關(guān)于地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能的探討

孫寶鑫

摘要：文章根據(jù)地鐵環(huán)境特點提出影響地下通風空調(diào)系統(tǒng)的幾點因素，并簡要介紹地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的幾種節(jié)能途徑。

關(guān)鍵詞：地鐵環(huán)控系統(tǒng)；模式設(shè)計；節(jié)能

我國正處于大規(guī)模城市化的時期，全國各大城市的交通狀況一直非常緊張，交通不暢嚴重影響著人們的生活，制約著經(jīng)濟的發(fā)展。改善城市公共交通狀況已經(jīng)成為各大中城市政府相當急迫的要求和共識。隨著近年來軌道交通的高速發(fā)展，北京、上海、廣州、深圳、天津、南京等各大城市都建成或正在實施各自的快速軌道交通路網(wǎng)的骨干線路。地鐵具有高效、快捷、安全和污染小的特點，避開了地面道路擴容困難的矛盾，有效地緩解了交通難的問題。因此地鐵建設(shè)在世界各大城市得到廣泛應用，已經(jīng)成為城市大運量公共交通系統(tǒng)的首選。

一、地鐵環(huán)境特點

地鐵是一類特殊的建筑，是由多個車站通過隧道連接成的一個整體。地鐵主體建筑（車站和行車隧道）一般位于地下數(shù)米至數(shù)十米深處，其上覆蓋土層，是一個相對封閉的場所。內(nèi)部空間（包括隧道和站臺，站廳等）較大，但與外界連通的開口相對較少，只有少量的通風井和車站的出入口與外界直接連通，其他部分基本上與大氣隔絕。由于功能上的要求，地鐵一般是全年運行的，在車站和隧道內(nèi)有大量的人流和車流，而且流量在不斷地變化。地鐵運營和乘客進出站口揮發(fā)出大量的熱量，使空氣濕度增大，同時還產(chǎn)生一些有害氣體，如不及時排除就會降低地鐵的運營環(huán)境。同時，當列車因非火災事故阻塞在區(qū)間隧道內(nèi)時，因不能產(chǎn)生“活塞效應”而無法提供新鮮空氣而導致停留在車廂內(nèi)的乘客和向安全地疏散的乘客感到不舒適。隨著人們生活水平的提高，地鐵必須給乘客提供一個舒適度高的環(huán)境。因此，建立一套完整的環(huán)控系統(tǒng)不僅是乘客舒適乘車的要求也是確保地鐵安全運營的要求。

二、地鐵環(huán)控系統(tǒng)組成及作用

地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：隧道通風系統(tǒng)；車站空調(diào)通風系統(tǒng)（大系統(tǒng)）；車站管理用房和設(shè)備用房空調(diào)通風系統(tǒng)（小系統(tǒng)）；空調(diào)制冷循環(huán)水系統(tǒng)；隧洞口空氣幕系統(tǒng)；折返線通風系統(tǒng)等。環(huán)控系統(tǒng)的作用是控制和調(diào)節(jié)地鐵內(nèi)的熱環(huán)境，保證地鐵內(nèi)的IAQ（室內(nèi)空氣品質(zhì)）在一個合理舒適的范圍之內(nèi)，滿足乘客和工作人員的舒適性、健康和安全需求，滿足設(shè)備的工作要求。此外，它應當在事故及災害情況下進行通風、排煙和排熱，起到生命保障及輔助滅火作用。

三、環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能途徑

作為地鐵運輸系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，在保證地鐵環(huán)境的同時，地鐵環(huán)控系統(tǒng)的代價也是高昂的。由于地鐵內(nèi)部的巨大空間和負荷，環(huán)控系統(tǒng)的風機、制冷機、空調(diào)機的裝機容量都相當大，由此引起大量設(shè)備投資和運行能耗費用。尤其是運行能耗，而其中環(huán)控系統(tǒng)能耗在總能耗中占相當大的比例，已經(jīng)嚴重影響到地鐵運營的經(jīng)濟性。因此環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能具有重要的意義。

（一）通風系統(tǒng)的優(yōu)化

目前地鐵環(huán)控系統(tǒng)基本采用全空氣系統(tǒng)，由于地鐵的負荷特點，風機的運行時間要長于制冷機，而且風機的功率遠大于一般建筑的空調(diào)系統(tǒng)的風機，因此風機能耗比例通常大于一般建筑的空調(diào)系統(tǒng)的風機能耗比例。地鐵環(huán)控系統(tǒng)運行能耗中，風機能耗所占比例最大。冷機能耗雖然也不小，但由于地鐵負荷的特點，發(fā)熱量不可能有大的減少，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，螺桿式冷水機組已具有良好的部分負荷特性，冷量調(diào)節(jié)范圍為20-100%，所以冷機節(jié)能的余地不大。因此，車站節(jié)能的重點應放在風系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化上。

1、隧道通風系統(tǒng)。站臺下/軌道頂排熱通風系統(tǒng)中UPE/OTE風機正常情況每日從地鐵運營開始至運營結(jié)束期間一直運作，是長期運作風機。其作用是排除列車進站、停站、出站時的產(chǎn)熱量，以減少列車發(fā)熱量對車站及區(qū)間的影響，同時還兼容排煙功能。考慮到近遠期列車對數(shù)不同、列車發(fā)熱量不同、風機的排風量不同，UPE/OTE風機宜采用變頻風機來調(diào)節(jié)風量，既能滿足功能要求又可以達到良好的效果，同時對風機的控制簡單可靠容易實現(xiàn)。

2、車站通風系統(tǒng)。車站公共區(qū)空調(diào)通風系統(tǒng)由組合式空調(diào)箱、回/排風機、空調(diào)新風機組成，以往一般都是采用定風量運行，靠調(diào)節(jié)設(shè)備的運行臺數(shù)來適應車站負荷的變化。由于早晚兩個客流負荷高峰的存在，使送風量出現(xiàn)兩個峰值而其他時候的風量較小。采用定風量系統(tǒng)時，必須滿足兩個峰值風量，這樣在非峰值負荷時，其風量顯然浪費了。如果按照平均風量計算風機能耗，則風機能耗僅為按峰值風量計算時的70%左右。可見采用定風量運行的能耗浪費是相當嚴重的，采用變風量系統(tǒng)是必要的。

實現(xiàn)風機變風量最有效最節(jié)能的方法是對風機變頻調(diào)速。變頻調(diào)節(jié)具有無級調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對風量的準確控制，并保持風機的效率不因風量的減小而減小，從而達到明顯的節(jié)能效果。

（二）通風、空調(diào)運行模式的優(yōu)化

通風系統(tǒng)采用“只送不排”模式，利用車站出入口作為排風道，可以節(jié)省大系統(tǒng)回排風機的能耗。采用“只排不送”模式，車站出入口成為進風道，節(jié)省空調(diào)箱送風機的能耗。

事實上，由于回排風道上沒有過濾器和表冷器等局阻，回排風道的阻抗小于送風道的阻抗，因此相同條件下“只排不送”的能耗要小于“只送不排”的能耗。但是“只排不送”受新風溫度限制，當室外溫度過低時，采用“只排不送”由出入口進風，迎面吹來冷風將令出站的乘客明顯覺得不舒適；此時如果采用“只送不排”，出入口排風，且排風溫度高于外溫，迎面吹來的暖風將使正進站的乘客覺得更舒適。需要注意的是，采用單排或單送模式時，出入口送/排風可能和無組織進/出風相疊加，需考慮出入口風速過大的問題。

文獻指出送風溫度與系統(tǒng)能耗的關(guān)系：存在著一個令總能耗最小的送風溫度的極小值，送風溫度小于極小值以后，系統(tǒng)能耗上升非常緩慢。根據(jù)這一理論，送風溫度盡可能的定得比較低以減少風機能耗，在工程計算一般情況下，給出幾個送風溫度作為設(shè)定值，當實際送風溫度高于該值時，降低冷凍水供水溫度，反之則提高。

（三）集中制冷

這是近期經(jīng)常提出的研討課題。目前國內(nèi)地鐵多為各站分設(shè)冷水機房。集中冷凍方式集中設(shè)置冷卻塔和制冷設(shè)備，減少制冷機房數(shù)量和占地面積，解決冷卻塔分站設(shè)置的難點，減輕對城市景觀造成的負面影響，具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。同時，它在初投資、運行費用及壽命周期總費用等方面都低于集中冷卻方式，具有相對于集中冷卻方式的經(jīng)濟性優(yōu)勢。因此，應該在受到條件限制不便設(shè)置冷卻塔的地鐵車站中大力推廣這一集中供冷方式。建集中制冷站有兩種方案：一是橫向即一條線多個車站的制冷站合建。冷水通過管網(wǎng)（敷設(shè)在地下或地鐵隧道內(nèi)）送至各車站。此方案需要根據(jù)不同線路和車站的方案具體從技術(shù)、經(jīng)濟、安全、節(jié)能、城市規(guī)劃等方面進行利弊分析比較確定。二是縱向即換乘站集中合建。目前國內(nèi)大城市均在大力興建地鐵，大型換乘站越來越多，且多條線縱向交叉。換乘站一般分為既有制冷站和新建制冷站。傳統(tǒng)的設(shè)計理念是不同線路分別建制冷站，這樣造成機房多、冷卻塔多。如果拆除既有制冷站并與新建線路制冷站合建，只要實施社會化管理，對不同部門進行用冷計量，集中制冷站的方案完全可行，并具有明顯的優(yōu)勢：供冷半徑小，節(jié)約機房面積，減少站外冷卻塔與膨脹水箱數(shù)量，從而減少噪聲污染，美化城市景觀，精簡運行管理人員以節(jié)省人員開支，提高制冷機COP值，節(jié)約能源及運行費用。

（四）屏蔽門模式

環(huán)控系統(tǒng)的運行模式分為開式運行模式、閉式運行模式、屏蔽門模式3種形式。設(shè)置站臺屏蔽門，就是通過在地鐵車站的站臺候車區(qū)與行車軌道之間設(shè)置屏蔽門裝置，將地鐵車站與區(qū)間隧道從空間上分隔開來，將車站和區(qū)間分隔成兩個不同的空氣環(huán)境區(qū)域。站臺屏蔽門可以減少列車活塞風對車站站臺環(huán)境的影響，列車運行產(chǎn)生的熱量大部分通過設(shè)置在車站端部的活塞風道及車站行車道頂部和站臺下排熱風道直接排放到地面，因而可以阻止大部分的列車散熱量進入車站。據(jù)以往的工程經(jīng)驗值比較，屏蔽門模式車站空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷僅為閉式運行系統(tǒng)的22-28%，從而減少車站通風與空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷及用電負荷，節(jié)省通風空調(diào)系統(tǒng)的運行費用。

地鐵屏蔽門系統(tǒng)是現(xiàn)代化地鐵工程的必備設(shè)施。地鐵安裝屏蔽門系統(tǒng)，不僅可以防止乘客跌落或跳下軌道而發(fā)生危險，讓乘客安全、舒適地乘坐地鐵，而且屏蔽門系統(tǒng)作為一種高科技產(chǎn)品所具有的節(jié)能、環(huán)保和安全功能，減少了站臺區(qū)與軌行區(qū)之間冷熱氣流的交換，降低了環(huán)控系統(tǒng)的運營能耗，從而節(jié)約了營運成本，因此在夏季空調(diào)季節(jié)較長的地區(qū)普遍被采用。

四、結(jié)束語

環(huán)控系統(tǒng)是地鐵工程中的一個重要組成部分，它對地鐵環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響，其重要性引起了國內(nèi)外許多者和設(shè)計者的關(guān)注。有效的節(jié)能手段使得環(huán)控能耗顯著下降，節(jié)約了大量能源，從而減少了地鐵對于自然環(huán)境的影響，對于建設(shè)綠色地鐵有重要的意義，也符合當前建設(shè)節(jié)能型社會、和諧社會的趨勢，具有良好的社會效益。

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（作者單位：天津濱海快速交通發(fā)展有限公司。作者為工程師）