地铁通风空调系统智能化控制与节能研究

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【摘要】地铁的快捷和方便，使得其成为我国大型城市解决日益紧张的交通问题的主要方式。目前，我国各大城市都在积极发展地铁项目，为城市的迅速发展解决交通问题。地铁系统的日常运行，需要消耗大量的能源，而通风空调系统在地铁的日常运行中，其能源消耗占到地铁系统总能源消耗的40％以上。本文介绍了地铁车站通风空调系统的组成、原理、特征等，指出了常规的地铁通风空调系统控制方案的不足之处，提出了更为优化的控制模型。本文提出采用智能化控制地铁通风空调系统设备运行的观点，根据负荷的变化，实时控制系统设备的运行，节约运行费用，降低系统能耗。给出了地铁车站通风空调系统节能优化控制思路，提出了一种优化控制方案。

【关键词】地铁通风空调系统；智能化控制；节能

一、引言

地铁运营的直接成本近40％是电费，而其中50％是环控系统消耗，因此环控系统的节能尤为重要。而传统的地铁空调通风系统中的大型风机、空调箱、水泵等设备，采用单一的固定频率运行，不能根据地铁车站负荷的变化进行自动调节，耗费了大量的能源。因此，如何采用先进的技术对空调通风系统中的大型风机、空调箱、水泵等设备进行智能控制，有效地降低地铁空调通风系统的运行成本，成为地铁节能领域的一个重要的课题。同时地铁车站通风空调系统能耗约占整个地铁车站能耗的50％以上，因而减少通风空调系统能耗对地铁车站节能十分重要。根据地铁空调负荷的变化特点，对地铁通风空调系统风机采用变频节能技术进行了研究。

二、有关地铁通风空调系统的相关概念

1、地铁空调系统概念

所谓的地铁空调系统主要用于控制地下空间中空气的温度、湿度、空气质量以及空气的流速。在正常运行期间，提供舒适的人工环境，满足顾客以及乘务人员的生理以及心理需求；当列车停留在隧道时，为区间提供通风，短时间内为车厢提供可接受的环境，确保列车正常运行。同时地铁空调系统能提供必要的空气温度、湿度与洁净度，保持地铁设备的正常运转[1]。

2、地铁通风空调系统组成

地铁车站通风空调系统由大系统、小系统和水系统构成，三部分组成一个有机的整体，共同作用完成车站环境参数的自动调节。大系统和小系统负责车站公共区和设备管理用房的通风、排风以及车站温湿度的控制等。水系统为车站空调系统提供冷源，使组合空调机组完成热交换过程，从而实现地铁车站温度调节。

3、地铁通风空调系统原理

在地铁运营时，空调新风机负责向站内输送新风；回排风机负责站内排风；组合空调机组兼具送风和制冷两个方面的功能。组合空调通过冷冻水回路和空调水系统相连，将制冷后带有设备热负荷的冷冻水通过冷冻泵输送到空调水系统的冷水机组，冷水机组通过热交换将冷冻水热量转移到冷却水，通过冷却水回路和冷却塔将热量排放到大气中。同时冷水机组将热交换后形成的冷源(不带热负荷的冷冻水)回馈到空调机组以便站内制冷。

另外，地铁列车在进站、停站、出站时都会产生大量的热量，这些热量不仅对列车车体造成损害，也会使隧道内的温度升高而危及隧道设备的安全，隧道通风系统利用列车运行时产生的活塞风和站台下或轨道顶的排热风机将这部分热量排出。

4、对地铁通风空调系统的要求

地铁环境的特点决定了地铁通风空调系统必须满足以下要求[2]：列车正常运行情况下排除余热余湿，为乘客创造一个往返于地面街道至地铁列车内的过渡性热舒适环境。对列车各种设备和管理用房按工艺和功能要求提供一定的温度、湿度条件及舒适性条件或通风换气次数。列车阻塞在区间隧道时，向阻塞区间提供一定送风量，保证列车空调冷凝器正常工作，维持车厢内乘客能接受的热环境。当发生火灾事故时，提供迅速有效的排烟手段，向乘客提供必要的新风量，形成一定的迎面风速，引导乘客安全迅速撤离。

三、地铁通风空调系统节能的重要性

随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，大中城市交通阻塞情况也日益严峻，地面交通的发展已远远不能满足人们的需要。地铁作为一种迅速、快捷的地下交通方式，可以有效地缓解地面交通压力、降低地面噪声、减少城市

污染，带来显著的社会效益和经济效益。因而它已成为各国缓解城市交通压力、降低环境污染的首选交通工具[3]。随着世界城市地铁的迅速发展，地铁环境控制问题也愈来愈引起人们的关注。地铁列车的运动引起的活塞风使车站通道和站台上的乘客要忍受较高风速的干扰。列车产生的大量散热以及客流量增高使地铁内温度逐年升高。单纯依靠地铁活塞风的自然通风和隧道土壤的蓄热来吸收热量已不能有效地达到排热目的，必须采用合适的通风空调方式和设备，将这些热量及时带走，以保证地铁内乘客的舒适和地铁的正常运营[4]。

四、新型智能化环控通风空调系统

本项目采用闭环负反馈的控制原理对车站公共区的温度、湿度进行自动调整与控制。首先，按环境控制的工艺要求，在站厅、站台的不同部位共安装了多套温湿度探测器，对其采集的数据加权平均后，作为车站公共区的环境温度、湿度的实测值；然后，将该实测值与设计的给定值进行比较，自动控制系统的控制器根据此实测值与给定值的比较结果，进行运算，并将运算的结果输出给变频器，动态调整电动二通阀的开度和风机电动机的输入电源频率，从而实现了对车站公共区的环境温度、湿度的自动控制，大大提高了设备的运行效率，减少电能的消耗，降低了地铁运营成本，节约了能源。

本项目采用流体相似性理论和现代控制理论中闭环负反馈的控制原理，通过变频调速实现地铁环控空调通风系统的低能耗、低噪音、低磨损、高效率的运行状态，能够根据地铁的客流量、室外的温度、湿度的变化情况，自动调整地铁环控空调通风系统中电动二通阀的开度和各种送风机、排风机的运行频率，在保证车站内所要求的温度、湿度、新风量和换气次数的情况下，全面实现最大限度的节能。为地铁车站空调通风设备提供了一个集计算机、软件、网络、控制、通信等技术为一体，并将信息、控制、机电设备进行深度集成的全自动智能化的中央监控管理系统。

五、地铁通风空调系统节能措施

1、集成系统。这种系统主要针对机房面积大、设备投资高的现象应运而生。该系统主要是整合现有的区间隧道通风系统以及车站通风空调系统，合二为一，构造成现实简单、功能齐全、造价低廉的地铁通风空调系统。此外还采用了自动清洗式空气过滤器等空气处理设备以及风机变频技术，确保系统功能的实现。

2、空气—水空调系统

目前的地铁通风空调系统一般采用全空气系统。该系统的弊端是风管、空调机房占用大量地下空间，导致土建成本增加；此外，集中处理过的空气在长距离的输送过程中输送效率较低，冷量损失较大。针对上述问题，北京城建设计研究总院提出了空气一水空调系统。如图1所示，该系统充分利用暗挖车站的结构特点，将风机盘管布置在拱形结构上部和站台一侧侧面的废弃空间内；空调冷水直接送入盘管，新风则通过专用风管送人车站。通风工况时，新风直接送人车站公共区；空调工况时，新风先与回风混合后再被送入风机盘管进行冷却处理，最后送入车站公共区。在此过程中，风机盘管的凝结水被引入行车隧道的排水明沟，通过蒸发冷却的方式来达到降低隧道温度的目的。

图1采用空气一水空调系统的车站断面

3、综合监控技术

近几年，环境与设备监控系统的成功应用，提高了地铁通风空调系统的运行质量。这种系统主要控制系统风量以及全年车站的温度等等参数以实现良好的节能效果。而且随着计算机应用技术以及电子通信技术的不断进步，这种系统实现了由独立结构系统向集成系统的转变。而且集成系统结构具有可操作性强、效率高的优点，更有助于空调系统的运营，有利于提高节能效益。

六、结束语

地铁的环境控制系统是暖通空调在特殊领域中的应用，地铁环境控制系统具有自身的特点，因此对地铁环境控制系统设计要遵循其特有的规律。地铁通风空调系统运行能耗是地铁总能耗的重要组成部分，合理设计地铁通风空调系统及优化运行，是地铁节能运行的关键。

参考文献

[1] 倪端. 地铁通风空调系统节能的探讨.

[2] GB 50157--2003，地铁设计规范[s]．

[3] 雷风行.中国地铁建设的概况及发展思路.世界隧道.1996,1:1-6.

[4] 冯炼.地铁网络系统环境控制数值模拟研究.【博士学位论文】，成都：西南交通大学，2001.3.

[5] 高波.李先庭.地铁通风空调系统节能的新进展. 暖通空调HV & Ac .2011,41(8).