地铁站通风空调系统节能运行方法探讨

于永波

摘  要：随着我国经济的不断发展，城市轨道交通的建设、运营体量越来越大，随之而来的是城市轨道交通能源消耗的快速增长，能耗支出占运营成本的比重不断增加。各城市的轨道交通运营企业日益开始重视地铁车站的能耗问题，而通风空调能耗占总能耗的1/3，本文就北京地铁车站的一个节能案例，提出了一些车站通风空调系统节能运行的有效方法。

关键词：轨道交通  能源消耗  通风空调  节能

中图分类号：C913                            文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0078-04

Discussion on Energy-Saving Operation Method for Ventilation and Air-conditioning System of Subway Station

YU Yongbo

（Electromechanical Branch of Beijing Metro Operation Co.，Ltd.， Beijing，100043  China）

Abstract： With the continuous development of China's economy， the construction and operation volume of urban rail transit is becoming larger and larger， followed by the rapid growth of energy consumption of urban rail transit， and the proportion of energy consumption expenditure in operation cost is increasing. Rail transit operation enterprises in various cities are increasingly paying attention to the energy consumption of subway stations， and the energy consumption of ventilation and air conditioning accounts for 1 / 3 of the total energy consumption. Based on an energy saving case of Beijing Subway Station， this paper puts forward some effective methods for energy saving operation of station ventilation and air conditioning system.

Key Words： Rail traffic; Energy consumption; Ventilation and air-conditioning; Energy saving

城市轨道交通系统中，通风空调系统是重要的用电大户，其运行能耗约占总能耗的1/3[1]。因此，在满足室内环境舒适性要求的前提下，如何提高通风空调系统运行效率、大幅降低通风空调系统运行能耗，是城市轨道交通节能减排工作的重中之重。目前，我国地铁通风空调系统普遍缺乏精细化的运行能耗管理，缺乏针对地铁热环境设计的节能运行方法，在全年运行的许多方面均存在显著的节能空间。

本文利用北京地铁8号线森林公园南门站的节能改造案例，介绍了一些实用性较好的节能运行方法。

1  项目概况

北京地铁8号线线路长度45.6km，共设有35座車站。本次节能改造的为8号线森林公园南门站，站台采用岛式站台设计。森林公园南门站的通风空调系统主要包括4部分：一是大系统[2]，在车站南北两端的通风机房内各设置了一台组合式空调机组，负责站台、站厅公共区的制冷通风;二是小系统，同样采用全空气系统形式，利用空调机组为车站两端的设备管理用房等辅助区域的制冷通风;三是冷源，主要由2台螺杆机组、2台冷冻水泵、2台冷却水泵及2台冷却塔组成，冷源为大、小系统共用;四是隧道通风系统，包括南北两端2台TVF风机。

冷水机组2台，单台电功率138kW;冷冻水泵2台，单台电功率22kW;冷却水泵2台，单台电功率30kW;冷却塔风机2台，单台电功率7.5kW;空调机组5台，单台电率3～30kW;隧道风机2台，单台电功率90kW。

2  能耗现状与运行方式

在节能改造前，利用1年时间对森林公园站的现状能耗进行了详细测试，经测试森林公园南门站全年耗电量约150万度。其中，冷水机组耗电占14%，隧道（TVF）风机耗电占13%，空调机组耗电占34%，冷却塔风机耗电占13%，冷冻及冷却水泵耗电占26%。

在节能改造前，森林公园南门站通风空调设备在夏季运行时间如下。

2.1 夏季通风

6月1日至10月10日：公共区，车站空调机组、回排风机小新风运行6：00-23：00;隧道排热风机开启6：00-23：00;附属用房，房间风机、新风机全日运行。

2.2 夏季空调

6月1日至6月30日、9月16日至10月10日：公共区，冷水主机2台运行8：00-20：00;附属用房，冷水主机1台、新风机组/回排风机全日运行。

7月1日至9月15日：公共区，冷水主机2台运行7：00-22：00;附属用房，冷水主机1台、新风机组/回排风机全日运行。

经详细调研8号线各座车站后，发现北京地铁车站通风空调系统主要存在以下几方面问题。

（1）通风空调系统运行主要依赖于统一的时间表控制和模式控制方式，运行调控手段相对简单。实际运行时，空调机组新风量基本不变，隧道风机开启台数和运行频率基本保持定值，而这些设备实际上是应该根据车站的实际状况和室外气温状况进行调整的。若可以根据客流情况对工作日、节假日做出区分后设置适宜的运行模式，早高峰前、晚高峰后根据室外温度采用加大通风量、减小制冷机运行时间等手段，则车站的通风空调系统能耗将会有大幅降低。

（2）没有充分利用地铁车站的一些独有资源。地铁列车运行时的活塞风效应本应有很强的通风效果，如能充分地利用地铁活塞风对车站进行通风，则可避免地铁隧道年平均温度不断升高，同时又会对车站公共区提供较好的通风效果。地铁车站的出入口面积大、阻力小，是很好的通风通道，可以充分利用出入口调整风机的运行方式，如采用车站单独送风或车站单独排风的运行模式。

（3）通风空调系统温湿度传感器设置位置不理想，传感器控制精度不高，这就导致车站站厅、站台公共区域的温度偏低，实测车站的环境温度多数低于28°C，甚至低于26°C，不利于系统的节能。

（4）BAS系统未能形成有效的调控工具，BAS系统目前主要完成了数据采集、传输、显示功能，以及完成部分设备的就地控制，并未形成空调、通风、制冷系统的联合控制。

3  节能工艺

3.1 冷水机组节能运行

3.1.1 改造方案

冷水机组改造方案为，通过增加设置车站温湿度传感器，合理设置传感器的位置及高，利用传感器实时采集车站公共区内的空气状况、冷水机组供回水温度，计算车站热负荷率，调节冷水机组的启停台数及冷水出水温度。

3.1.2 运行模式

冷水机组根据室内外焓值及室内温度控制机组运行，实现机组启停的自动控制，并根据冷机供水温度与负荷率实现自动加减载，避免冷机低负荷率现象，具体策略如下。

（1）当室外空气焓值大于设定焓值时[3]，开启冷机;室外空气焓值小于设定焓值时，关闭冷机;此外，当地铁停止运营时，冷机停止运行，部分工作区域由分体空调调节室内温度。实际运行中，考虑到湿度传感器在长期使用中容易出现慢漂移故障，可用干球温度代替焓值进行判断。

（2）加台数控制：当系统供水温度达不到设定温度（7℃）的连续时间超过设定时间（5min），冷水机组的负荷率达到冷水机组上限数值95%，自动开启下一台冷水机组。

（3）减台数控制：当系统供水溫度可达到设定温度（7℃），且冷水机组的平均负荷率低于50%的连续时间超过设定时间（5min），自动关闭一台冷水机组。

3.1.3 运行效果

上述运行模式可充分利用新风中的冷量，在室外新风焓值较低时，关停冷机或降低冷机的负荷率。如图1为8月18日新风温度和冷机运行状态记录，当天室外温度为23～32°C，可看到在全天大部分时间内，冷机都不需要开启。

3.2 冷却泵节能运行

3.2.1 改造方案

冷却水泵改造方案为增加1组变频器及控制柜，冷却水泵实现变频调节。

3.2.2 运行模式

冷却泵与冷水机组的能耗是相互耦合的。如果提高冷却水流量，冷却泵能耗增加，但冷机冷凝温度下降，冷机运行效率上升，运行能耗下降;反之，如果降低冷却水流量，虽然有利于降低冷却泵能耗，却会对冷机运行能耗带来不利影响。

因此，在进行冷却泵节能运行时，需要计算各种负荷率下、不同工况点下，基于冷机效率曲线与冷却泵曲线，计算该工况下使冷机和冷却泵综合能耗最低的冷却水温差[4]。本项目的计算结果如图2所示。之后，通过调整冷却泵频率，维持冷却水温差处于最佳值。

3.2.3 运行效果

运行策略优化后，冷源（冷机+冷却泵+冷却塔+冷冻泵）的综合COP值提升，见公式（1），非节能模式下不到3.2，节能模式下可达3.8以上。

公式（1）[5]：冷站综合COP=冷站总制冷量（kW）/冷冻站总电耗（kW）。

3.3 风系统节能运行

3.3.1 改造方案

大系统风机增加变频器，根据公共区的温度，调节送风机的风量。

对于小系统风机，重点改善不同区域冷热不均的现状，以对于特殊房间进行单独处理为例，对人员负荷较大、室内温度较高的房间安装分体空调，将小系统区域的负荷转移至大系统范围内，由空调大系统进行处理。

3.3.2 运行模式

大系统风机送、回、排风阀联动运行，实现设备启停、运行频率根据室内外环境参数自动调节，以及过渡季节全新风工况运行，具体如下。

（1）当室外温湿度不适宜时，系统根据所需最小新风量运行，风机频率根据回风温度控制，当风机频率低于30Hz时，调节冷冻水阀开度。

（2）当室外温湿度适宜时，回风阀关闭，送风机在全新风工况运行，风机频率根据室内温度控制。

3.3.3 运行效果

图2显示了夏季典型日送风机频率、回排风机频率和回风温度的变化，可见回风温度可以被控制在要求值（28°C）以下，而风机频率能够根据负荷的变化，实现节能运行。

4  自动化方案

在森林公园南站的节能改造中，采用清华同方的EnCs节能控制系统，实现了上述节能工艺。对既有车站的节能改造，最大的问题是原车站的通风系统部分设备是兼顾排烟功能的，节能控制系统又与原车站的BAS系统部分控制功能是交叉的，这就需要节能系统应在BAS主控柜处做并行处理，系统之间设置控制权切换控制按钮。节能系统还需监听FAS系统信号，当监听到FAS系统火灾信号时，节能系统需自动释放控制权限。

5  节能效果

节能优化后，室温控制效果稳定。图3对比了8月两个气温相近日的站厅站台温度控制效果，由图3可见，节能系统的室温控制效果更平稳，减少了过冷的情况，同时又始终维持室温在要求值（28°C）之下。

为了研究节能效果，在2018年6～9月，分别择连续4d（保证天气基本相似）进行对比测试，即两天采用原有运行模式，另两天采用节能模式，进行对比效果测试，最后测试结果为：系统总节能率分别为43.6%、43.0%、46.1%和48.9%，按此节能率计算系统总节能量将达到55万度电[6]，节能效果明显。

6  结语

本文提出了针对地铁站通风空调系统的节能运行方法，优化了冷源、水泵、风机的运行方法，在确保车站环境温度满足运营要求的前提下，实现了很好的节能效果。通过森林公园南门站的实际应用，室温控制稳定，节能效果明显，空调季综合节能率达到44%。因此，这种方法值得进一步推广应用。

参考文献

[1] 高磊.地铁通风空调系统节能分析[J].工程管理前沿，2020（12）：110-111.

[2] 高波，李先庭，韩宗伟，等.地铁通风空调系统节能的新进展[J].暖通空调，2017，41（8）：21-26.

[3] 杨昭，余龙清，马锋，等.地铁通风空调系统的逐时优化节能控制策略[J].天津大学学报，2017，45（7）：599-603.

[4] 刘昶，吴疆.广州地铁14号线嘉禾望岗站空调冷却水系统能效分析[J].暖通空调，2020（10）：33-34.

[5] 丁勇，刘学，黄渝兰，等.空调系统节能量测量与验证方法的应用分析[J].暖通空调，2018（7）：42-43.

[6] 罗燕萍，韩瑶，王静伟，等.地铁车站制冷系统综合节能改造[J].暖通空调，2019（5）：55-56.