地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

■　龐李彬

地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討

■龐李彬

從地鐵環(huán)控系統(tǒng)組成入手，分析地鐵環(huán)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)的能耗特點(diǎn)。重點(diǎn)對(duì)地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能措施及技術(shù)進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)建議。通過(guò)采用變頻調(diào)節(jié)、運(yùn)行模式調(diào)節(jié)，適當(dāng)提高送風(fēng)溫差，適當(dāng)啟用空氣-水空調(diào)系統(tǒng)、蒸發(fā)式冷凝空調(diào)系統(tǒng)等有效措施，優(yōu)化相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

地鐵；環(huán)控系統(tǒng)；節(jié)能；變頻；送風(fēng)溫差；空氣-水空調(diào)系統(tǒng)；蒸發(fā)式冷凝空調(diào)系統(tǒng)

隨著我國(guó)各大城市的不斷發(fā)展，各中心城市的人口密度逐年增加，交通壓力日漸繁重，地鐵作為一種快捷、高效、運(yùn)輸量大的公共交通工具，已逐漸成為解決城市交通問(wèn)題的重要手段。目前，我國(guó)已有28個(gè)城市運(yùn)營(yíng)地鐵，批準(zhǔn)建設(shè)城市更是高達(dá)38個(gè)。然而，隨著地鐵的大規(guī)模興建及運(yùn)營(yíng)，地鐵運(yùn)營(yíng)的巨大能耗也逐漸引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。環(huán)控系統(tǒng)作為地鐵的重要組成部分，也是地鐵車(chē)站的能耗大戶。 地鐵環(huán)控系統(tǒng)繁雜，影響能耗的因素也較多。因此，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)不同能耗規(guī)律有針對(duì)性地采取節(jié)能措施和技術(shù)開(kāi)發(fā)，對(duì)地鐵行業(yè)的節(jié)能減排有重大意義。

1　地鐵環(huán)控系統(tǒng)組成及能耗分析

1.1系統(tǒng)組成

地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)地下空間的溫、濕度及空氣質(zhì)量，在正常工況下為車(chē)站內(nèi)乘客及工作人員提供舒適的空氣環(huán)境。在列車(chē)運(yùn)行期間或因故阻塞在區(qū)間隧道時(shí)，為地鐵區(qū)間進(jìn)行隧道通風(fēng)換氣，保證乘客和乘務(wù)人員的正常需求。其次，在火災(zāi)情況下迅速排煙，防止煙氣蔓延，為人員疏散提供有利條件。

地鐵環(huán)控系統(tǒng)主要由4個(gè)子系統(tǒng)組成：車(chē)站公共區(qū)（站廳、站臺(tái)）空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)大系統(tǒng)）；車(chē)站設(shè)備用房、管理用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)小系統(tǒng)）；為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)提供冷源的系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)水系統(tǒng)）；區(qū)間隧道活塞風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，以及車(chē)站范圍內(nèi)、屏蔽門(mén)外站臺(tái)下排熱和車(chē)行道頂部排熱系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)）。

1.2能耗分析

我國(guó)各大地鐵廣泛應(yīng)用的地鐵環(huán)控系統(tǒng)是屏蔽門(mén)系統(tǒng)，此類(lèi)環(huán)控系統(tǒng)的主要負(fù)荷是人員負(fù)荷、 照明負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷、屏蔽門(mén)傳熱、滲透負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷。設(shè)備負(fù)荷是指高低壓配電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、廣告、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)等系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)荷?？照{(diào)系統(tǒng)濕負(fù)荷主要由人員負(fù)荷、維護(hù)結(jié)構(gòu)濕負(fù)荷組成［1］。

以上負(fù)荷中，照明、設(shè)備及屏蔽門(mén)傳熱負(fù)荷相對(duì)變化量較小，基本可以視為恒定值；人員、滲透及新風(fēng)負(fù)荷隨著客流及季節(jié)的變化會(huì)有較為明顯的增減，可視為變量值。結(jié)合環(huán)控系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)各自功能的不同，可以對(duì)其加以區(qū)分。

大系統(tǒng)由組合式空調(diào)箱、回/排風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、小新風(fēng)機(jī)、組合式電動(dòng)風(fēng)閥、防火閥、通風(fēng)空調(diào)管道組成。主要功能為：正常情況下，在空調(diào)季節(jié)為站廳、站臺(tái)提供冷量和新風(fēng)；在通風(fēng)季節(jié)為站廳、站臺(tái)通風(fēng)換氣。在站廳或站臺(tái)火災(zāi)情況下，排除站廳或站臺(tái)層的煙氣，防止煙氣蔓延，為人員疏散創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)的負(fù)荷變化隨客流變化較為明顯，同時(shí)也受新風(fēng)量的影響，其主要能耗設(shè)備為組合式空調(diào)箱和各類(lèi)風(fēng)機(jī)。

小系統(tǒng)由空氣處理機(jī)、回/排風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、通風(fēng)空調(diào)管道、電動(dòng)風(fēng)閥、防火閥組成。主要功能為：正常情況下，在空調(diào)季節(jié)為車(chē)站設(shè)備及管理用房提供冷量和新風(fēng)；在通風(fēng)季節(jié)為車(chē)站設(shè)備及管理用房通風(fēng)換氣。設(shè)備及管理用房火災(zāi)情況下，配合氣體滅火系統(tǒng)完成滅火，排除設(shè)備及管理用房的煙氣和惰性氣體，防止煙氣蔓延，排除煙氣，為人員疏散創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)的負(fù)荷變化較小，只與季節(jié)性新風(fēng)量變化有關(guān)，其主要能耗設(shè)備為空氣處理機(jī)和各類(lèi)風(fēng)機(jī)。

水系統(tǒng)由冷水機(jī)組、冷凍/冷卻水泵、集/分水器、冷卻塔、膨脹水箱、水處理裝置、管道及閥門(mén)組成。主要功能為：在空調(diào)季節(jié)為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)提供冷源。該系統(tǒng)的負(fù)荷變化與整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化一致，受客流及新風(fēng)量的共同影響，其主要能耗設(shè)備為冷水機(jī)組、水泵及冷卻塔。

隧道通風(fēng)系統(tǒng)由隧道風(fēng)機(jī)（TVF風(fēng)機(jī)）、組合式電動(dòng)風(fēng)閥、排熱風(fēng)機(jī)（UPE/OTE風(fēng)機(jī)）、風(fēng)道、組合式風(fēng)閥組成。主要功能為：正常情況下隧道的通風(fēng)換氣，列車(chē)因故阻塞在區(qū)間隧道時(shí)的通風(fēng)，列車(chē)在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)且不能行進(jìn)時(shí)的通風(fēng)排煙，排除列車(chē)頂部空調(diào)冷凝器散發(fā)、列車(chē)底部剎車(chē)產(chǎn)熱、磨擦產(chǎn)熱和車(chē)體發(fā)熱量。該系統(tǒng)的負(fù)荷變化只與隧道內(nèi)溫度變化有關(guān)，其主要能耗設(shè)備為隧道風(fēng)機(jī)、排熱風(fēng)機(jī)。

2　地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能措施及技術(shù)

2.1大系統(tǒng)

根據(jù)大系統(tǒng)的能耗特點(diǎn)，該系統(tǒng)的負(fù)荷變化較為明顯，需按照客流及季節(jié)變化對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)節(jié)才能達(dá)到節(jié)能的目的。

主要措施如下：

（1）變頻調(diào)節(jié)。由于地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)預(yù)測(cè)的遠(yuǎn)期高峰客流運(yùn)營(yíng)條件計(jì)算的，在客流量遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量［2］。由于風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此通過(guò)變頻裝置使風(fēng)量減少10%，消耗功率可減少27%；風(fēng)量減少40%，消耗功率可減少78%［1］。對(duì)于大系統(tǒng)這一受客流影響較大的系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)，節(jié)能效果顯著。

（2）運(yùn)行模式的變化。有效利用不同季節(jié)外界冷負(fù)荷的變化，通過(guò)新風(fēng)量的調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。夏季時(shí)最大限度減小新風(fēng)負(fù)荷，過(guò)渡季節(jié)合理利用自然冷源。具體可分為小新風(fēng)工況，即站外空氣焓值大于車(chē)站空調(diào)大系統(tǒng)回風(fēng)空氣焓值時(shí)，采用最小新風(fēng)加回風(fēng)模式運(yùn)行。全新風(fēng)工況，即站外空氣焓值小于或等于車(chē)站空調(diào)大系統(tǒng)回風(fēng)空氣焓值且站外空氣溫度大于空調(diào)送風(fēng)溫度時(shí)，公共區(qū)空氣由組合式空調(diào)機(jī)組處理過(guò)的新風(fēng)提供，回風(fēng)全部排至車(chē)站外。通風(fēng)工況，即站外空氣溫度小于空調(diào)送風(fēng)溫度時(shí)，停止冷水機(jī)組運(yùn)行，外界空氣不經(jīng)處理直接送至公共區(qū)，回風(fēng)全部排至車(chē)站外。

（3）適當(dāng)提高送風(fēng)溫差。送風(fēng)溫差的提高可極大降低送風(fēng)量，在保證不出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象的前提下，盡可能提高送風(fēng)溫差，從而減小送風(fēng)量，進(jìn)而影響設(shè)備的選型，從根本上降低設(shè)備系統(tǒng)的能耗上限值。

（4）采用空氣-水空調(diào)系統(tǒng)替代全空氣系統(tǒng)?，F(xiàn)階段大部分地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)占地面積大，且空氣的比熱遠(yuǎn)小于水，在長(zhǎng)距離運(yùn)輸上能量損失較大，運(yùn)送同樣冷量所消耗的能量也大。因此采用空氣-水空調(diào)系統(tǒng)可以在能量運(yùn)輸及損耗方面有效降低系統(tǒng)的能耗。

2.2小系統(tǒng)

根據(jù)小系統(tǒng)的能耗特點(diǎn)，該系統(tǒng)的負(fù)荷變化較小，只與季節(jié)性新風(fēng)量變化有關(guān)，因此需從季節(jié)性新風(fēng)量變化及能量輸送等方面考慮節(jié)能。

主要措施如下：

（1）與大系統(tǒng)相似的方面：運(yùn)行模式的變化。有效利用不同季節(jié)外界冷負(fù)荷的變化，通過(guò)新風(fēng)量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能；適當(dāng)提高送風(fēng)溫差，從而減小送風(fēng)量進(jìn)而影響設(shè)備的選型，從根本上降低設(shè)備系統(tǒng)的能耗上限值。這兩點(diǎn)同樣適用于小系統(tǒng)。

（2）區(qū)別于大系統(tǒng)的方面：因小系統(tǒng)負(fù)荷變化較為穩(wěn)定，因此變頻調(diào)節(jié)方式不適用于小系統(tǒng)。采用空氣-水空調(diào)系統(tǒng)替代全空氣系統(tǒng)，雖然可實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，但考慮小系統(tǒng)主要管轄區(qū)域?yàn)樵O(shè)備管理用房，較多電器類(lèi)設(shè)備，應(yīng)盡可能避免過(guò)多水管的使用，因此不考慮此方法用于小系統(tǒng)。

但結(jié)合轄區(qū)實(shí)際，可考慮采用全空氣系統(tǒng)與變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)搭配使用的方法。即在白天大系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，小系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)，兩者共用冷水機(jī)組進(jìn)行供冷，夜間大系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，采用變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)為設(shè)備管理用房供冷，停止冷水機(jī)組運(yùn)行。既可以避免過(guò)多水管進(jìn)入設(shè)備管理用房，又可以用較低能耗的變頻多聯(lián)空調(diào)代替冷水機(jī)組供冷，同時(shí)可作為小系統(tǒng)備用冷源，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果。

2.3水系統(tǒng)

根據(jù)水系統(tǒng)的能耗特點(diǎn)，該系統(tǒng)的負(fù)荷變化與整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化一致，受客流及新風(fēng)量的共同影響，因此影響整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式均可影響其節(jié)能。

主要措施如下：

（1）運(yùn)行模式的變化。有效利用不同季節(jié)外界冷負(fù)荷的變化，可在部分季節(jié)降低或停用水系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能；

（2）在環(huán)控系統(tǒng)中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量同樣是按照車(chē)站最大設(shè)計(jì)負(fù)荷選定的，且留有余量。在實(shí)際使用中，環(huán)控系統(tǒng)大多處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，因此，采用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)水流量同樣是減少能耗的有效途徑。

（3）采用蒸發(fā)式冷凝空調(diào)系統(tǒng)取代水冷冷凝方式，只需較小的風(fēng)量及冷卻水量就可以實(shí)現(xiàn)冷媒的降溫冷凝。既可減少冷卻塔建設(shè)的種種問(wèn)題，也可以省去冷卻塔及大功率冷卻水泵的能耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的［3］。

2.4隧道通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的能耗特點(diǎn)，該系統(tǒng)的負(fù)荷變化只與隧道內(nèi)溫度變化有關(guān)，因此其有效節(jié)能措施較少，需從設(shè)計(jì)及運(yùn)行模式入手。

主要措施如下：

（1）在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)積極協(xié)調(diào)建筑專(zhuān)業(yè)，優(yōu)化風(fēng)道、風(fēng)井或機(jī)房位置，盡可能保證風(fēng)路通暢，協(xié)調(diào)減少土建直角彎，最大限度減少結(jié)構(gòu)帶來(lái)的設(shè)備能耗加大的情況［1］。

（2）隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用的設(shè)備均為較大功率的設(shè)備，主要擔(dān)負(fù)功能為正常情況下隧道的通風(fēng)換氣及列車(chē)頂部空調(diào)冷凝器散發(fā)、列車(chē)底部剎車(chē)產(chǎn)熱、磨擦產(chǎn)熱和車(chē)體發(fā)熱量的排除，因此可通過(guò)運(yùn)行模式的控制，盡可能減少隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的開(kāi)啟時(shí)間，合理安排通風(fēng)換氣的次數(shù)，在運(yùn)營(yíng)初期，區(qū)間隧道內(nèi)溫度較低時(shí)，可適當(dāng)限制隧道風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟，從而減少能源的浪費(fèi)。

3　結(jié)束語(yǔ)

在結(jié)合工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能問(wèn)題進(jìn)行分析和探討。通過(guò)分析，結(jié)合不同子系統(tǒng)的特點(diǎn)，地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)，運(yùn)行模式調(diào)節(jié)，適當(dāng)提高送風(fēng)溫差，適當(dāng)啟用空氣-水空調(diào)系統(tǒng)、蒸發(fā)式冷凝空調(diào)系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施，都能起到較好的節(jié)能效果。然而，有效降低地鐵環(huán)控系統(tǒng)能耗是一項(xiàng)艱難持久的工作，需要從設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)營(yíng)各階段的共同努力。隨著新型節(jié)能技術(shù)的不斷創(chuàng)新及優(yōu)化方案的不斷開(kāi)發(fā)，地鐵環(huán)控節(jié)能技術(shù)具有更為廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 聞彪，吳慶，洪學(xué)新.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究［J］.暖通與設(shè)備，2010，38（4）：32-34.

［2］ 蔡昌俊，鐘素銀.軌道交通節(jié)能減排分析與實(shí)施［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011（5）：5-10.

［3］ 李德輝.蒸發(fā)冷卻技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用探討［J］.中國(guó)鐵路，2012（5）：106-110.

龐李彬：深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部，工程師，廣東 深圳，518040

責(zé)任編輯盧敏

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