关于地铁环控系统节能的探讨

    孙宝鑫

    摘要：文章根据地铁环境特点提出影响地下通风空调系统的几点因素，并简要介绍地铁通风空调系统的几种节能途径。

    关键词：地铁环控系统；模式设计；节能

    我国正处于大规模城市化的时期，全国各大城市的交通状况一直非常紧张，交通不畅严重影响着人们的生活，制约着经济的发展。改善城市公共交通状况已经成为各大中城市政府相当急迫的要求和共识。随着近年来轨道交通的高速发展，北京、上海、广州、深圳、天津、南京等各大城市都建成或正在实施各自的快速轨道交通路网的骨干线路。地铁具有高效、快捷、安全和污染小的特点，避开了地面道路扩容困难的矛盾，有效地缓解了交通难的问题。因此地铁建设在世界各大城市得到广泛应用，已经成为城市大运量公共交通系统的首选。

    一、地铁环境特点

    地铁是一类特殊的建筑，是由多个车站通过隧道连接成的一个整体。地铁主体建筑（车站和行车隧道）一般位于地下数米至数十米深处，其上覆盖土层，是一个相对封闭的场所。内部空间（包括隧道和站台，站厅等）较大，但与外界连通的开口相对较少，只有少量的通风井和车站的出入口与外界直接连通，其他部分基本上与大气隔绝。由于功能上的要求，地铁一般是全年运行的，在车站和隧道内有大量的人流和车流，而且流量在不断地变化。地铁运营和乘客进出站口挥发出大量的热量，使空气湿度增大，同时还产生一些有害气体，如不及时排除就会降低地铁的运营环境。同时，当列车因非火灾事故阻塞在区间隧道内时，因不能产生“活塞效应”而无法提供新鲜空气而导致停留在车厢内的乘客和向安全地疏散的乘客感到不舒适。随着人们生活水平的提高，地铁必须给乘客提供一个舒适度高的环境。因此，建立一套完整的环控系统不仅是乘客舒适乘车的要求也是确保地铁安全运营的要求。

    二、地铁环控系统组成及作用

    地铁环控系统主要由以下几部分组成：隧道通风系统；车站空调通风系统（大系统）；车站管理用房和设备用房空调通风系统（小系统）；空调制冷循环水系统；隧洞口空气幕系统；折返线通风系统等。环控系统的作用是控制和调节地铁内的热环境，保证地铁内的IAQ（室内空气品质）在一个合理舒适的范围之内，满足乘客和工作人员的舒适性、健康和安全需求，满足设备的工作要求。此外，它应当在事故及灾害情况下进行通风、排烟和排热，起到生命保障及辅助灭火作用。

    三、环控系统节能途径

    作为地铁运输系统的一个重要子系统，在保证地铁环境的同时，地铁环控系统的代价也是高昂的。由于地铁内部的巨大空间和负荷，环控系统的风机、制冷机、空调机的装机容量都相当大，由此引起大量设备投资和运行能耗费用。尤其是运行能耗，而其中环控系统能耗在总能耗中占相当大的比例，已经严重影响到地铁运营的经济性。因此环控系统的节能具有重要的意义。

    （一）通风系统的优化

    目前地铁环控系统基本采用全空气系统，由于地铁的负荷特点，风机的运行时间要长于制冷机，而且风机的功率远大于一般建筑的空调系统的风机，因此风机能耗比例通常大于一般建筑的空调系统的风机能耗比例。地铁环控系统运行能耗中，风机能耗所占比例最大。冷机能耗虽然也不小，但由于地铁负荷的特点，发热量不可能有大的减少，根据现有技术水平，螺杆式冷水机组已具有良好的部分负荷特性，冷量调节范围为20-100%，所以冷机节能的余地不大。因此，车站节能的重点应放在风系统的节能优化上。

    1、隧道通风系统。站台下/轨道顶排热通风系统中UPE/OTE风机正常情况每日从地铁运营开始至运营结束期间一直运作，是长期运作风机。其作用是排除列车进站、停站、出站时的产热量，以减少列车发热量对车站及区间的影响，同时还兼容排烟功能。考虑到近远期列车对数不同、列车发热量不同、风机的排风量不同，UPE/OTE风机宜采用变频风机来调节风量，既能满足功能要求又可以达到良好的效果，同时对风机的控制简单可靠容易实现。

    2、车站通风系统。车站公共区空调通风系统由组合式空调箱、回/排风机、空调新风机组成，以往一般都是采用定风量运行，靠调节设备的运行台数来适应车站负荷的变化。由于早晚两个客流负荷高峰的存在，使送风量出现两个峰值而其他时候的风量较小。采用定风量系统时，必须满足两个峰值风量，这样在非峰值负荷时，其风量显然浪费了。如果按照平均风量计算风机能耗，则风机能耗仅为按峰值风量计算时的70%左右。可见采用定风量运行的能耗浪费是相当严重的，采用变风量系统是必要的。

    实现风机变风量最有效最节能的方法是对风机变频调速。变频调节具有无级调节、调节范围大、调节灵活等优点，可以实现对风量的准确控制，并保持风机的效率不因风量的减小而减小，从而达到明显的节能效果。

    （二）通风、空调运行模式的优化

    通风系统采用“只送不排”模式，利用车站出入口作为排风道，可以节省大系统回排风机的能耗。采用“只排不送”模式，车站出入口成为进风道，节省空调箱送风机的能耗。

    事实上，由于回排风道上没有过滤器和表冷器等局阻，回排风道的阻抗小于送风道的阻抗，因此相同条件下“只排不送”的能耗要小于“只送不排”的能耗。但是“只排不送”受新风温度限制，当室外温度过低时，采用“只排不送”由出入口进风，迎面吹来冷风将令出站的乘客明显觉得不舒适；此时如果采用“只送不排”，出入口排风，且排风温度高于外温，迎面吹来的暖风将使正进站的乘客觉得更舒适。需要注意的是，采用单排或单送模式时，出入口送/排风可能和无组织进/出风相叠加，需考虑出入口风速过大的问题。

    文献指出送风温度与系统能耗的关系：存在着一个令总能耗最小的送风温度的极小值，送风温度小于极小值以后，系统能耗上升非常缓慢。根据这一理论，送风温度尽可能的定得比较低以减少风机能耗，在工程计算一般情况下，给出几个送风温度作为设定值，当实际送风温度高于该值时，降低冷冻水供水温度，反之则提高。

    （三）集中制冷

    这是近期经常提出的研讨课题。目前国内地铁多为各站分设冷水机房。集中冷冻方式集中设置冷却塔和制冷设备，减少制冷机房数量和占地面积，解决冷却塔分站设置的难点，减轻对城市景观造成的负面影响，具有较强的技术优势。同时，它在初投资、运行费用及寿命周期总费用等方面都低于集中冷却方式，具有相对于集中冷却方式的经济性优势。因此，应该在受到条件限制不便设置冷却塔的地铁车站中大力推广这一集中供冷方式。建集中制冷站有两种方案：一是横向即一条线多个车站的制冷站合建。冷水通过管网（敷设在地下或地铁隧道内）送至各车站。此方案需要根据不同线路和车站的方案具体从技术、经济、安全、节能、城市规划等方面进行利弊分析比较确定。二是纵向即换乘站集中合建。目前国内大城市均在大力兴建地铁，大型换乘站越来越多，且多条线纵向交叉。换乘站一般分为既有制冷站和新建制冷站。传统的设计理念是不同线路分别建制冷站，这样造成机房多、冷却塔多。如果拆除既有制冷站并与新建线路制冷站合建，只要实施社会化管理，对不同部门进行用冷计量，集中制冷站的方案完全可行，并具有明显的优势：供冷半径小，节约机房面积，减少站外冷却塔与膨胀水箱数量，从而减少噪声污染，美化城市景观，精简运行管理人员以节省人员开支，提高制冷机COP值，节约能源及运行费用。

    （四）屏蔽门模式

    环控系统的运行模式分为开式运行模式、闭式运行模式、屏蔽门模式3种形式。设置站台屏蔽门，就是通过在地铁车站的站台候车区与行车轨道之间设置屏蔽门装置，将地铁车站与区间隧道从空间上分隔开来，将车站和区间分隔成两个不同的空气环境区域。站台屏蔽门可以减少列车活塞风对车站站台环境的影响，列车运行产生的热量大部分通过设置在车站端部的活塞风道及车站行车道顶部和站台下排热风道直接排放到地面，因而可以阻止大部分的列车散热量进入车站。据以往的工程经验值比较，屏蔽门模式车站空调系统的冷负荷仅为闭式运行系统的22-28%，从而减少车站通风与空调系统的冷负荷及用电负荷，节省通风空调系统的运行费用。

    地铁屏蔽门系统是现代化地铁工程的必备设施。地铁安装屏蔽门系统，不仅可以防止乘客跌落或跳下轨道而发生危险，让乘客安全、舒适地乘坐地铁，而且屏蔽门系统作为一种高科技产品所具有的节能、环保和安全功能，减少了站台区与轨行区之间冷热气流的交换，降低了环控系统的运营能耗，从而节约了营运成本，因此在夏季空调季节较长的地区普遍被采用。

    四、结束语

    环控系统是地铁工程中的一个重要组成部分，它对地铁环境产生巨大的影响，其重要性引起了国内外许多者和设计者的关注。有效的节能手段使得环控能耗显著下降，节约了大量能源，从而减少了地铁对于自然环境的影响，对于建设绿色地铁有重要的意义，也符合当前建设节能型社会、和谐社会的趋势，具有良好的社会效益。

    参考文献：

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    3、孙一坚.工业通风[M].中国建筑工业出版社,1994.

    4、北京城建设计研究总院.地铁设计规范[M].中国计划出版社,2003.

    5、刘承东.地铁集中供冷冷水机组选型初探[J].暖通空调,2001(5).

    6、付强.集中供冷系统在广州地铁二号线的应用[J].暖通空调,2004(7).

    （作者单位：天津滨海快速交通发展有限公司。作者为工程师）