軌道交通通風空調系統能耗影響因素及優化分析

袁浩鵬

廈門軌道交通集團有限公司（361000）

0 前言

空調的概念和方法是由美國開利博士系統地提出的，所以室內濕熱環境建設的理論和工程實踐已有100 多年的歷史。 在任何自然環境中，人類都能準確、 穩定地實現任何建筑所需的各種濕熱環境，發展出系統的分析方法、設計方法、設備系列產品和成熟的生產線管理方法。 同時，這些器件也帶來了巨大的能量消耗。在城市軌道交通地下車站通風空調領域，能耗問題更為突出。 當今社會軌道交通網絡規模越來越大，全國軌道交通的總耗電量也在持續增長，因此社會各界越來越關注地鐵運行能耗。城市軌道交通中主要能源消耗來自于車站通風空調系統及牽引供電系統，其中的通風空調系統耗電量占全年用電量的37%， 而在空調季可高達54%。 因此，對于整個軌道交通車站的節能來說，降低通風空調系統的能耗具有十分重要的意義。

1 通風空調系統能耗影響因素

地鐵的通風空調系統一般分為4 個子系統，即公共區域系統（大系統）、隧道通風系統、空調冷源系統和設備輔助住宅系統（小系統）[1]。 地鐵站空調能耗主要來自火車制動冷卻、人員和火車空調冷卻、室外空氣滲透冷卻、設備冷卻和通風空調設備自身能耗5 個部分。

1.1 列車制動散熱量

列車在運行中需要減速、停車，減速和停車都要相應的制動力才能成功，而制動力則需要一定的能量，大量的能量集聚最終會反饋到電網上，剩余的能量一部分被儲能裝置吸收，另一部分被固定安裝的電阻逐漸轉化為熱能，最終被消耗。 當儲能裝置無法吸收多余能量時，這些能量仍然會被轉化為熱量，最終這些熱量就需要由隧道通風系統排出。

1.2 人員及列車空調散熱量

車站的主要負荷為人員散熱站，車站值班員的制冷量在考慮車站值班員自身制冷量的同時，新風負荷也需要被考慮到。 列車車廂內都有空調與制冷機（車載空調），并承擔著散熱的負荷。 空調在工作時會產生大量的熱量，其冷凝器會將熱量傳播到通道之上[2]。

1.3 建筑規模、出入口及室外空氣滲透耗熱量

無論是建筑形態還是規模都會影響空調的能耗。 如果建筑面積和空間面積太大，形式太復雜，空調系統的能耗和基本熱負荷就會增加。 建筑截面過大，出入口多，通風空調的能耗在一定程度上會有所增加。 站臺屏蔽門雖然可減少隧道活塞風對公共區的影響，但由于屏蔽門存在漏風，仍要考慮負壓情況下空氣通過出入口進入車站產生的負荷。

1.4 設備散熱量

車站內部的通信系統、信號系統、電扶梯系統、導向標志系統、高低壓配電系統、廣告、AFC 系統設備，運行時都會產生一定的散熱量。 這些系統放出的熱量主要集中在設備管理用的房間，通過通風空調系統排出。

1.5 空調系統自身耗能

以一個標準車站為例，通風空調4 個子系統設備裝機容量約1 200 kW，其本身也會消耗很大的能耗。 空調系統主要包括冷熱源及末端設備，通風系統主要包括隧道風機等各類風機設備[3]。 此外，通風空調的運行模式也會影響通風空調系統能耗，運行模式需要根據車站客流量及季節來確定。

2 通風空調系統能耗優化方案

2.1 設計階段

2.1.1 對列車制動散熱進行優化

根據佟麗華[4]研究成果，列車在啟動和制動過程中發熱量利用下式計算：

其中，Q——列車發熱量，W；I——列車啟動時平均電流，A；t——列車從靜止到啟動的時間，s；m1——列車的質量，kg；m2——列車上乘客的質量，kg；v——列車運行速度，m/s。

由于地鐵區間隧道斷面小，列車牽引能耗70%左右的電能直接轉化為熱能，散發至隧道內。 列車運行時，需要隧道通風系統將列車制動產生的熱量排出，因此要對列車制動散熱進行優化降低制動所產生的能耗， 通過能量回收裝置回收利用的方式，不僅能夠減少通風系統排熱能耗，還能夠有效降低牽引供電系統的能耗。

2.1.2 優化列車空調耗能及人員耗能

不管是車載的空調系統還是車站空調系統，其啟動、監控及運行過程控制，都是通過設定的控制邏輯來進行自動控制的。 在制訂運行平峰時段、高峰時段的節能模式及效率模式時，需要充分結合客流量在1 d 當中的變化特點來確定。 不僅如此，隧道排熱風機的風量也需隨著行車模式的改變而作出相應的調整。

2.1.3 對建筑規模、出入口及室外空氣滲透耗熱量進行優化

在設計階段，需要根據建筑、通風、空調合理確定地鐵站大小，最大限度地縮小建筑物的尺寸，消除過于復雜的建筑物形態。 主入口不適合過多的入口和出口，該部分也不適合過大的建筑物形狀。 通過適當提高輸入和輸出的通風阻力，可以提高容量和減少損失。

2.1.4 對設備能耗進行優化

無論是設備的熱輸出還是設備管理室的熱輸出， 小型通風空調系統必須承受相應的冷空氣負荷，這就需要對模塊和設備進行最佳選擇。 低熱量，選擇低功耗器件。 高導電性的導體和銅電纜可減少傳輸中的熱量和功率消耗。

2.1.5 對通風空調設備能耗進行優化

該站的通風系統與傳統的隧道通風系統有機結合，在通風空調機和隧道風扇等空間中引入了新的空調系統。 該系統通常根據空氣的數量運行， 減少了系統的電阻，大幅度減少了能源消耗，而且操作成本低于以前的系統。

根據地鐵車站空調系統的特點，大多數時間，空調系統是在設計負荷的工況下運行的。 此外，負荷隨客流量的變化而變化。 為了節省運行成本，可以根據系統要求的實際流量調整泵速。

根據控制散熱器外部溫度的方法，當室外空氣的娛樂值大于該站隧道的值時，可以停止操作，通過比較室外空氣回流的娛樂值和室外空氣溫度，可以分析和調整系統的大規模空調操作。

2.2 運營階段

作為業務服務質量保證的一部分，應積極評估節能情況，建立健全節能管理系統，更好地管理和監督，并最終開發更系統和更先進的節能管理和評估系統。 可以構建一個在線診斷系統和一個空調能量管理系統，通過合理的監測和快速的調整，空調系統的操作可以不斷地優化。 對新技術不斷展開研究與應用，將那些需要較高耗能的設備及工藝逐漸淘汰掉。 不斷維護和管理空調系統，及時清洗換熱器、過濾網，及時維修調節閥，以免因設備老舊而增加能耗。

3 結論及建議

通過分析影響地鐵通風空調系統能耗的因素可以發現，列車制動散熱量、人員及列車空調散熱量、建筑規模、出入口及室外空氣滲透耗熱量、設備散熱量及空調系統自身耗能都是影響通風空調能耗的因素。 充分認識地鐵能耗因素是作好節能控制的第一步。 地鐵的設計和運營階段是需要多重密切協作的過程，為了有效地減少能源消耗，必須從設計階段到建筑和運營階段密切合作。