地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行方法探討

于永波

摘? 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市軌道交通的建設(shè)、運營體量越來越大，隨之而來的是城市軌道交通能源消耗的快速增長，能耗支出占運營成本的比重不斷增加。各城市的軌道交通運營企業(yè)日益開始重視地鐵車站的能耗問題，而通風(fēng)空調(diào)能耗占總能耗的1/3，本文就北京地鐵車站的一個節(jié)能案例，提出了一些車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行的有效方法。

關(guān)鍵詞：軌道交通? 能源消耗? 通風(fēng)空調(diào)? 節(jié)能

中圖分類號：C913? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0078-04

Discussion on Energy-Saving Operation Method for Ventilation and Air-conditioning System of Subway Station

YU Yongbo

（Electromechanical Branch of Beijing Metro Operation Co.，Ltd.， Beijing，100043? China）

Abstract： With the continuous development of China's economy， the construction and operation volume of urban rail transit is becoming larger and larger， followed by the rapid growth of energy consumption of urban rail transit， and the proportion of energy consumption expenditure in operation cost is increasing. Rail transit operation enterprises in various cities are increasingly paying attention to the energy consumption of subway stations， and the energy consumption of ventilation and air conditioning accounts for 1 / 3 of the total energy consumption. Based on an energy saving case of Beijing Subway Station， this paper puts forward some effective methods for energy saving operation of station ventilation and air conditioning system.

Key Words： Rail traffic; Energy consumption; Ventilation and air-conditioning; Energy saving

城市軌道交通系統(tǒng)中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是重要的用電大戶，其運行能耗約占總能耗的1/3[1]。因此，在滿足室內(nèi)環(huán)境舒適性要求的前提下，如何提高通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率、大幅降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行能耗，是城市軌道交通節(jié)能減排工作的重中之重。目前，我國地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)普遍缺乏精細(xì)化的運行能耗管理，缺乏針對地鐵熱環(huán)境設(shè)計的節(jié)能運行方法，在全年運行的許多方面均存在顯著的節(jié)能空間。

本文利用北京地鐵8號線森林公園南門站的節(jié)能改造案例，介紹了一些實用性較好的節(jié)能運行方法。

1? 項目概況

北京地鐵8號線線路長度45.6km，共設(shè)有35座車站。本次節(jié)能改造的為8號線森林公園南門站，站臺采用島式站臺設(shè)計。森林公園南門站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要包括4部分：一是大系統(tǒng)[2]，在車站南北兩端的通風(fēng)機房內(nèi)各設(shè)置了一臺組合式空調(diào)機組，負(fù)責(zé)站臺、站廳公共區(qū)的制冷通風(fēng);二是小系統(tǒng)，同樣采用全空氣系統(tǒng)形式，利用空調(diào)機組為車站兩端的設(shè)備管理用房等輔助區(qū)域的制冷通風(fēng);三是冷源，主要由2臺螺桿機組、2臺冷凍水泵、2臺冷卻水泵及2臺冷卻塔組成，冷源為大、小系統(tǒng)共用;四是隧道通風(fēng)系統(tǒng)，包括南北兩端2臺TVF風(fēng)機。

冷水機組2臺，單臺電功率138kW;冷凍水泵2臺，單臺電功率22kW;冷卻水泵2臺，單臺電功率30kW;冷卻塔風(fēng)機2臺，單臺電功率7.5kW;空調(diào)機組5臺，單臺電率3～30kW;隧道風(fēng)機2臺，單臺電功率90kW。

2? 能耗現(xiàn)狀與運行方式

在節(jié)能改造前，利用1年時間對森林公園站的現(xiàn)狀能耗進(jìn)行了詳細(xì)測試，經(jīng)測試森林公園南門站全年耗電量約150萬度。其中，冷水機組耗電占14%，隧道（TVF）風(fēng)機耗電占13%，空調(diào)機組耗電占34%，冷卻塔風(fēng)機耗電占13%，冷凍及冷卻水泵耗電占26%。

在節(jié)能改造前，森林公園南門站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備在夏季運行時間如下。

2.1 夏季通風(fēng)

6月1日至10月10日：公共區(qū)，車站空調(diào)機組、回排風(fēng)機小新風(fēng)運行6：00-23：00;隧道排熱風(fēng)機開啟6：00-23：00;附屬用房，房間風(fēng)機、新風(fēng)機全日運行。

2.2 夏季空調(diào)

6月1日至6月30日、9月16日至10月10日：公共區(qū)，冷水主機2臺運行8：00-20：00;附屬用房，冷水主機1臺、新風(fēng)機組/回排風(fēng)機全日運行。

7月1日至9月15日：公共區(qū)，冷水主機2臺運行7：00-22：00;附屬用房，冷水主機1臺、新風(fēng)機組/回排風(fēng)機全日運行。

經(jīng)詳細(xì)調(diào)研8號線各座車站后，發(fā)現(xiàn)北京地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要存在以下幾方面問題。

（1）通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行主要依賴于統(tǒng)一的時間表控制和模式控制方式，運行調(diào)控手段相對簡單。實際運行時，空調(diào)機組新風(fēng)量基本不變，隧道風(fēng)機開啟臺數(shù)和運行頻率基本保持定值，而這些設(shè)備實際上是應(yīng)該根據(jù)車站的實際狀況和室外氣溫狀況進(jìn)行調(diào)整的。若可以根據(jù)客流情況對工作日、節(jié)假日做出區(qū)分后設(shè)置適宜的運行模式，早高峰前、晚高峰后根據(jù)室外溫度采用加大通風(fēng)量、減小制冷機運行時間等手段，則車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗將會有大幅降低。

（2）沒有充分利用地鐵車站的一些獨有資源。地鐵列車運行時的活塞風(fēng)效應(yīng)本應(yīng)有很強的通風(fēng)效果，如能充分地利用地鐵活塞風(fēng)對車站進(jìn)行通風(fēng)，則可避免地鐵隧道年平均溫度不斷升高，同時又會對車站公共區(qū)提供較好的通風(fēng)效果。地鐵車站的出入口面積大、阻力小，是很好的通風(fēng)通道，可以充分利用出入口調(diào)整風(fēng)機的運行方式，如采用車站單獨送風(fēng)或車站單獨排風(fēng)的運行模式。

（3）通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)溫濕度傳感器設(shè)置位置不理想，傳感器控制精度不高，這就導(dǎo)致車站站廳、站臺公共區(qū)域的溫度偏低，實測車站的環(huán)境溫度多數(shù)低于28°C，甚至低于26°C，不利于系統(tǒng)的節(jié)能。

（4）BAS系統(tǒng)未能形成有效的調(diào)控工具，BAS系統(tǒng)目前主要完成了數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示功能，以及完成部分設(shè)備的就地控制，并未形成空調(diào)、通風(fēng)、制冷系統(tǒng)的聯(lián)合控制。

3? 節(jié)能工藝

3.1 冷水機組節(jié)能運行

3.1.1 改造方案

冷水機組改造方案為，通過增加設(shè)置車站溫濕度傳感器，合理設(shè)置傳感器的位置及高，利用傳感器實時采集車站公共區(qū)內(nèi)的空氣狀況、冷水機組供回水溫度，計算車站熱負(fù)荷率，調(diào)節(jié)冷水機組的啟停臺數(shù)及冷水出水溫度。

3.1.2 運行模式

冷水機組根據(jù)室內(nèi)外焓值及室內(nèi)溫度控制機組運行，實現(xiàn)機組啟停的自動控制，并根據(jù)冷機供水溫度與負(fù)荷率實現(xiàn)自動加減載，避免冷機低負(fù)荷率現(xiàn)象，具體策略如下。

（1）當(dāng)室外空氣焓值大于設(shè)定焓值時[3]，開啟冷機;室外空氣焓值小于設(shè)定焓值時，關(guān)閉冷機;此外，當(dāng)?shù)罔F停止運營時，冷機停止運行，部分工作區(qū)域由分體空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。實際運行中，考慮到濕度傳感器在長期使用中容易出現(xiàn)慢漂移故障，可用干球溫度代替焓值進(jìn)行判斷。

（2）加臺數(shù)控制：當(dāng)系統(tǒng)供水溫度達(dá)不到設(shè)定溫度（7℃）的連續(xù)時間超過設(shè)定時間（5min），冷水機組的負(fù)荷率達(dá)到冷水機組上限數(shù)值95%，自動開啟下一臺冷水機組。

（3）減臺數(shù)控制：當(dāng)系統(tǒng)供水溫度可達(dá)到設(shè)定溫度（7℃），且冷水機組的平均負(fù)荷率低于50%的連續(xù)時間超過設(shè)定時間（5min），自動關(guān)閉一臺冷水機組。

3.1.3 運行效果

上述運行模式可充分利用新風(fēng)中的冷量，在室外新風(fēng)焓值較低時，關(guān)停冷機或降低冷機的負(fù)荷率。如圖1為8月18日新風(fēng)溫度和冷機運行狀態(tài)記錄，當(dāng)天室外溫度為23～32°C，可看到在全天大部分時間內(nèi)，冷機都不需要開啟。

3.2 冷卻泵節(jié)能運行

3.2.1 改造方案

冷卻水泵改造方案為增加1組變頻器及控制柜，冷卻水泵實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。

3.2.2 運行模式

冷卻泵與冷水機組的能耗是相互耦合的。如果提高冷卻水流量，冷卻泵能耗增加，但冷機冷凝溫度下降，冷機運行效率上升，運行能耗下降;反之，如果降低冷卻水流量，雖然有利于降低冷卻泵能耗，卻會對冷機運行能耗帶來不利影響。

因此，在進(jìn)行冷卻泵節(jié)能運行時，需要計算各種負(fù)荷率下、不同工況點下，基于冷機效率曲線與冷卻泵曲線，計算該工況下使冷機和冷卻泵綜合能耗最低的冷卻水溫差[4]。本項目的計算結(jié)果如圖2所示。之后，通過調(diào)整冷卻泵頻率，維持冷卻水溫差處于最佳值。

3.2.3 運行效果

運行策略優(yōu)化后，冷源（冷機+冷卻泵+冷卻塔+冷凍泵）的綜合COP值提升，見公式（1），非節(jié)能模式下不到3.2，節(jié)能模式下可達(dá)3.8以上。

公式（1）[5]：冷站綜合COP=冷站總制冷量（kW）/冷凍站總電耗（kW）。

3.3 風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能運行

3.3.1 改造方案

大系統(tǒng)風(fēng)機增加變頻器，根據(jù)公共區(qū)的溫度，調(diào)節(jié)送風(fēng)機的風(fēng)量。

對于小系統(tǒng)風(fēng)機，重點改善不同區(qū)域冷熱不均的現(xiàn)狀，以對于特殊房間進(jìn)行單獨處理為例，對人員負(fù)荷較大、室內(nèi)溫度較高的房間安裝分體空調(diào)，將小系統(tǒng)區(qū)域的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至大系統(tǒng)范圍內(nèi)，由空調(diào)大系統(tǒng)進(jìn)行處理。

3.3.2 運行模式

大系統(tǒng)風(fēng)機送、回、排風(fēng)閥聯(lián)動運行，實現(xiàn)設(shè)備啟停、運行頻率根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)自動調(diào)節(jié)，以及過渡季節(jié)全新風(fēng)工況運行，具體如下。

（1）當(dāng)室外溫濕度不適宜時，系統(tǒng)根據(jù)所需最小新風(fēng)量運行，風(fēng)機頻率根據(jù)回風(fēng)溫度控制，當(dāng)風(fēng)機頻率低于30Hz時，調(diào)節(jié)冷凍水閥開度。

（2）當(dāng)室外溫濕度適宜時，回風(fēng)閥關(guān)閉，送風(fēng)機在全新風(fēng)工況運行，風(fēng)機頻率根據(jù)室內(nèi)溫度控制。

3.3.3 運行效果

圖2顯示了夏季典型日送風(fēng)機頻率、回排風(fēng)機頻率和回風(fēng)溫度的變化，可見回風(fēng)溫度可以被控制在要求值（28°C）以下，而風(fēng)機頻率能夠根據(jù)負(fù)荷的變化，實現(xiàn)節(jié)能運行。

4? 自動化方案

在森林公園南站的節(jié)能改造中，采用清華同方的EnCs節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了上述節(jié)能工藝。對既有車站的節(jié)能改造，最大的問題是原車站的通風(fēng)系統(tǒng)部分設(shè)備是兼顧排煙功能的，節(jié)能控制系統(tǒng)又與原車站的BAS系統(tǒng)部分控制功能是交叉的，這就需要節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)在BAS主控柜處做并行處理，系統(tǒng)之間設(shè)置控制權(quán)切換控制按鈕。節(jié)能系統(tǒng)還需監(jiān)聽FAS系統(tǒng)信號，當(dāng)監(jiān)聽到FAS系統(tǒng)火災(zāi)信號時，節(jié)能系統(tǒng)需自動釋放控制權(quán)限。

5? 節(jié)能效果

節(jié)能優(yōu)化后，室溫控制效果穩(wěn)定。圖3對比了8月兩個氣溫相近日的站廳站臺溫度控制效果，由圖3可見，節(jié)能系統(tǒng)的室溫控制效果更平穩(wěn)，減少了過冷的情況，同時又始終維持室溫在要求值（28°C）之下。

為了研究節(jié)能效果，在2018年6～9月，分別擇連續(xù)4d（保證天氣基本相似）進(jìn)行對比測試，即兩天采用原有運行模式，另兩天采用節(jié)能模式，進(jìn)行對比效果測試，最后測試結(jié)果為：系統(tǒng)總節(jié)能率分別為43.6%、43.0%、46.1%和48.9%，按此節(jié)能率計算系統(tǒng)總節(jié)能量將達(dá)到55萬度電[6]，節(jié)能效果明顯。

6? 結(jié)語

本文提出了針對地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行方法，優(yōu)化了冷源、水泵、風(fēng)機的運行方法，在確保車站環(huán)境溫度滿足運營要求的前提下，實現(xiàn)了很好的節(jié)能效果。通過森林公園南門站的實際應(yīng)用，室溫控制穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，空調(diào)季綜合節(jié)能率達(dá)到44%。因此，這種方法值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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