南京地鐵一號線空調(diào)通風大系統(tǒng)運作方式與能耗初步分析
摘 要：在國內(nèi)的所有地鐵項目中，南京地鐵率先在空調(diào)通風系統(tǒng)上全線實施風機變頻調(diào)速節(jié)能運行。本文就地鐵空調(diào)通風系統(tǒng)的兩種運行模式，傳統(tǒng)的通過調(diào)節(jié)風閥開度和風機運行數(shù)量實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)的運行模式與風機變頻調(diào)速的運行模式，對不同運行模式運行能耗進行了初步分析比較， 闡述了風機變頻調(diào)速的運行模式不可忽視的節(jié)能效果。
一、 概述
地鐵的地下部分猶如一個橫置于地下的箱型建筑物，其內(nèi)部空間與外界相對閉塞，只有出入口和風亭口部等少數(shù)部位與外界相通。密集的客流、高速運行的列車、各種機電設備的運行、以及連續(xù)的照明都會產(chǎn)生很大熱量。空調(diào)冷負荷中的很大部分來之于列車的運行，運行密度越大，空調(diào)冷負荷越大。南京地鐵1號線采用閉式系統(tǒng)，遠期全線11個地下車站空調(diào)通風大系統(tǒng)高峰冷負荷高達24200 kW，空調(diào)通風大系統(tǒng)裝機容量超過10000kW。空調(diào)通風系統(tǒng)是地鐵非常重要的設備系統(tǒng)之一，其運行耗電僅次于列車牽引用電，如何尋找一個節(jié)約能耗的空調(diào)通風系統(tǒng)運作方式是當前地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)設計的一個重要課題。
二、 空調(diào)冷負荷
地下車站公共區(qū)的冷負荷主要由燈具和電扶梯等機電設備產(chǎn)熱、乘客濕熱量、建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)濕量、列車停站產(chǎn)熱和列車運行活塞風負荷。其中列車停站產(chǎn)熱和列車運行活塞風負荷占總冷負荷的70%以上。車站公共區(qū)的冷負荷受客流的明顯影響，伴隨客流的早晚高峰，車站負荷也出現(xiàn)明顯的早晚高峰，且早晚高峰的峰值接近。這是由于早高峰客流量更大，但早晨室外氣溫相對涼爽，且隧道經(jīng)過了夜間的冷卻，溫度也相對較低。而晚高峰時雖然室外氣溫較高，但客流和行車密度均比早高峰要小。
地鐵空調(diào)通風系統(tǒng)在夏季運行最小新風量工況，春秋過渡季運行全新風量工況，冬季運行通風工況。典型地下車站不同時期、不同工況的日平均冷負荷見表1。
表1
初期、中期和遠期相同工況的日平均冷負荷之比大約為1:1.287:1.563,同一時期最小新風量、全新風量和通風工況日平均冷負荷之比大約為1:0.565:0.308。
三、 典型地下車站通風空調(diào)大系統(tǒng)設備配置
典型地下車站空調(diào)通風大系統(tǒng)設備配置詳見附圖，通常四臺組合式空調(diào)機組（KT-1、KT-2、 KT-3、 KT-4）和四臺回/排風機（HPF-1、HPF-2、HPF-3、HPF-4）分別設置在站廳層（負一層）兩端，各負責車站整個公共區(qū)50%的空調(diào)區(qū)域。三臺柜式空氣處理機組（K1-1、K2-1、K2-2）用于小系統(tǒng)（設備管理用房），單獨設置。冷水機組（LS-1、LS-2、LS-3）、冷凍泵（LD-1、LD-2、LD-3）、冷卻泵（LQ-1、LQ-2、LQ-3）和冷卻塔（LT-1、LT-2、LT-3）一一對應設置，其中冷水機組（LS-3）、冷凍泵（LD-3）、冷卻泵（LQ-3）和冷卻塔（LT-3）用于小系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)的設備，除冷卻塔外，其余都設置在站臺層（負二層）的冷凍機房。通風空調(diào)大系統(tǒng)設備參數(shù)見表2至表7：
表2
1、傳統(tǒng)運行模式：
（1）最小新風量工況
由組合式空調(diào)機組送入公共區(qū)的氣流經(jīng)回風口由回/排風機將大部分排入新回風混合室，與少量新風混合由組合式空調(diào)機組吸入處理后再次循環(huán)，小部分經(jīng)風亭排出站外。
運行時，室外空氣條件：空氣焓值≥70KJ/KG；
（2）全新風量工況
由組合式空調(diào)機組送入公共區(qū)的氣流經(jīng)回風口由回/排風機全部通過風亭排出站外，不再循環(huán)使用。組合式空調(diào)機組全部吸入新風，處理后送至車站公共區(qū)。
運行時，室外空氣條件： 70KJ/KG>空氣焓值≥54 KJ/KG；
（3）通風工況
該工況通風方式與全新風量工況完全相同，只是冷水機組停機。
運行時，室外空氣條件：空氣焓 <54 KJ/KG。
（4）根據(jù)冷負荷的變化，系統(tǒng)制冷量的調(diào)節(jié)是通過變風量，從而使冷水的溫度發(fā)生變化來控制冷水機組運行的臺數(shù)實現(xiàn)的。國內(nèi)地鐵北京復八線、上海一號線和二號線、廣州一號線均采用上述運行模式。
按照表一提供的冷負荷數(shù)據(jù)，典型地下車站不同時期，傳統(tǒng)運行模式空調(diào)通風系統(tǒng)運行參數(shù)和耗功見表8。
表8
（1）最小新風量工況
由組合式空調(diào)機組送入公共區(qū)的氣流經(jīng)回風口由回/排風機將大部分排入新回風混合室，與少量新風混合由組合式空調(diào)機組吸入處理后再次循環(huán)，小部分經(jīng)風亭排出站外。組合式空調(diào)機組的風機和回/排風機采用變頻調(diào)速運行。
運行時，室外空氣條件：空氣焓值≥70KJ/KG；
（2）全新風量工況
只開組合式空調(diào)機組，利用風亭進風，出入口自然排風，關閉回/排風機，組合式空調(diào)機組的風機采用變頻調(diào)速運行。運行時，室外空氣條件： 70KJ/KG>空氣焓值≥54 KJ/KG；
（3）通風工況
只開組合式空調(diào)機組，利用風亭進風，出入口自然排風，關閉回/排風機和冷水機組，組合式空調(diào)機組的風機采用變頻調(diào)速運行。或只開回/排風機，利用出入口自然進風，風亭排風，關閉組合式空調(diào)機組和冷水機組，回/排風機采用變頻調(diào)速運行。
運行時，室外空氣條件：空氣焓值H <54 KJ/KG。
（4）根據(jù)冷負荷的變化，系統(tǒng)制冷量的調(diào)節(jié)可通過控制風機運行轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。水系統(tǒng)定水量運行。
（5）改變風機轉(zhuǎn)速，風機工作點與設計工況點空氣動力性能相似。在管網(wǎng)阻力與流量平方成正比的通風系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速降低，風機效率保持不變。流量比率正比于轉(zhuǎn)速比率的一次方，耗功比率正比于轉(zhuǎn)速比率的三次方，因此，耗功比率也正比于流量比率的三次方。
按照表1提供的冷負荷數(shù)據(jù)，典型地下車站不同時期，利用車站出入口進排風和風機變頻調(diào)速方式的空調(diào)通風系統(tǒng)的運行參數(shù)及耗功見表9。
表9
（根據(jù)工況轉(zhuǎn)換條件與南京氣象資料匯總）
1 、最小新風量工況
全年運行時間為997小時；
2 、全新風量工況
全年運行時間為1209小時；
3 、通風工況
全年運行時間為4364小時。
六、典型地下車站不同時期、不同運行模式和不同工況的運行能耗
根據(jù)上述空調(diào)通風系統(tǒng)設備不同工況的運行參數(shù)，各類運行狀況的能耗見表10
表10
根據(jù)表10和全年運行時間的數(shù)據(jù)，典型地下車站空調(diào)通風大系統(tǒng)不同時期、不同運行模式和不同工況運行的年耗能見表11 表11
表12
典型車站空調(diào)通風大系統(tǒng)采用車站出入口進排風方式和風機變頻調(diào)速的運行模式，相比較傳統(tǒng)運行模式，南京地鐵一號線11個地下車站：
1、 初期運行每年可節(jié)約電費330萬元。
2、 中期運行每年可節(jié)約電費460萬元。
3、 遠期運行每年可節(jié)約電費560萬元。
兩種運作方式，空調(diào)通風系統(tǒng)設備配置完全一樣，風機變頻調(diào)速運行模式需在控制系統(tǒng)增加變頻調(diào)速器，11個地下車站共需88套，增加投資不超過200萬元。
根據(jù)以上分析，采用車站出入口進排風方式和風機變頻調(diào)速的運行模式，相比較傳統(tǒng)運行模式，有著較好的節(jié)能前景，有利于降低未來的地鐵運行費用。因此，南京地鐵一號線已在國內(nèi)地鐵率先采用這種先進的節(jié)能運行模式，并已在地鐵一號線工程上實施。地鐵通車后，我們將對上述不同模式和工況的運行參數(shù)逐一測試，以驗證本文的分析結(jié)果。
九、參考文獻
（1） 朱穎心，秦緒忠，鄒立軍，南京地鐵工程環(huán)控系統(tǒng)模擬預測及方案論證研究報告
（2） 江 詠，地鐵環(huán)控系統(tǒng)全年運行研究
（3） 北京城建設計研究院，南京地下鐵道南北線一期工程可行性研究報告
（4） 上海市隧道工程軌道交通設計研究院，南京地下鐵道南北線一期工程空調(diào)通風系統(tǒng)施工設計
（5） 地鐵空調(diào)通風系統(tǒng)各類設備制造廠家，投標文件
（6） 地鐵空調(diào)通風系統(tǒng)各類設備制造廠家，樣機測試報告
