地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能探討

朱德斌

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 引言

近幾年我國(guó)各地城市開始修建地鐵，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為城市軌道交通工程提供舒適、安全的環(huán)境，但其能耗水平卻占整個(gè)地鐵用電負(fù)荷的 40%[1]，本文從設(shè)計(jì)角度究其能耗高的原因，可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

①業(yè)主在地鐵建設(shè)中占據(jù)重要作用，一切都得照章辦事，追求的是穩(wěn)，這看似與節(jié)能無關(guān)，實(shí)則關(guān)系大矣，“照以前的做”、“進(jìn)一步研究”是經(jīng)常聽到業(yè)主們說的話。

②能參與地鐵設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)院較少，而且設(shè)計(jì)的工作量大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員基本上沒時(shí)間思考創(chuàng)新，只能一味的按國(guó)內(nèi)常規(guī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

③地鐵設(shè)計(jì)的周期長(zhǎng)，需要召開各種專家評(píng)審會(huì)，然而專家意見不同，最終也會(huì)導(dǎo)致地鐵的設(shè)計(jì)取常規(guī)做法。

④施工單位為保證通車時(shí)間，經(jīng)常趕工，導(dǎo)致施工質(zhì)量參差不齊。

因此，為打破地鐵運(yùn)營(yíng)中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗高的特點(diǎn)，需要某些城市率先打破常規(guī)，采用新技術(shù)，這對(duì)地鐵經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行具有重要意義，本文提出在公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中具有節(jié)能意義的幾種方案。

1 公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)方案

如圖1，公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)全空 氣系統(tǒng)，雙端送風(fēng)，A、B 端機(jī)房設(shè)于兩端。系統(tǒng)的主要設(shè)備有小新風(fēng)機(jī)，回排風(fēng)機(jī)，排煙風(fēng)機(jī)，組合式空調(diào)器以及相應(yīng)的控制風(fēng)閥。當(dāng)空調(diào)季節(jié)室外新風(fēng)焓值大于車站回風(fēng)點(diǎn)焓值時(shí)，采用空調(diào)新風(fēng)運(yùn)行，全新風(fēng)風(fēng)閥關(guān)閉，排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)風(fēng)閥關(guān)閉，回風(fēng)風(fēng)閥打開，回風(fēng)與小新風(fēng)在組合式空調(diào)器的混合段混合，經(jīng)處理后送入站廳站臺(tái)。當(dāng)室外新風(fēng)焓值小于車站回風(fēng)混合點(diǎn)焓值且其溫度大于空調(diào)送風(fēng)點(diǎn)溫度時(shí)采用空調(diào)全新風(fēng)運(yùn)行，此時(shí)小新風(fēng)機(jī)關(guān)閉，全新風(fēng)風(fēng)閥打開，回排風(fēng)機(jī)的回風(fēng)風(fēng)閥關(guān)閉，排風(fēng)風(fēng)閥打開，回風(fēng)經(jīng)回排風(fēng)機(jī)直接排到排風(fēng)道，室外新風(fēng)經(jīng)組合式空調(diào)器處理后送至站廳站臺(tái)。當(dāng)室外新風(fēng)溫度小于空調(diào)送風(fēng)點(diǎn)溫度時(shí)，室外新風(fēng)不經(jīng)冷卻處理，利用組合式空調(diào)器直接送入車站公共區(qū)。車站的小新風(fēng)機(jī)、回排風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)器、排煙風(fēng)機(jī)分別設(shè)于A、B 端站廳層的環(huán)控機(jī)房?jī)?nèi)。

圖1 公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)圖

2 公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案探討

2.1 采用雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

由于地鐵站埋于地下，空調(diào)負(fù)荷受太陽(yáng)輻射的影響不大，可忽略不計(jì)，因此空調(diào)負(fù)荷主要包括人員，設(shè)備散熱，區(qū)間及出入口熱滲透，新風(fēng)等所形成的負(fù)荷。其中新風(fēng)負(fù)荷占比較大，如圖 2，一般占到空調(diào)總負(fù)荷的 1/3 以上，且夏季新風(fēng)的焓值高于室內(nèi)焓值，因此，只要室內(nèi)衛(wèi)生條件允許，應(yīng)使新風(fēng)比盡量達(dá)到最小，從而降低空調(diào)能耗。

圖2 計(jì)算新風(fēng)負(fù)荷占空調(diào)負(fù)荷比例

GB/T 51357-2019 《城市軌道交通通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)與供暖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（下文簡(jiǎn)稱規(guī)范）第3.1.7 條規(guī)定當(dāng)?shù)叵萝囌竟矃^(qū)采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)乘客的新風(fēng)量不應(yīng)少于 12.6 m3/h,且系統(tǒng)的新風(fēng)量不應(yīng)少于總送風(fēng)量的10%。需要強(qiáng)調(diào)的是，新風(fēng)量指的是實(shí)際進(jìn)入公共區(qū)的總新風(fēng)量，即包括由空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)機(jī)械送入的部分以及在活塞風(fēng)壓及室外風(fēng)壓作用下由出入口、風(fēng)亭等外界侵入部分，然而在設(shè)計(jì)中往往以機(jī)械送入的新風(fēng)量來滿足規(guī)范要求，因此實(shí)際新風(fēng)量往往比理論計(jì)算值要大很多。也有相關(guān)研究表明，出入口、風(fēng)亭等外界侵入的新風(fēng)量遠(yuǎn)大于客流所需的新風(fēng)量[3]，規(guī)范 4.3.10 指出車站公共區(qū)的全空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)采用設(shè)置風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)的變風(fēng)量系統(tǒng)，宜設(shè)置空氣調(diào)節(jié)回排風(fēng)機(jī)，應(yīng)滿足全新風(fēng)運(yùn)行的條件，并非需要設(shè)置小新風(fēng)機(jī)，綜上所述，公共區(qū)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可取消小新風(fēng)機(jī)，采用雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，已降低能耗。

2.2 采用變風(fēng)道組合式空調(diào)器

由于在過渡季節(jié)新風(fēng)不需要經(jīng)過冷卻處理，組合式空調(diào)機(jī)組中表冷器、過濾網(wǎng)等就成為通風(fēng)管路上不必要的阻力件，為解決此問題，可采用變風(fēng)道組合式空調(diào)器，如圖3、4，當(dāng)在空調(diào)工況時(shí)，內(nèi)置風(fēng)閥關(guān)閉，新風(fēng)與回風(fēng)混合后經(jīng)過換熱器進(jìn)行熱交換后送入室內(nèi)。在過渡季節(jié)可利用全新風(fēng)制冷時(shí)，內(nèi)置風(fēng)閥打開，從而減小組合式空調(diào)器的內(nèi)部阻力，降低了風(fēng)機(jī)的能耗，同時(shí)也能延長(zhǎng)換熱器的使用壽命。有研究表明，采用變風(fēng)道組合式空調(diào)器在過渡季節(jié)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)器內(nèi)部阻力可減少約100Pa 阻力，從而可減少空調(diào)器配電功率約 10%功耗[4]。經(jīng)與廠家咨詢，國(guó)內(nèi)一線空調(diào)品牌廠家均可以生產(chǎn)變風(fēng)道組合式空調(diào)器，且尺寸與傳統(tǒng)空調(diào)器的相差不會(huì)很大，并不會(huì)因此增大環(huán)控機(jī)房的面積，因此，變風(fēng)道組合式空調(diào)器在地鐵公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)施性很大。

圖3 空調(diào)工況下氣流走向

圖4 全新風(fēng)工況下氣流走向

2.3 采用空氣-水系統(tǒng)

目前該市地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)均采用全空氣系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于過渡季節(jié)可以全空氣運(yùn)行，具有一定的節(jié)能效果。但全空氣系統(tǒng)也存在一些不可避免的缺點(diǎn)：①空氣質(zhì)量比熱容遠(yuǎn)小于水的，輸送相同能量時(shí)輸配能耗要大。②空氣在環(huán)控機(jī)房?jī)?nèi)集中處理，輸送管路長(zhǎng)，閥件多，導(dǎo)致阻力大，風(fēng)機(jī)能耗大。③全空氣系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少，單臺(tái)設(shè)備容量大，不便根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況靈活組合，只能靠變頻運(yùn)行來調(diào)節(jié)風(fēng)量，節(jié)能性不高，且當(dāng)一臺(tái)組合式空調(diào)器失效，對(duì)車站制冷能力影響較大。④風(fēng)管施工量大，施工質(zhì)量會(huì)影響漏風(fēng)率，造成能源的浪費(fèi)。⑤風(fēng)道與機(jī)房占用空間大，會(huì)給地鐵車站管線綜合造成較大壓力，經(jīng)常會(huì)避讓其它管線導(dǎo)致無形中增加多個(gè)來回彎頭，也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的壓頭增大。⑥由于冷水機(jī)組一般放置于車站的一端，冷量輸送到另一端的組合式空調(diào)機(jī)組后再由機(jī)組送到公共區(qū)，無形中增加了冷量輸送的路徑，造成能源不必要的損耗。

圖5 空氣-水系統(tǒng)在地鐵公共區(qū)的應(yīng)用

若采用空氣-水系統(tǒng)，如圖 5 所示，車站的風(fēng)道、機(jī)房面積可減小，一方面可以降低地鐵投資成本，另一方面公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)由空氣與水共同承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，且冷量直接由一端的冷水機(jī)組直接輸送到公共區(qū)末端，不像全空氣系統(tǒng)存在冷量輸送路勁的折返，可降低輸送能耗。需要解決的問題是空氣-水系統(tǒng)在過渡季節(jié)不能很好的利用室外新風(fēng)。但從圖 1 所示，地鐵工程中的排煙系統(tǒng)是必不可少的，地鐵工程線路，車站及相鄰區(qū)間按同一時(shí)間發(fā)生一次火災(zāi)考慮，且站廳、站臺(tái)公共區(qū)面積一般均不大于 2000 m2，計(jì)算出來A、B 端每臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)的排煙量與回排風(fēng)機(jī)相當(dāng)，因此過渡季節(jié)時(shí)完全可以考慮開啟公共區(qū)的排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣。

3 結(jié)論

常規(guī)公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性不佳，提出取消小新風(fēng)機(jī)，采用變風(fēng)道空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，且方案不會(huì)對(duì)地鐵投資及施工方面造成影響，具有一定的節(jié)能意義，工程可實(shí)施性強(qiáng)。

采用空氣-水系統(tǒng)，可減少地鐵土建投資，能源利用率高，可預(yù)見節(jié)能性能明顯，為地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能改造項(xiàng)目提供一定的參考及借鑒。