軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能影響因素分析

文_唐超 周菁 李新鋼 于松偉 李國(guó)慶 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)

城市軌道交通用能中牽引供電系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是城市軌道交通中最主要的用電項(xiàng)，全年用電中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占比為37%，空調(diào)季通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電量占比達(dá)到54%。本文主要針對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)能耗影響因素進(jìn)行分析并提出優(yōu)化方案。

1 通風(fēng)空調(diào)能耗影響因素

地鐵暖通空調(diào)系統(tǒng)主要分為4個(gè)子系統(tǒng)，即隧道通風(fēng)系統(tǒng)、公共區(qū)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）、設(shè)備附屬用房區(qū)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）和空調(diào)水系統(tǒng)。

1.1 列車制動(dòng)散熱量

列車在停車和人為減速時(shí)需要制動(dòng)力，而制動(dòng)產(chǎn)生的能量首先被反饋到電網(wǎng)，多余能量要么被固定安裝的電阻轉(zhuǎn)為熱能消耗，要么被儲(chǔ)能裝置吸收，當(dāng)儲(chǔ)能裝置吸收不了時(shí)，仍被轉(zhuǎn)化成熱量。這些熱量最終需要暖通空調(diào)系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)排出。

1.2 人員及列車空調(diào)散熱量

車站內(nèi)的人員作為車站負(fù)荷的很大一部分，除了本身的散熱，還需考慮相應(yīng)的新風(fēng)負(fù)荷。當(dāng)人員進(jìn)入列車車廂，每節(jié)客室頂部安裝的空調(diào)( 制冷) 機(jī)組承擔(dān)相應(yīng)的負(fù)荷，同時(shí)機(jī)載空調(diào)的冷凝器再將熱量傳到隧道。

1.3 建筑規(guī)模、出入口及室外空氣滲透耗熱量

建筑規(guī)模和形式對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗會(huì)產(chǎn)生影響。面積過大，建筑形式過于復(fù)雜對(duì)空調(diào)系統(tǒng)而言，既增加了基本熱負(fù)荷又增加了傳輸能耗。出入口過多，截面積過大也會(huì)增加通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

1.4 設(shè)備散熱量

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)的機(jī)組平時(shí)的散熱量，在設(shè)備管理用房產(chǎn)生，由通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)排出到外界。

1.5 空調(diào)系統(tǒng)自身耗能

地鐵暖通空調(diào)系統(tǒng)包含的4個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生巨大的能耗。空調(diào)部分主要包括冷熱源、輸配和末端、水系統(tǒng)。通風(fēng)部分包括風(fēng)機(jī)、輸配和末端。同時(shí)通風(fēng)空調(diào)的運(yùn)行模式對(duì)能耗的影響也很大，運(yùn)行模式主要受季節(jié)和客流量等因素的影響。

2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗優(yōu)化方案

2.1 設(shè)計(jì)階段

2.1.1 列車制動(dòng)散熱優(yōu)化方案

列車制動(dòng)產(chǎn)生的熱量需要通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)排出到外界，如何降低制動(dòng)帶來的能耗，使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)減少排熱能耗的同時(shí)也可以降低牽引供電系統(tǒng)的耗能。

(1)節(jié)能坡設(shè)計(jì)配合

暖通空調(diào)專業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)需要積極和線路專業(yè)配合，尋找節(jié)能坡。如果列車在發(fā)動(dòng)時(shí)是下坡，而在制動(dòng)時(shí)是上坡，自然能減少牽引系統(tǒng)耗能，減少了轉(zhuǎn)化為熱能的部分，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)排熱的能耗也會(huì)隨之減少。

(2)站間距離設(shè)計(jì)配合

暖通空調(diào)專業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)還需要與線路專業(yè)積極配合，合理安排站間距，減少啟動(dòng)和制動(dòng)次數(shù)，從而減少制動(dòng)發(fā)熱。

(3)列車再生制動(dòng)與行車方案

再生制動(dòng)的基本原理是將地鐵列車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能傳輸?shù)焦╇娪|網(wǎng)，提供給相鄰列車使用。當(dāng)相鄰列車也在制動(dòng)的時(shí)候，這部分能量往往得不到最充分利用，如果儲(chǔ)能設(shè)備飽和，最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。在供電專業(yè)考慮再生制動(dòng)的情況下，暖通專業(yè)還需要與行車專業(yè)積極配合。

(4)風(fēng)機(jī)變頻

暖通空調(diào)的專業(yè)應(yīng)結(jié)合行車方案的效率模式和節(jié)能模式，根據(jù)列車制動(dòng)排放到隧道的熱量不同，排熱風(fēng)機(jī)變頻使用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.1.2 人員及列車空調(diào)能耗優(yōu)化方案

車載空調(diào)系統(tǒng)與車站空調(diào)系統(tǒng)的啟動(dòng)、工作與監(jiān)控都是由其自身的自動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。行車專業(yè)根據(jù)人員的變化制定運(yùn)行的高峰時(shí)段和平峰時(shí)段相應(yīng)的效率模式和節(jié)能模式，隧道排熱風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和區(qū)間新風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也應(yīng)該隨著行車模式的變化而變化。

2.1.3 建筑規(guī)模、出入口及室外空氣滲透能耗優(yōu)化方案

在設(shè)計(jì)之初，暖通專業(yè)需要與建筑專業(yè)配合，應(yīng)合理確定地鐵車站的建筑規(guī)模，在保證使用的同時(shí)，盡量縮小規(guī)模同時(shí)避免復(fù)雜的建筑形式。出入口數(shù)量在保證使用的前提下不宜過多，截面積不宜過大，可以考慮適當(dāng)增加出入口的通風(fēng)阻力，減少能量流失。

2.1.4 設(shè)備能耗優(yōu)化方案

設(shè)備管理用房及設(shè)備發(fā)熱量由通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)承擔(dān)冷負(fù)荷，應(yīng)優(yōu)化設(shè)備及模塊選型，選用低功耗部件，降低發(fā)熱量。選用具有優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電性能的銅質(zhì)電纜和導(dǎo)線，降低傳輸損耗和發(fā)熱量。

2.1.5 通風(fēng)空調(diào)設(shè)備能耗優(yōu)化方案

(1)多功能設(shè)備集成系統(tǒng)

對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)中區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)部分進(jìn)行有機(jī)整合, 在設(shè)備用房和風(fēng)道等空間共用新型通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)充分利用了地鐵活塞風(fēng)，同時(shí)采用風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù),在空調(diào)季節(jié), 根據(jù)軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部空間熱負(fù)荷在不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變風(fēng)量運(yùn)行；在通風(fēng)季節(jié)打開表冷器, 降低系統(tǒng)阻力, 從而減少大量的能耗, 運(yùn)行費(fèi)用明顯低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

(2)設(shè)置可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門的地鐵通風(fēng)空調(diào)

可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)屏蔽門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與安全門閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，構(gòu)建一種全新的節(jié)能型通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，在不同季節(jié)充分發(fā)揮各自的節(jié)能優(yōu)勢(shì)?？照{(diào)季節(jié)，可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門處于關(guān)閉狀態(tài)；非空調(diào)季，可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門處于開啟狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的全年節(jié)能運(yùn)行。

(3)根據(jù)室外溫度控制通風(fēng)空調(diào)設(shè)備

排熱風(fēng)機(jī)根據(jù)室外溫度，調(diào)節(jié)控制模式，當(dāng)室外空氣焓值高于車站隧道區(qū)間時(shí)，停止運(yùn)行。大系統(tǒng)空調(diào)根據(jù)比較室外空氣焓值和回風(fēng)焓值、室外空氣溫度和送風(fēng)溫度，分析新風(fēng)空調(diào)運(yùn)行狀況、全新風(fēng)空調(diào)運(yùn)行狀況、全新風(fēng)非空調(diào)運(yùn)行狀況分別運(yùn)行實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

(4)水環(huán)熱泵

地下車站的設(shè)備用房在冬季需要排除余熱，管理用房在冬季需要提供一定的熱量來保證人員的舒適性。采用熱泵熱回收技術(shù)，將設(shè)備用房低品位熱能傳遞給管理用房供熱，實(shí)現(xiàn)了低品味能的利用。

(5)風(fēng)水聯(lián)控

通過對(duì)通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，達(dá)到節(jié)能，如圖1所示。

圖1 風(fēng)水聯(lián)控示意圖

(6)直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組

直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組包括冷機(jī)和表冷器兩個(gè)部分。冷機(jī)部分設(shè)置在土建風(fēng)道附近的制冷機(jī)房?jī)?nèi)，表冷器設(shè)置在土建風(fēng)道中。結(jié)合地鐵風(fēng)道的特點(diǎn)，將蒸發(fā)冷換熱器與表冷器設(shè)計(jì)成可啟閉的方式，實(shí)現(xiàn)全年節(jié)能運(yùn)營(yíng)。

(7)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)的冷水泵、冷卻水泵采用變頻技術(shù)。根據(jù)冷負(fù)荷的變化，在不影響冷凍機(jī)組COP的前提下，降低冷水、冷卻水的輸送能耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 運(yùn)營(yíng)階段

在保證運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量的前提下，積極開展節(jié)能工作。從管理上，建立管理網(wǎng)絡(luò)，細(xì)化管控，形成節(jié)能管理評(píng)價(jià)體系。從技術(shù)上，建立通風(fēng)空調(diào)能源管理與在線診斷系統(tǒng)，合理監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整，優(yōu)化環(huán)控運(yùn)行模式。開展新技術(shù)研究應(yīng)用，淘汰高能耗的工藝、技術(shù)和設(shè)備。加強(qiáng)系統(tǒng)維修管理，及時(shí)清洗過濾網(wǎng)和換熱器、及時(shí)維修調(diào)節(jié)閥，減少設(shè)備老舊帶來的能耗增加。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)相關(guān)能耗影響因素分析，分別從設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)兩方面提出了節(jié)能優(yōu)化方案，為地鐵節(jié)能工作的提供一定的理論技術(shù)。地鐵設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)是多專業(yè)協(xié)同的過程，有效降低地鐵環(huán)控系統(tǒng)能耗,需要從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)營(yíng)各階段各專業(yè)緊密協(xié)調(diào)配合，以實(shí)現(xiàn)全壽命周期綠色交通。