地铁环控系统节能技术探讨

■　庞李彬

地铁环控系统节能技术探讨

■庞李彬

从地铁环控系统组成入手，分析地铁环控系统各子系统的能耗特点。重点对地铁环控系统节能措施及技术进行探讨，并提出相应建议。通过采用变频调节、运行模式调节，适当提高送风温差，适当启用空气-水空调系统、蒸发式冷凝空调系统等有效措施，优化相关系统的设计方案。

地铁；环控系统；节能；变频；送风温差；空气-水空调系统；蒸发式冷凝空调系统

随着我国各大城市的不断发展，各中心城市的人口密度逐年增加，交通压力日渐繁重，地铁作为一种快捷、高效、运输量大的公共交通工具，已逐渐成为解决城市交通问题的重要手段。目前，我国已有28个城市运营地铁，批准建设城市更是高达38个。然而，随着地铁的大规模兴建及运营，地铁运营的巨大能耗也逐渐引起了社会的广泛关注。环控系统作为地铁的重要组成部分，也是地铁车站的能耗大户。 地铁环控系统繁杂，影响能耗的因素也较多。因此，通过对系统的分析，针对各个子系统不同能耗规律有针对性地采取节能措施和技术开发，对地铁行业的节能减排有重大意义。

1　地铁环控系统组成及能耗分析

1.1系统组成

地铁环控系统主要用于调节地下空间的温、湿度及空气质量，在正常工况下为车站内乘客及工作人员提供舒适的空气环境。在列车运行期间或因故阻塞在区间隧道时，为地铁区间进行隧道通风换气，保证乘客和乘务人员的正常需求。其次，在火灾情况下迅速排烟，防止烟气蔓延，为人员疏散提供有利条件。

地铁环控系统主要由4个子系统组成：车站公共区（站厅、站台）空调通风系统（简称大系统）；车站设备用房、管理用房空调通风系统（简称小系统）；为大系统、小系统提供冷源的系统（简称水系统）；区间隧道活塞风与机械通风系统，以及车站范围内、屏蔽门外站台下排热和车行道顶部排热系统（简称隧道通风系统）。

1.2能耗分析

我国各大地铁广泛应用的地铁环控系统是屏蔽门系统，此类环控系统的主要负荷是人员负荷、 照明负荷、设备负荷、屏蔽门传热、渗透负荷及新风负荷。设备负荷是指高低压配电系统、信号系统、通信系统、AFC系统、电扶梯系统、广告、导向标识等系统产生的负荷。空调系统湿负荷主要由人员负荷、维护结构湿负荷组成［1］。

以上负荷中，照明、设备及屏蔽门传热负荷相对变化量较小，基本可以视为恒定值；人员、渗透及新风负荷随着客流及季节的变化会有较为明显的增减，可视为变量值。结合环控系统4个子系统各自功能的不同，可以对其加以区分。

大系统由组合式空调箱、回/排风机、排烟风机、小新风机、组合式电动风阀、防火阀、通风空调管道组成。主要功能为：正常情况下，在空调季节为站厅、站台提供冷量和新风；在通风季节为站厅、站台通风换气。在站厅或站台火灾情况下，排除站厅或站台层的烟气，防止烟气蔓延，为人员疏散创造条件。该系统的负荷变化随客流变化较为明显，同时也受新风量的影响，其主要能耗设备为组合式空调箱和各类风机。

小系统由空气处理机、回/排风机、排烟风机、送风机、排风机、通风空调管道、电动风阀、防火阀组成。主要功能为：正常情况下，在空调季节为车站设备及管理用房提供冷量和新风；在通风季节为车站设备及管理用房通风换气。设备及管理用房火灾情况下，配合气体灭火系统完成灭火，排除设备及管理用房的烟气和惰性气体，防止烟气蔓延，排除烟气，为人员疏散创造条件。该系统的负荷变化较小，只与季节性新风量变化有关，其主要能耗设备为空气处理机和各类风机。

水系统由冷水机组、冷冻/冷却水泵、集/分水器、冷却塔、膨胀水箱、水处理装置、管道及阀门组成。主要功能为：在空调季节为大系统、小系统提供冷源。该系统的负荷变化与整个空调系统的负荷变化一致，受客流及新风量的共同影响，其主要能耗设备为冷水机组、水泵及冷却塔。

隧道通风系统由隧道风机（TVF风机）、组合式电动风阀、排热风机（UPE/OTE风机）、风道、组合式风阀组成。主要功能为：正常情况下隧道的通风换气，列车因故阻塞在区间隧道时的通风，列车在区间隧道发生火灾且不能行进时的通风排烟，排除列车顶部空调冷凝器散发、列车底部刹车产热、磨擦产热和车体发热量。该系统的负荷变化只与隧道内温度变化有关，其主要能耗设备为隧道风机、排热风机。

2　地铁环控系统节能措施及技术

2.1大系统

根据大系统的能耗特点，该系统的负荷变化较为明显，需按照客流及季节变化对其进行有效调节才能达到节能的目的。

主要措施如下：

（1）变频调节。由于地铁通风空调系统的设计是根据预测的远期高峰客流运营条件计算的，在客流量远未达到设计值时，最有效的节能措施就是采用变频器来调节风量［2］。由于风机风量与转速成正比，消耗功率与转速的立方成正比。因此通过变频装置使风量减少10%，消耗功率可减少27%；风量减少40%，消耗功率可减少78%［1］。对于大系统这一受客流影响较大的系统采用变频调节，节能效果显著。

（2）运行模式的变化。有效利用不同季节外界冷负荷的变化，通过新风量的调节来达到节能的目的。夏季时最大限度减小新风负荷，过渡季节合理利用自然冷源。具体可分为小新风工况，即站外空气焓值大于车站空调大系统回风空气焓值时，采用最小新风加回风模式运行。全新风工况，即站外空气焓值小于或等于车站空调大系统回风空气焓值且站外空气温度大于空调送风温度时，公共区空气由组合式空调机组处理过的新风提供，回风全部排至车站外。通风工况，即站外空气温度小于空调送风温度时，停止冷水机组运行，外界空气不经处理直接送至公共区，回风全部排至车站外。

（3）适当提高送风温差。送风温差的提高可极大降低送风量，在保证不出现结露现象的前提下，尽可能提高送风温差，从而减小送风量，进而影响设备的选型，从根本上降低设备系统的能耗上限值。

（4）采用空气-水空调系统替代全空气系统。现阶段大部分地铁环控系统采用全空气系统，该系统占地面积大，且空气的比热远小于水，在长距离运输上能量损失较大，运送同样冷量所消耗的能量也大。因此采用空气-水空调系统可以在能量运输及损耗方面有效降低系统的能耗。

2.2小系统

根据小系统的能耗特点，该系统的负荷变化较小，只与季节性新风量变化有关，因此需从季节性新风量变化及能量输送等方面考虑节能。

主要措施如下：

（1）与大系统相似的方面：运行模式的变化。有效利用不同季节外界冷负荷的变化，通过新风量的调节实现节能；适当提高送风温差，从而减小送风量进而影响设备的选型，从根本上降低设备系统的能耗上限值。这两点同样适用于小系统。

（2）区别于大系统的方面：因小系统负荷变化较为稳定，因此变频调节方式不适用于小系统。采用空气-水空调系统替代全空气系统，虽然可实现节能目的，但考虑小系统主要管辖区域为设备管理用房，较多电器类设备，应尽可能避免过多水管的使用，因此不考虑此方法用于小系统。

但结合辖区实际，可考虑采用全空气系统与变频多联空调系统搭配使用的方法。即在白天大系统运转时，小系统采用全空气系统，两者共用冷水机组进行供冷，夜间大系统停止运转时，采用变频多联空调系统为设备管理用房供冷，停止冷水机组运行。既可以避免过多水管进入设备管理用房，又可以用较低能耗的变频多联空调代替冷水机组供冷，同时可作为小系统备用冷源，进而达到节能效果。

2.3水系统

根据水系统的能耗特点，该系统的负荷变化与整个空调系统的负荷变化一致，受客流及新风量的共同影响，因此影响整个系统的调节方式均可影响其节能。

主要措施如下：

（1）运行模式的变化。有效利用不同季节外界冷负荷的变化，可在部分季节降低或停用水系统，从而实现节能；

（2）在环控系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量同样是按照车站最大设计负荷选定的，且留有余量。在实际使用中，环控系统大多处于低负荷运行状态，因此，采用变频器来调节水流量同样是减少能耗的有效途径。

（3）采用蒸发式冷凝空调系统取代水冷冷凝方式，只需较小的风量及冷却水量就可以实现冷媒的降温冷凝。既可减少冷却塔建设的种种问题，也可以省去冷却塔及大功率冷却水泵的能耗，进而实现节能的目的［3］。

2.4隧道通风系统

根据隧道通风系统的能耗特点，该系统的负荷变化只与隧道内温度变化有关，因此其有效节能措施较少，需从设计及运行模式入手。

主要措施如下：

（1）在设计之初，应积极协调建筑专业，优化风道、风井或机房位置，尽可能保证风路通畅，协调减少土建直角弯，最大限度减少结构带来的设备能耗加大的情况［1］。

（2）隧道通风系统采用的设备均为较大功率的设备，主要担负功能为正常情况下隧道的通风换气及列车顶部空调冷凝器散发、列车底部刹车产热、磨擦产热和车体发热量的排除，因此可通过运行模式的控制，尽可能减少隧道通风系统设备的开启时间，合理安排通风换气的次数，在运营初期，区间隧道内温度较低时，可适当限制隧道风机的开启，从而减少能源的浪费。

3　结束语

在结合工作实践的基础上，对地铁环控系统节能问题进行分析和探讨。通过分析，结合不同子系统的特点，地铁环控系统采用变频调节，运行模式调节，适当提高送风温差，适当启用空气-水空调系统、蒸发式冷凝空调系统，优化设计等措施，都能起到较好的节能效果。然而，有效降低地铁环控系统能耗是一项艰难持久的工作，需要从设计到施工再到运营各阶段的共同努力。随着新型节能技术的不断创新及优化方案的不断开发，地铁环控节能技术具有更为广阔的发展前景。

［1］ 闻彪，吴庆，洪学新.地铁通风空调系统节能研究［J］.暖通与设备，2010，38（4）：32-34.

［2］ 蔡昌俊，钟素银.轨道交通节能减排分析与实施［J］.铁路技术创新，2011（5）：5-10.

［3］ 李德辉.蒸发冷却技术在地铁工程中的应用探讨［J］.中国铁路，2012（5）：106-110.

庞李彬：深圳市地铁集团有限公司运营总部，工程师，广东 深圳，518040

责任编辑卢敏

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