地铁环控风系统性能参数随运营年限变化特性研究*

上海理工大学 王丽慧 高仁义 张 杉上海世茂股份有限公司 刘 畅上海申通地铁集团有限公司 宋 洁 郑 懿 邹学成

0 引言

由组合式空调箱、回排风机等设备组成的地铁车站环控风系统在空调季和非空调季常年运行，对车站热环境空调季的舒适性和非空调季的新风量等影响较大，风系统能耗也是车站环控系统能耗的主要组成部分。本文聚焦不同运营年限地铁车站环控风系统典型设备和系统的能效变化特性研究。

首先，目前对于组合式空调箱性能的研究多是通过建立集总参数模型。邱峰等人通过建立空调箱表冷器集总参数模型、分布参数模型、分排参数模型模拟了肋片管换热器的实际换热性能[1]；王磊等人建立了组合式空调箱盘管热回收装置的集总参数模型，研究了回路形式、肋片间距、沿气流方向管排数、循环风量、盘管水流速等对盘管热回收性能的影响，为组合式空调箱选择合适的盘管热回收装置提供了依据[2]。其次，在地铁车站环控风系统中回排风机多使用轴流风机，轴流风机在不同建筑中均作为主要通风设备。Vad分析了轴流风机无导叶压缩机转子叶片对风机气动性能的影响[3]；Ye等人使用非稳态的交错角三维模型评估了异常交错角对风机性能的影响，结果表明异常偏差交错角将导致压力波动强度增大[4]；周帆等人运用CFD数值模拟技术，对不同轮毂比的T40风机流场结构与气动特性进行了比较分析,得到了风机效率与轮毂比几乎呈线性递减关系的结论[5]。再次，对于整个空调风系统而言，目前研究多趋向于能耗分析及节能措施改进方面。曹双华等人针对纺织厂空调风系统，建立了主要耗能设备能耗优化模型，探讨了其空调风系统最小运行能耗[6]；张烽分析了夏热冬暖地区大型购物中心能耗特点，发现对空调风系统采用全部热回收、风机变频等方式有明显节能效果[7]。

以上研究内容几乎没有对空调箱、回排风机及环控风系统性能随运营年限变化规律的研究，而这对于长年运营的地铁车站等建筑节能高效意义重大。本文通过分层抽样方法确定上海地铁不同年限运营车站，并对其空调箱、回排风机和风系统的能效进行实测评估，获得风系统单体设备和系统能效随运营年限的变化规律，为地铁车站风系统的新产品准入、设备大修或更换、提高地铁车站环控风系统能效等提供参考。

1 研究方法

1.1 实测车站样本的选取

测试车站的选取过程为：将上海轨道交通191个岛式地铁车站依据运营年限分为近期(2013年8月至2017年8月)、中期(2009年8月至2013年8月)和远期(2005年8月至2009年8月)3类，并以分层抽样样本量90%的置信度、允许相对误差不超过15%为依据，选取30个车站进行了实地考察。根据现场测试条件，以及车站规模相似、客流量相似等条件，最终确定4、8、10、12和13号线中的18个车站的环控设备和系统作为测试对象，其中，近期、中期和远期运营年限车站的数目分别为7、4、7个。所选车站均为标准岛式地下非换乘车站，其环控系统形式相同，且各时期车站设备匹配容量范围也相同，各车站主要环控设备的类型及参数见表1。

表1 各车站主要环控设备的类型及参数

采用格鲁布斯检验法[11]对实测数据进行坏值剔除，从而保证分层抽样样本实测数据的可靠性，且能反映上海地铁环控风系统能效变化的普遍规律。

1.2 风系统及其设备能效评价指标的确定

1.2.1空调箱能效评价指标及其计算方法

依据相关行业标准[8]，空调箱性能评价指标选择风机单位风量耗功率Ws、空调箱制冷量Qa、空调箱冷量衰减率α，3个参数的定义式分别见式(1)、式(2)和式(3)。

(1)

式中N1为风机输入功率，W；L为风机实际风量，m3/h。

(2)

式中L1为送风量，m3/h；ρ1为进口空气密度，kg/m3；d1为进口空气含湿量，kg/kg；h1为机组进口空气比焓，kJ/kg；h2为机组出口空气比焓，kJ/kg；cpw为水的比定压热容，kJ/(kg·℃)，取4.18 kJ/(kg·℃)；t2为机组出口空气湿球温度，℃；Δd为机组进出口空气含湿量差，kg/kg。

(3)

式中Qe为空调箱额定制冷量，kW。

1.2.2回排风机能效评价指标及其计算方法

回排风机评价指标采用风机单位风量耗功率Ws[8]。

1.2.3空调风系统能效评价指标

为了便于对不同运营年限地铁风系统能效的评估，提出用空调系统供冷能效比η评价地铁车站空调季风系统能效，其定义式见式(4)。

(4)

式中 ∑Nj为空调系统各用电设备的平均输入功率之和，包含冷水机组、冷却塔、空调箱、水泵和回排风机的输入功率，kW。

1.3 实测方案

依据上文地铁车站风系统典型设备和系统能效评价指标参数需求，空调箱主要实测参数为进出风温湿度、送回风风量和输入功率，回排风机主要测试参数为风量与输入功率。计算空调系统供冷能效比还需测定冷水机组、冷却塔、水泵的输入功率[8,11]。上述参数均需在正常空调设计工况下测定，参数稳定15 min后开始测量。

依据国家相关空调检测标准[8]，所有设备功率均从地铁车站环控电控室机柜上读取，并用钳形功率表检测机柜后面相关线路进行核对；空调箱送、回风温湿度分别在地铁车站空调箱进风和出风口处采用便携式温湿度计每隔5 min读取获得，并与地铁车站环控机房计算机显示屏上的参数相互验证；空调箱与回排风机风量测试时均采取将矩形回风口截面等分为四部分，取各部分中心风速的平均值作为测试结果，并结合回风口面积计算风量。测试所用相关仪器、仪表参数见表2。

表2 地铁车站风系统主要测试仪器参数

2 实测结果与分析

2.1 空调箱能效随运营年限变化特征

18个地铁车站各空调箱的实测平均冷量为309 kW。图1给出了不同运营年限地铁车站空调箱冷量实测结果。由图1可知：近期运营年限车站空调箱冷量需求最低(为203 kW)，中期最高(为233 kW)，近期较中期低12.8%；远期空调箱冷量平均值(为220 kW)因设备年限长且换热效果差比中期低了5.6%左右。图2给出了不同运营年限空调箱平均冷量衰减度的变化趋势及其经验拟合式。由图2可见，随着运营年限的增加，各地铁车站空调箱平均冷量衰减率逐渐增大。地铁运行初期，因设备较新、换热效率好，空调箱冷量衰减率较小，为18%左右；运营中期地铁车站空调箱冷量衰减率逐渐增大，也就是空调箱实际换热能力较设备额定换热能力逐渐下降，这一下降趋势在地铁车站运营远期最为明显，可达到约60%，可见中远期空调箱换热能力将明显衰减。

图1 不同运营年限地铁车站空调箱冷量实测结果

图2 空调箱平均冷量衰减率随运营年限的变化

图3显示了空调箱风机单位风量耗功率随不同运营年限的变化趋势，单位风量耗功率平均值近期为0.44 W/(m3/h)，中期为0.38 W/(m3/h)，远期为0.46 W/(m3/h)。对比JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))可见，近期、中期各有1个车站，远期有3个车站不符合标准要求，但整体上空调箱风机单位风量耗功率的平均值均低于该限定值。图4显示了空调箱送风机单位风量耗功率平均值随运营年限的变化，拟合曲线趋于平缓，各运行时期空调箱单位风量耗功率平均值均约为0.42 W/(m3/h)，小于限定值0.52 W/(m3/h)。可见，空调箱的风机性能并不随运营年限的增加而发生规律性变化，并且各运营时期空调箱风机均处在高效运行状态，建议通过定期维护保养来保持风机的高效。

图3 不同运营年限空调箱风机单位风量耗功率实测结果

图4 空调箱送风机单位风量耗功率平均值随运营年限的变化

2.2 回排风机能效随运营年限变化特征

18个实测车站中，不同运营年限回排风机单位风量耗功率变化趋势如图5所示。图5中回排风机单位风量耗功率近期平均值为0.50 W/(m3/h)，中期平均值为0.26 W/(m3/h)，远期平均值为0.28 W/(m3/h)，结合JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》[8]中的限定值(0.52 W/(m3/h))来看，各时期回排风机单位风量耗功率平均值均低于标准限定值，仅近期和远期各有1个车站回排风机单位风量耗功率大于0.52 W/(m3/h)，不满足标准要求。

图5 不同运营年限车站回排风机单位风量耗功率实测结果

2.3 空调系统供冷能效比随运营年限变化特征

通过对18个车站冷水机组、冷却塔、空调箱、水泵、回排风机功率的实测，计算得到地铁运营近期、中期和远期的空调系统供冷能效比。不同车站空调系统各用电设备的实测功率平均值与空调系统供冷能效比平均值计算结果见表3。

表3 各用电设备的实测功率平均值与空调系统供冷能效比平均值计算结果

由表3可见：空调箱冷量中期较大；换热设备总功率平均值近期为147 kW，中期为109 kW，远期为133 kW，中期较近期低25.9%；非换热设备总功率平均值近期为57 kW，中期为35 kW，远期为53 kW，中期较近期低38.6%；环控系统设备总功率平均值近期为204 kW，中期为145 kW，远期为187 kW，中期较近期低28.9%；对运营年限为2、4、7、10、12年的空调系统能效比分别取平均值，进一步计算各运营时期空调系统供冷能效比平均值，得到近期为1.00，中期为1.63，远期为1.18。根据式(5)，空调系统供冷能效比越大，表明地铁车站空调季风系统能效越高，结合图6可知，地铁运营近期和运营远期其空调季风系统能效较低，而运营中期较高。

图6 空调系统供冷能效比随车站运营年限的变化

究其原因，在地铁车站运营近期，因围岩盾构中蕴藏着大量自然冷源(上海新建地铁车站周围土体温度为20～25 ℃)，导致空调季车站冷负荷较小，而地铁站内换热设备空调箱、冷水机组及冷却塔的容量多依据远期最不利工况(即车站冷负荷最大)来选定。故在运营近期空调箱等换热设备均在较低负荷率下运行，大马拉小车现象严重，导致设备总耗功率最大，运营近期地铁车站的空调系统供冷能效比最低。地铁车站运营中期，由于车站负荷率较高，换热设备在能效较高的状态下运行，空调箱、冷水机组和冷却塔等设备的换热效果良好，空调系统供冷能效比较高。而到了远期，虽然车站空调季的负荷率仍很高，但是随着运营年限的增加，空调箱、冷水机组和冷却塔等换热设备的换热效率明显下降，导致设备总耗功率增大，引起空调系统供冷能效比下降。因此，总体上呈现地铁车站运营近期和运营远期空调系统供冷能效比较低，运营中期较高的变化特性。

3 结论

1) 空调箱冷量平均值近期最低、中期最高，近期较中期低12.8%，而远期较中期低5.6%左右。随着运营年限增加，各地铁车站空调箱平均冷量衰减率逐渐增大。这一衰减趋势在地铁车站运营远期最为明显，可达约60%，可见中远期空调箱换热能力将明显下降。

2) 空调箱风机单位风量耗功率各时期平均值近期为0.44 W/(m3/h)，中期为0.38 W/(m3/h)，远期为0.46 W/(m3/h)，与运营年限无明显线性关系，表明定期维护可以保障不同运营年限风机均具有较好的能效水平。

3) 回排风机单位风量耗功率运营近期平均值为0.50 W/(m3/h)，中期为0.26 W/(m3/h)，远期为0.28 W/(m3/h)，呈现出非换热设备能效与运营年限无明显线性关系的特点。

4) 各运营时期空调系统供冷能效比平均值为近期1.00、中期1.63、远期1.18，呈现地铁车站运营近期和远期较低，运营中期较高的变化特性。