地铁空调通风系统能耗解析

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地铁空调通风系统能耗解析朱永赤，郑晋丽，居炜(1．上海中通地铁集团有限公司，2．上海市隧道工程轨道交通设计研究院)摘要：针对目前地铁空调通风系统能耗状况及节能技术应用现状，分析其中的原因，提出系统性、全方位节能的概念和思路。关键词：轨道交通；空调通风；能耗；节能近年来，随着轨道交通建设的快速发展，扩大运75kw／台。行规模与节约能源之间的矛盾已越来越突出。空调地铁车站冷源为车站公共区及设备管理用房提通风系统是轨道交通的用电大户之一，分析该系统供的冷冻水，用电设备包括2～3台螺杆式冷水机的能耗状况，为轨道交通节能降耗提供一些建议和组、冷却水泵、冷冻水泵及冷却塔等。措施是至关重要的。据对上海地铁1O号线的统计，车站空调通风系本文以我国城市轨道交通中最常用的屏蔽门系统用电设备数量及容量见表1。统为背景，以冬冷夏热地区典型6节编组、3O对／h表110号线车站空调通风系统用电设备数量及容量表行车密度的轨道交通为例，分析空调通风系统的能序号系统分类主要动力设备装机容量／kw耗现状，介绍已采用的几项节能措施。1车站组合式空调箱(2—4台)1o0～3o01空调通风系统用能分析公共区目前，在建及运营城市轨道交通环控系统多数回排风机(2～4台／站)小新风机(1～2台)采用全封闭屏蔽门，典型的屏蔽门制式空调通风系2设备管送／排风机(10～20台)50统由以下4部分组成。理用房～120(1)车站公共区空调通风系统(大系统)；3冷源冷水机组(2～3台)280～630(2)车站设备管理用房空调通风系统(小系冷冻水泵(2～3台)统)；冷却水泵(2—3台)(3)区间隧道通风系统(区间)；冷却塔(2—3台)(4)车站冷源(水系统)。区问隧事故风机(4台)470～4道通风排热风机(2—4台)6901．1设备装机容量5合计95015O0地铁车站公共区通常采用低速全空气系统，用于排除车站公共区的余热、余湿，为乘客提供过渡从统计数据看，4大系统装机容量分布见图1。性、舒适的乘车环境。该系统中用电设备包括组合水系隧道通风式空调箱、回排风机、新风机等。车站设备管理用房空调通风系统用电设备通常包括小型空气处理机组、送／排风机、排烟风机等。这些设备的总装机容量有差异。其中，设置牵引变电所及弱电系统集中车站装机容量较大。图14大系统装机容量分布图区间隧道通风系统包括设在车站两端的事故风1．2全年运营能耗机和车轨区排热风机。普通车站的事故通风机配置通常是4台9Okw的风机；排热通风系统通常由2地铁车站空调通风系统的装机容量高，空调通台(或4台较小容量)排风机组成，装机容量约55～风系统全年运行模式及设备运转时间是影响年耗电一30—《地下工程与隧道)2007年第4期 维普资讯http://www.cqvip.com量的重要因素。当地的气象条件、地铁系统产热量，行的耗电量：车站公共区、区间通风、设备管理用房以及所采用的设计方案对设备运行时间影响亦很及车站水系统全年用电量基本相当，且车站设备管大。热季时间长、与外界自然换气条件较差、系统产理用房用电量还稍高。故应当对设备管理用房的耗热量较高等因素导致地铁空调通风系统的运转时间能给予更多的关注。车站能耗分布见图2。长，耗电量大。风以上海地铁为例，分析各系统远期运行情况。1．2．1车站公共区系统各车站公共区系统空调季节一般从5月中旬至1O月中旬，此间，用电设备基本上全部运转，只是在低峰期或负荷量较低时，关闭部分风机，以节约电小能。从12月至次年3月是冬季运行期，室外温度较图2地铁车站能耗分布图低，站内只要开启一半的通风设备。其余时间，车站从冷源(冷冻机)与输配系统(包含风机、水泵一般为通风状态，同夏季一样，低负荷期间，可适当等)的角度分析，风机、水泵等输配系统用电量占总用停开部分风机。电量的80％以上(见图3)，其中水泵的能耗较少。1．2．2车站设备管理用房系统车站设备管理用房的通风系统基本上全年运冷源行，部分空调系统的运营模式基本等同于车站公共区。但是，从上海地铁调研情况看，设在地下的设备机房(尤其是运营年数较长的地铁)冬季室温很高，全年采用空调制冷。以下两种情况致使设备管理用输配系统房的空调通风运行时间比车站公共区长。(1)设备管理用房对外换气条件差。车站公共图3冷源、输配系统用电比例区(除了机械通风以外)由于列车运行、车轨区机械1．3能耗特点通风以及车站与室外大面积的出入口影响，与外界针对屏蔽门系统标准车站，分析地铁空调通风还存在相当的换气量，而地下设备机房则完全依赖系统耗能情况，存在以下几个特点：通风空调系统。(1)风机动力耗电是车站空调通风系统的重(2)车站设备一旦投入运行，特别是弱电机房点；不能停运。牵降变所也是24h运行，只是夜间部分(2)风机耗电中以区间通风、车站公共区、设备卸载。该类机房都有较大的热负荷。近年来，公网管理用房耗电为主。系统引入地铁，更加大了设备用房的通风负担。相以往空调通风节能重点放在区间、车站公共区反，车站公共区系统则基本与地铁运行时间相对应，风机，往往对设备管理用房不太关注，但分析结果显晚间有5～6h的停运时间。示，在耗能方面“小系统能耗不小”。上述原因导致车站设备管理用房空调通风系统2空调通风系统节能技术应用现状实际能耗始终处于较高的状态。1．2．3区间隧道系统目前，地铁空调通风系统从方案设计至系统运行区间隧道通风系统仅在早晚换气时间开启，在基本体现或贯彻了节能的要求。部分地铁在建设时北方的冬季，开启时间还不宜过长。位于车站轨道还对空调通风系统进行专题论证和节能方案设计。区的排热通风系统开启时间较长，与车站公共区系从现阶段的设计内容看，车站方案节能技术的统运行时间基本相同。当区间对外自然换气条件差应用情况可以简单概括(见表2)。时，区间排热系统基本全年运行。为满足小时负荷的变化，传统的方式是采用多1．2．4冷源风机调台运行，既可以达到节能运行要求，又可以使车站冷源运行时间与车站空调时间相同。系统具有备用安全性能。随着变频技术的发展，近基于以上分析，计算车站空调通风系统全年运几年有较多的地铁采用了这项节能技术。该技术的《地下工程与隧道)2007年第4期一31— 维普资讯http://www.cqvip.com表2车站方案节能技术的应用情况表在上海地区，屏蔽门系统的空调通风能耗约为闭式序号系统节能手段系统(开闭式运行)能耗的70％；南方地区，屏蔽门1．公共区风系统1．空调运行模式转换；系统节能的优势更加明显；而在北方地区，闭式系统2．多风机调台运行；反而占优势。3．变频技术；不论采用何种制式，通风的目的是排除地铁内2．水系统1．多台设备调台；多余热量、控制内部温、湿度，尽可能创造地下区间2冷机据负荷变化无级卸载；与外界较多的换气口。采取措施减少活塞风的回流3．小系统1．空调运营模式变更；是地铁节能的重要环节。例如，对于夏热冬冷地区，2．小型风量可变型空气处理机；3．VAV系统；屏蔽门系统采用双风井较采用单风井系统总能耗可4．区间通风系统1．多台风机调台；节省l0％以上。2．变频技术；(2)系统设计、设备选型、安装。车站设计时，节能优势在于可以及时跟踪负荷变化，实现无级调应尽量争取使通风空调系统靠近负荷中心，通风井速。但是，地铁车站热惰性很大，采用连续变频技术靠近空调通风机房，使得系统管路畅通。这些基本还有待探索。在地铁运行初期、地温较低、客流较小的节能理念，在地铁设计中往往较难落实。由于种的情况下，车站公共区采用变频技术节能效果显著。种原因，有些车站的通风井距离车站主体近百米；风地铁运营若干年后，整个系统内的热量累积达一定井或机房位置不利造成系统管路不畅、土建直角弯程度后，地下环境变频节能效果还尚待研究。头多，又不加导流装置，在地铁车站应用中司空见2004～2006年期间，对上海地铁1、2号线的系惯。一个弯头的当量阻力相当于150m以上的土建统环境监测表明，车站内全天温、湿度相对稳定。对风道长度。以此为例，按普通车站估算，每增加一个1号线徐家汇站重点监测，其站内温度超过29qC，但直角弯头，多耗电约30kwh／d，相当可观。这些不变化幅度不到1oC，对客流变化不敏感。经计算分合理的结构最终导致车站能耗加大，或站(室)内环析，1号线徐家汇站夏季全天负荷变化在65％～境不能保证。100％之间，除夜间的若干小时外，其余时间负荷变此外，在系统设计时，常年使用的风机不宜采用化范围更小，在82％～100％之间。双向风机，双向运转风机的效率较单向低约10％。因此，对于公共区采用变频技术远期收益有多以车站排热风机为例，采用单向风机相对于双向风大、如何变频需要作进一步研究。机可节省系统总能耗1％～2％。在地铁车站内，空调通风系统中使用了较多的3空调通风系统系统化、全方位的节能措施风阀，尤其是兼容多种功能的系统，基本是通过大体空调通风的节能应贯彻始终，包括设计、设备选量的风阀转换达到工艺要求。实际上，在地铁运营型、运营等各个阶段，包含系统组成的各个部分。之后，风阀的密封尚有缺陷，系统之间存在不同程度3．1系统化节能的窜风，影响系统效率，应予充分的注意及改进。空调通风的系统化节能体现在本专业设计的各(3)运营阶段。地铁的空调通风系统与一般地阶段以及相关专业的协调上。面建筑显著不同，地温、运量增长快慢、系统形式等3．1．1空调通风设计的系统化节能都会影响内部环境，各种因素相互交织，影响系统的从本专业考虑，可分为3个阶段：运营方式。在此阶段，应及时分析地铁各内部环境(1)设计方案、制式确定阶段。地铁空调制式、和调整运行方案，使其既达到内部环境要求、又达到车站采用的建筑方案对车站能耗有决定性的作用。节约能耗的目的。方案阶段尽可能创造利用自然冷源、自然通风的条3．1．2与相关专业的协调件，减少机械通风量、通风时间，从根本上落实节能地铁是一个庞大、复杂的系统，好的节能方案、理念，应优先考虑有效利用列车运动形成的活塞动措施是否能落实，节能效果能否达到，在相当程度上力。取决于各系统之间的配合。从节能角度，可作如下空调通风制式对能耗的影响在地铁建设的初期的分析。已经进行了多次讨论，在认识上已基本趋于一致。(1)列车和区间节能坡。列车是地铁通风系统一32一《地下工程与隧道)2007年第4期 维普资讯http://www.cqvip.com服务的主要对象，向地铁系统内散发了大量的机械房通风“需求”，决定通风空调系统开启的时问、模式。和空调热。降低列车牵引制动散热和空调排热，也(1)强、弱电机房。这些机房一般无人值守，空就相应降低了通风系统的负荷。因此，相关的线路调季节时，采用全回风运转，只要定期或人员检修前节能坡、再生制动技术、高效的车载空调系统等节能补一段时问新风就可满足要求。技术的应用，将降低通风系统的能耗。(2)通风机房、水泵房等。这些机房发热量低，(2)建筑方案。建筑方案在相当程度上影响着一般无人值守，只要定期开启通风系统通风换气即空调通风系统的能耗。地铁是一个相对的封闭体，可。室内设温度监测，超过设定标准时开启通风系创造与外界良好的换气条件，可有效利用室外自然统降温。冷风排除内部余热。当对外开口有限时，只能依靠(3)地铁内的厕所、污水泵房等机房排风设备机械力排除余热，必然增加能耗量。则需全日运转。但是，这些设备用电量不高。(3)自动控制系统。建立良好的可调节的空调有些机房没有必要整天开启通风系统，尤其是通风系统，必须有可靠、高效的自动控制系统作为跟夏季，地铁内部机房温度不高，反而送入大量的室外踪负荷变化、调节通风系统运作的手段。否则，不能高温新风，使得机房内异常闷热。达到预期的节能效果。4结语3．2全方位节能全方位节能应体现在地铁设计、施工和运营的降低地铁系统能耗的任务非常艰巨，仅仅强调各个阶段，体现在对地铁所有空调通风系统运转设局部先进技术的应用并不能显著降低系统能耗，只备的概念上。目前，对水系统、公共区、区间通风系有各方密切协作、抓重点，采取系统化、全方位节能统的节能较为重视，需要强调的是对设备管理用房措施才是地铁节能降耗的关键。在此，希望相关部能耗的关注。门尽快组织力量开展地铁能耗评估工作，逐步建立设备管理用房的空调通风除了常规的节能手段地铁能耗指标的标准。外，更重要的是体现“按需通风”的理念，即根据各用(收稿件日期：2007—07一lO)(上接第29页)而这一点三角高程是难以实现的。GPS水准测量也有缺陷：没有有效的校核条件，3．3GPS用于变形观测假如由于人为的原因使接收机天线高量取错误，将一般变形监测网，通常是将水平形变和高程变直接导致测点高程错误，且要到我们使用该点高程化分开测设，因受各种因素的限制，未能建立高精度时才会发现，况且出现这种情况的可能性是很大的，的三维监i贝0网。考虑误差传播和通视条件等因素，我们在实际应用中要多加以注意。监测网布设范围不可能很大，常设在形变区内。这3．1GPS三四等水准加密就造成形变分析时难以找到稳定的基准，从而影响在山区或丘陵地区进行水准测量，工作量很大。到形变分析的质量。因此，可利用GPS测量进行三四等水准加密。在变形监测中，通常只要得知监测点的相对位3．2跨越水域的水准测量移，可不考虑高程异常。GPS技术以其速度快、精度近年来，在跨越宽水域的水准测量时，常采用三高和不受通视条件、边长限制等特点，将会广泛地应角高程测量的方法。但三角高程测量常常会受到折用于地壳形变、海洋面变化等监测，它可以直接测定光、垂线偏差或大地水准面起伏的误差影响。这种三维形变，布设范围可扩大至相对稳定区域，以便建测定方法虽然可以获得较高的表面精度，但上述误立可靠的形变分析稳定基准。差往往会在水准大环的闭合差检查时才反映出来。参考文献利用GPS相对定位，虽然跨越距离大，但受大气环[1]胡友键，罗昀，曾云．全球定位系统(GPS)原理与应用[M]．北京：中国地质大学出版社，2003．境的影响相对较小。如果利用一岸已有的国家水准[2]李天文．GPS原理及应用[M]．北京：科学出版社，点，选取合理的图形构成GPS水准网(一般3～52oo5．点)，利用曲线或曲面拟合方法，即可把GPS大地高(收稿日期：2007一l0—20)差转化为正常高差，其测量精度是完全可以保证的，一33—《地下工程与隧道))2007年第4期