浅析上海某地铁车站环控系统的节能措施研究

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摘要: 通过对某地铁车站空调通风系统设计方案的研究，现场测试，分析环控系统能耗较大的原因，提出变风量的解决方案。同时对实现变风量方案的两种途径进行对比，确定变频节能效果较好。提出采用变风量系统在地铁车站的应用前景，和控制模式，以及节能效果。

关键词：地铁车站公共区传统定风量通风系统变风量系统控制方法

中图分类号：U231+.4文献标识码： A

0 研究背景

地铁现已成为上海出行的主要交通工具。地铁通风空调系统则是地下车站及相应区间隧道内温度、湿度、风速、噪声和空气质量进行全面控制，以保证乘客安全和舒适，提供满足设备管理用房要求的温度、湿度和噪声；维持乘务人员安全、舒适的工作环境，所以地铁通风空调系统的优化设计尤其重要。

对于通风空调这个用能大户来说，特别是通风设备全年运行，并且上海一年中长达5~6个月的制冷运行时间，也必然要求在使用和功能满足要求的前提下，深入研究如何实现节约能源，降低运营成本，为更多的地铁车站的节能设计提供依据。

1 上海传统地铁车站通风系统现状

地铁的通风空调系统的任务是控制和调节地铁内环境，保证地铁内空气的质量和温湿度等参数在一个合理的范围内，满足人员及设备的舒适性和安全要求，已经成为地铁系统中一个必不可少的子系统。但是空调的能耗问题也摆在我们的面前，让我们不可回避。在现有的地铁线路的实际耗能统计中，通风空调系统的水冷机组、空调机组、通风机组装机容量大，运行耗能巨大，达到了地铁总能耗约50%左右。虽然近年来上海所设计空调系统均采用屏蔽门系统，空调季节的冷负荷有所降低，但在地铁运营中所占的比例仍然相当可观，那我们从空调系统本身寻找原因，从传统的定风量空调系统出发，寻找是否有更好的方法可以进一步降低能耗呢？

屏蔽门地铁通风空调系统包括区间隧道通风系统、站台轨行区排热系统、车站公共区通风空调系统（简称“大系统”)、车站设备管理用房通风空调系统、空调水系统。

上海地铁标准车站效果图：

每个部分都需考虑节能降耗的可能。这里我们主要研究车站公共区通风空调系统（简称“大系统”)的节能措施。那我们首先就要从源头上找到空调系统能耗较大的根源。

2地铁某典型车站公共区通风系统的传统设计方案

公共区通风系统的原理图如下:

地铁车站剖面图如下

室外计算参数:

地下车站公共区：夏季空调室外计算干球温度：31.9 ℃

夏季空调室外计算湿球温度：27 ℃ 夏季通风室外计算干球温度：32 ℃

地铁内部设计参数：

站厅夏季空调设计参数： 干球温度≤30℃相对湿度45% ～ 70%

站台夏季空调设计参数： 干球温度≤28℃相对湿度45% ～ 70%

新风量标准

车站公共区：空调季每位乘客新风量≥20m3/h，且总新风量不小于空调送风量的10%，通风季每位乘客新风量为30m3/h，且总通风量大于5次/h换气。

设计方法和计算结果：

车站公共区的站厅和站台层共用一套空调系统。但是站厅和站台的室内设计参数要求不同，通过计算站厅和站台的热湿负荷，分别计算出站厅和站台的热湿比，通过试算，得出室内状态点和设计过程中的各状态参数

大系统处理过程状态点

站厅回风N1 站台回风N2 混合回风N0 室外新风W 新回风混合C 表冷器出风L1 机组出风L

干球温度 29.96 27.91 28.47 31.9 29.56 21 21.8

相对湿度 63.7 64.32 66.51 65.68 66.67 92 87.58

车站公共区空调处理过程焓湿图示意：

车站公共区设计计算结果：

站厅空调风量：66446 m3/h；站台空调风量：63600 m3/h

计算空调冷负荷：655kw；空调新风量：31844 m3/h

站厅/站台排烟风量：84780/ 72240 m3/h（通过排热风机辅助排烟，来保证楼梯口1.5m/s风速）

3地铁典型车站公共区传统通风系统的测试

3.1测试方法

选取定风量系统典型车站，与车站运营人员一起合作，对其公共区站厅和站台的温度进行测试。

该车站为岛式站台，测试选择高峰小时（7：00—9：00，16：00-18：00）和非高峰时段进行测试，平均每半小时测试一次，测试结果取平均值。测点布置如下：

站厅公共区测点位置布置

站台公共区测点位置布置

3.2该典型车站传统通风系统的测试结果

典型车站的高峰时段测试结果如下：

结果：高峰时段站厅平均温度在28.9℃，而站台平均温度在26.8 ℃

典型车站的非高峰时段测试结果如下：

结果：非高峰时段站厅平均温度在26.9℃，而站台平均温度在24.9 ℃

对站厅层高峰时段和非高峰时段的温度进行比较，如图

对站台层高峰时段和非高峰时段的温度进行比较，如图：

我们发现，非高峰时段的温度比高峰时段明显偏低，有时观察到在非高峰时段，乘客进入地铁站台层后，会拿出自备的衣物披在身上，以防止地铁车站内外温差过大造成感冒。

3.3 测试结果分析

虽然我们做的测试只是针对一个典型车站，不具有完全代表性，不能代表所有车站的现状。但是我们通过上面两个时段的站厅站台温度的图表以及两个时段温度的比较，可以清楚的看出，在高峰时段的温度比非高峰时段的温度明显要高一些。

为什么高峰时段和非高峰时段的站厅和站台会有如此差异呢？

1）对于地铁通风空调系统，空调冷量和风量的大小主要取决于地铁的客流量和列车通过能力。在不同的时期，这些指标是不同的，实际负荷会发生变化，但空调系统的容量却是按综合最大负荷确定的。即早高峰时段客流较大，列车运行班次密集，空调冷负荷较大，按照《城市轨道交通设计规范》要求，夏季站厅空调设计温度比室外计算干球温度低2~3℃，且不应超过30℃，相对湿度45% ～ 70%之间 ，夏季站台空调设计温度比站厅设计温度低1~2℃，相对湿度在45% ～ 70%之间。在早高峰阶段温度设计能满足室内环境控制要求。而在非高峰时段，客流较小，列车班次几乎减少到高峰时段的一半，而通风空调设备目前却基本上是一次安装完成，所采用的全空气空调系统一般为定风量形式，其风量无法任意调节。而实际运行中，非高峰时段在整个运行过程中，所占的时间比重较高峰时段要多很多，这样就导致在非高峰时段，空调还是按照高峰时段的设计风量运行，风机消耗功率不变，造成浪费。显然当负荷变化时，若通风空调系统能根据实际负荷的大小调整冷量和送风量，就能做到最大程度的节能。

2）我们可以通过客流预测和列车运行情况进行分析。在做通风系统设计的时候的客流预测，上海某条地铁线路早高峰单向断面客流量在初期2015年为3.05万人次，近期2022年3.35万人次，运期客流2037年4.29万人次；晚高峰单向断面客流量在初期2015年为3.10万人次，近期2022年3.74万人次，运期客流2037年4.43万人次，最小行车间距也将由2015年的3分钟缩短到2037年的2分钟，运行列车数量增加。在这里我们知道地铁是百年大计，地铁运行的设计必须按照远期设计，否则没办法满足远期需求。而在我们的实际空调设计中，也必须按照远期客流人数和列车对数计算，这样在我们的设计参数的情况和目前实际运行存在时间差。通过数据我们也能看出，远期客流几乎是近期高峰客流的1.4倍。这必然导致空调系统负荷量计算的偏大，空调机组和回排风机的选型偏大，而实际需求的冷负荷和风量并没有设计量那么大。所以在通风空调系统的设计和运行中，需要寻找一个合理的节能方案。

4 解决方案分析

4.1 变风量系统的原理

热平衡方程式：

Q——换热量（kW）ρ——空气密度（kg/m3）V——风量（ m3/s ）h1——送风焓值（ kJ/kg）h2——回风焓值（ kJ/kg ）

当公共区热负荷减少，室内的状态仍要求保持“暂时舒适”的状态即可，即保持室内空气状态参数不变就可以了。送回风保存8~10度温差，送回风焓值差不变。我们可以看到，通过风量的减少，可以保证其他参数不变，而适应公共区内的冷负荷减少。

4.2变风量调节有两种方法

1) 阀门调节

阀门调节原理就是改变阀门开度，通常是减小阀门开度，增加管路阻力，降低实际送风量，风机的性能曲线并未改变，只是改变运行工况点的位置，如图1。假设空调房间要求保持正压为P0，则管路特性曲线可以表示为：

P= P0+SQ2…………(1)

式中：P--风机出口全压（Pa） P0--空调房间正压（Pa）

S--管路特性系数 Q--管路风量（m3/s）

当送风风道阀门依次从全开调节至全闭，管路特性系数S变大，管路特性曲线上翘变陡，风量慢慢变小，见图1：当管路特性曲线从1变到2，风机运行点从A到B，A点运行时，风机的轴功率与Q1A P1O所包容的面积成正比，同样，B点运行时，轴功率与Q2B P2O所包容的面积成正比，由图可知，两个工况点所包容的面积变化不大，故风量减小时，轴功率减小不明显。克服管道阻力消耗的功率增加了，没有起到节能的作用。

2）变频调节

变频调节风系统风量是通过变频器改变风机电机输入交流电源的频率，改变电机转速，从而改变风机送风量，是调节流量的最好手段[2]。当电源频率从f1降到f2时，电机转速从n1降到n2，有： n1/ n2= f1/f2…………（2）

变频调节方法只是偏移风机运行性能曲线，管路阻力特性未变，风机运行效率不变，如图2。由通风机相似定律有：n1/ n2= Q1/ Q2……………（3）

由（2）和（3）式得f1/f2= Q1/Q2，在开式系统中，由式（1）有

P1=P0+SQ12 P2=P0+SQ22

由此得频率、风量、风压、轴功率之间的关系：

f1/f2=Q1/ Q2=(P1-P0)1/2/(P2-P0)1/2………(4)

N1/N2=(P0+SQ12)Q1/(P0+SQ22)Q2………(5)

式中：n1 ，n2 --电机转速（r/min）f1 ，f2--交流电源频率（Hz）

P1 ，P2--风机出口全压（Pa） N1 ，N2--风机轴功率（W）

由式（5）知，当P0=0时，风量Q和轴功率N成三次方关系，当P0>0，风量Q和轴功率N不成三次方关系。但即使Q和轴功率N不成三次方关系，风量减小时，见图2，工况点与坐标轴所包含的面积减少非常明显，可见变频调节的节能效果比较明显，能起到节能降耗的作用。

故我们这里的变风量系统主要指研究增加变频器后的变风量调节。

5 变风量系统在地铁某典型车站的应用及控制方法分析

空调风机用于将经过空气处理设备处理后的空气送入车站站厅、站台。回排风机将车站站厅、站台的空气一部分排出车站，一部分送入混风室，经空调箱处理后送回车站。空调风机和回排风机共同作用于车站站厅、站台环境，因此控制上空调风机和回排风机保持一致。故考虑引入变风量系统，空调风机和回排风机均考虑增加变频器。

同时采用变频设计，可以将回排风机和排烟风机合二为一，该车站可以减少四台排烟风机，大大节约了机房面积，排烟时工频运行时，正常状态下变频运行。

根据上面典型车站的计算结果，设备选型如下：

设备编号 名称 型号及规格 单位 数量 备注

KT-I1，I2

KT-II1，II2 组合式空调机组 L=35000m3/h H=1200Pa ，余压Hy=810Pa P=22Kw, Q=171KW 台 4 I为左端，II为右端。配变频器

HPF-I1，I2

HPF-II1，II2 回排风/排烟风机 L= 45598 m3/h H= 1161Pa P= 22 Kw（工频最大排风量= 32511 m3/h），（排烟量＝39225 m3/h） 台 4 耐温280℃，0.5h。配变频器

KXF-I1，I2

KXF-II1，II2 小新风机 L= 8121 m3/h H= 325 Pa P= 1.5 Kw 台 4 I为左端，II为右端机房

通过上面的分析，我们在工程实践中可以通过BAS系统进行控制操作：

组合式空调机组变频调节方法：在空调季节，根据公共区回风温度的变化，调节空调机组的频率以调节送风量。公共区回风温度降低时，说明公共区冷负荷减少，频率降低以减小空调送风量，最低可以降低到25HZ；公共区回风温度升高时，说明公共区冷负荷增加，组合式空调机组的频率提高以增大风量，直至增加到工频（50HZ）。非空调季节，全天变频为25HZ运行。

回排风机变频调节方法：回排风机为排风/兼排烟风机，其工频（50HZ）运行时为排烟工况，用于回排风工况时，基准频率为37.5HZ。运行过程中，回排风机以基准频率为基础，根据组空的频率变化进行等比例调节。

例如:回排风机基准频率为37.5HZ，当组空频率由50HZ变频为35HZ时，则回排风机变频为 26.25HZ （ 37.5*35/50=26.25HZ）。

非空调季节，全天均变频为基准频率的50%运行。最终确定的基础频率经调试确定。

通过以上方法可以大大降低空调能耗，同时保证车站公共区的舒适度。

6 结论

我们对一个典型车站的设计方案进行分析，并通过对传统定风量系统进行现场测试，发现车站公共区高峰时段和非高峰时段的室内状态温度存在较大温差，根据地铁的设计要求和环境特性，分析了地铁车站环境状态变化的原因。并且分析了变风量系统在地铁车站公共区应用的可行性，以及应用中的控制要求。通过BAS系统来完成风量的调节，达到降低风机功率、节能降耗、同时节约设备机房面积的目的。

当然，我们目前考虑的设计方案可能仍有不足之处，需要在进一步的实践当中不断的摸索，发现问题，解决问题，最终实现地铁车站环控系统高效节能的目标。

参考文献：

施仲衡地下铁道设计与施工陕西科学技术出版社1997

陆耀庆实用供热空调设计手册 中国建筑工业出版社2008

地铁设计规范 GB50157-2003