【HVAC】地铁站空调系统节能潜力分析

我国地铁发展迅速，截至2015年3月25日，共有38个城市获批地铁项目，其中有32个城市已动工，至2020年预计将投入约2.5万亿元在地铁项目建设中。...



我国地铁发展迅速，截至2015年3月25日，共有38个城市获批地铁项目，其中有32个城市已动工，至2020年预计将投入约2.5万亿元在地铁项目建设中。通风空调系统是地铁环控系统的重要组成部分，其能耗占地铁总能耗的30％以上，占地铁车站能耗的70％以上，是整个地铁系统仅次于牵引供电的第二大耗能板块，因此有必要探讨其节能潜力。

　　1　地铁站室内环境要求的特殊性
1.1　温湿度要求低
从进站、候车到上车，乘客在车站仅停留3～5 min，为节约能源，只考虑保证乘客由地面进入车站有较凉快的感觉，满足“暂时舒适”即可。GB 50157—2013《地铁设计规范》对地铁站温湿度的要求为：当车站采用通风系统时，公共区夏季室内空气计算温度不宜高于室外空气计算温度5 ℃，且不应超过30 ℃；当车站采用空调系统时，站厅公共区的空气计算温度应低于空调室外空气计算干球温度2～3 ℃，且不应超过30 ℃，站台公共区的空气计算温度应低于站厅１～２ ℃，相对湿度均应为40％～70％；地下车站及区间隧道可不设供暖系统。可见地铁站温湿度要求略低于普通舒适性空调。

　　1.2　保障时间长
地铁从早晨到晚间一直处于运行状态，《城市轨道交通试运营基本条件》与《城市轨道交通运营管理规范》规定，城市轨道交通线路的全天运营时间不得少于15 h，运营期间，地铁站内的空气环境必须满足相关要求。

　　2　负荷分析及设计现状
地铁站通风空调系统的组成如图1所示，本文主要对车站通风空调系统进行分析。

　　2.1　负荷结构
由于屏蔽门的应用，活塞风给车站带来的额外通风量显著减少，列车发热量对车站空调负荷的影响也大大减小。地铁站深埋于地下，周围岩土的传热有利于降低空调负荷，太阳辐射对空调负荷的影响可忽略不计，因此负荷主要包括人员散热、设备散热（照明、广告灯箱、自动售检票设备、扶梯、电梯等）、区间与站台公共区的散热、出入口热渗透以及新风所形成的负荷。

　　2.2　负荷的变化特性
与客流量相关的负荷有人员散热负荷、新风负荷及部分设备负荷（如自动售检票设备、扶梯等）；与室外气温相关的负荷有新风负荷、出入口散热负荷。客流量近期与远期差别很大，近期的客流量仅为远期的30％～50％，且每天不同时段客流量不同，图2显示了某地铁站客流量在一天内的变化情况。室外气温也是不断变化的，图3显示了重庆最热月7月的气温变化情况。

　　2.3　设计现状及运行中存在的问题
空调系统按预测的远期客流量和最大通过能力进行设计，GB 50157—2013《地铁设计规范》要求空调系统设备宜按远期和近期配置，并宜分期实施。但在实施过程中，很多项目的做法是制冷主机分期实施，空调末端一次性配置齐全，有的项目甚至制冷主机也一次安装完成。目前，地铁空调风系统一般采用一次回风定风量系统，水系统形式为主机定流量、末端变流量。
近期负荷通常远小于远期负荷，此外，相关研究表明，由于长期运行，不断向周边岩土排热，岩土温度缓慢上升，会加大远期负荷。近期空调需求与系统供给能力严重不匹配，会产生两方面的问题：一是产生过冷现象，室内温度明显低于设计温度；二是设备长期低效运行，能耗高。

　　3　实例分析
3.1　工程简介
重庆某地下双层岛式车站，地下1层为站厅层，地下2层为站台层。埋深46.8 m，总建筑面积9 163.88 m2，出入口5个。采用屏蔽门系统，按远期2037年高峰小时客流量16 676人次/h进行设计，设计参数见表1，主要设备见表2。



1）服务于A端的电控室、配电室等；2）服务于B端的电控室、电池室、站长室等；3）服务于B端的变电所、高压柜室等。

　　3.2　运行现状
空调系统有3种运行模式，即空调季1、空调季2、通风季。空调季１是指小新风状态（室内所需最小新风量状态）；空调季２是指全新风状态；通风季是指关闭水系统，送排风机均开启的状态。5—10月运行空调季1，2模式，其余月份运行通风季模式。地铁运营时间为06：30—22：30，大系统运行时间为06：00—23：00，小系统在空调季有一半以上的时间每天24 h运行。
该项目运行至今，冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷水泵均只开启了1台，冷水出水温度设定为10 ℃，即使在8月的晚高峰，站台内的温度都在24 ℃以下，这表明设计容量远大于目前的需求量。系统内各环节设备的容量是相匹配的，目前冷水机组、水泵、冷却塔的供应能力通过减少运行台数，即分别只运行1台进行调控，但是对末端设备（空调机组、空调器、回排风机）却没有采用相应措施来降低其输出能力（按理应与水系统设备的输出能力相匹配）。应采取措施降低末端设备的输出能力，当然，此时的措施不是减少其运行台数，而是降低风机的运转频率。

　　3.3　节能运行措施
3.3.1　增设冷水泵变频器
增设冷水泵变频器，改为冷水机组变流量系统，不仅可以降低白天运行期间水泵的能耗，而且还可以显著降低夜间只有小系统运行时水泵的能耗。

3.3.2　按需供应新风
大系统增设小新风机变频器，在站厅和站台内设CO2浓度探测器，根据CO2的设定要求改变小新风机的运转频率，调节新风供应量。当运行模式为空调季1（小新风工况）时，一方面可以降低新风机自身能耗，另一方面可显著减少空调系统负荷，进而降低冷水机组和水泵能耗。

3.3.3　增设组合式空调器、回排风机变频器
组合式空调器、回排风机的输出能力相对于近期需求严重过剩，增设变频器，合理降低其运转频率，实现系统输出量与需求量的匹配。

3.3.4　改善空调季2运行模式
当进入空调季2（全新风工况）运行模式时，关闭回排风机，利用5个出入口（每个出入口面积在15 m2以上）进行自然排风，降低回排风机的运行能耗。

3.3.5　改善通风季运行模式
将通风季细分为过渡季和冬季，过渡季为10月中旬至11月中旬及3月初至5月初，冬季为11月下旬至３月初。过渡季开启回排风机排风，关闭大系统组合式空调器，利用地铁站5个出入口自然进风；冬季开启组合式空调器送风，关闭回排风机，利用5个出入口自然排风。冬季室外温度低，站内温度高于室外温度，利用出入口排风对乘客而言感觉更舒适。同时，根据控制CO2浓度和室内温度不超标所需风量的最大值调整风机的运转频率。

3.3.6　同时运行2台冷却塔
目前冷却塔只运行了1台，未充分利用2台冷却塔的散热散湿面积，调整控制策略，让2台冷却塔同时运行（冷水机组和水泵运行台数保持不变），降低冷却水温度，提高冷水机组能效。

3.3.7　增设在线清洗系统
增设一套水系统在线自动清洗系统，降低冷水机组能耗。

3.3.8　补设能量计量装置
补设空调系统的能量计量装置。

　　3.4　节能量与节能效益（详见原文）

　　4　结论
1）地铁站室内环境具有温湿度要求低、但保障时间长的特殊性。
2）地铁站空调总负荷中60％～70％的负荷是变化的，地铁站空调系统的供给能力相对于近期需求严重过剩，对冷水泵、小新风机、组合式空调器、回排风机增设变频器，节能效果显著，节能效益明显。
3）合理利用地铁站的几何空间特性，改善空调季2、通风季运行模式，充分利用自然排风、自然进风，可以明显降低环控系统能耗。
4）鉴于地铁站近期与远期负荷的巨大差异，设计时应按远期统一规划，冷源设备及水泵分期实施，水泵与末端空调设备均设变频器，先实施的冷源设备至少采用1台变频调速机组。‍

本文刊登于《暖通空调》2016年第4期，点击“阅读原文”可下载全文
作者：
中机中联工程有限公司　张华廷　田雪刚　向灵均

【近期会议活动】

5月24—25日 绿色建筑论坛
http://www.hvacjournal.cn/Item/5086.aspx

6月14—15日 科学实验室论坛
http://www.hvacjournal.cn/Item/5040.aspx

6月16—17日 医疗论坛
http://www.hvacjournal.cn/Item/4993.aspx

6月22日 数据中心论坛
http://www.hvacjournal.cn/Item/5056.aspx

7月28日 城市综合体论坛
http://www.hvacjournal.cn/Item/5111.aspx

7月 注考培训班

http://www.hvacjournal.cn/Item/4798.aspx

================

【关注“暖通空调”】
1、微信号搜索“hvac1971”或“暖通空调”。

2、点击右上角按钮，选择“关注官方账号”。

关于《暖通空调》杂志

《暖通空调》创刊于1971年，是中国建筑科学类核心期刊，国家期刊奖最高奖项获奖期刊，入选2013年、2015年中国“百强科技期刊”，获得中国政府出版奖提名奖。中国暖通空调行业唯一的中央级科技期刊。本刊以实用技术为主，兼具学术性和信息性，在行业中最具影响力，被誉为权威刊物，深受广大读者喜爱，发行量在国内同行业刊物中遥遥领先。

杂志订购

2016年《暖通空调》杂志（共12期） 360元

点击左下角”微官网“进入“微商城”，直接微信购买

邮局订阅代号2-758，或电话杂志社订阅010-57368830

    关注 暖通空调