的控制研究［J］.科技博覽，2013(5):295.

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［4］羅竑.地鐵環(huán)控系統(tǒng)的特點及其解決方案［J］.電子工程師，2000(8):26-30.

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［6］袁鳳東.智能化地鐵通風空調系統(tǒng)節(jié)能技術研究［D］.天津:天津大學，2006.

［7］常莉，馮煉，李鵬.地鐵環(huán)控系統(tǒng)不同區(qū)域能耗分析［J］.制冷與空調，2012(5):45-48.

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(編輯:郝京紅)

Optimal Operation of Ventilation and Air-conditioning System in Subway Station

Lu jun
(Wuxi Metro Group Co.，Ltd.，Wuxi，Jiangsu 214023)

The energy consumption of ventilation and air-conditioning system accounts for45%to 60%of the total power consumption in ametro station in operation.Therefore,energy saving for ventilation and air-conditioning system is of great importance to all subway operation companies.However,the ventilation and air-conditioning system is far-reaching design which results in redundancy during its early operation.Through the analysis of the existing ventilation and air-conditioning system ofWuxi metro and in view of the actual operation status,optimization and improvement of ventilation and air-conditioning system under the existing condition are adopted.By doing so,we can notonly reduce the costof subway operation butalso achieve higher efficiency.

metro;station;air-conditioning;optimal operation

U231

A

1672-6073(2016)02-0109-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.025

2016-03-01

2016-03-18

陸俊，男，本科，環(huán)控分析工程師，主要從事地鐵車站通風空調系統(tǒng)運行管理研究，lujun1128@hotmail.com