跨座式单轨通风空调系统的节能控制与应用

朱庆松 何小宝 丁厚成 连志虚

1 中车南京浦镇车辆有限公司

2 江苏中车数字科技有限公司

3 安徽工业大学建筑工程学院

0 引言

城市轨道交通中的通风空调系统，是轨道交通的重要组成部分，承担着通风以及防排烟的功能，直接影响乘客乘车环境的舒适度，通风空调系统在日常运营过程中消耗大量电力，根据调查统计，我国城市轨道交通通风空调系统的电力能耗达到城轨运营总能耗的40%[1]。

由于各机电系统中通风空调系统耗能较大，设备众多且分散，不宜维护和管理，要做到整个通风空调系统的管控与协调，需环境与设备监控系统（BAS 系统）对整个通风空调系统进行集中监控与管理[2]。各个车站与整条线路的环控，不仅要求通风空调系统的设计合理、施工规范，更需要合理的设计环境与设备监控系统，并对其控制模式进行选择和优化，做到实时监控、实时调节，及时发现运营过程中的问题，监控设备的运行状态，做到既满足安全运营，又能达到节能环保的效果[3]。

1 工程概况

芜湖轨道交通1 号线为南北向的跨座式单轨城市交通线路，线路全长30.410 km，全线为高架敷设，共设车站25 座，均为高架站，2 号线一期线路全长15.796 km，其中地下线长1.246 km，地面及高架线14.550 km，全线共设车站11 座（高架站10 座、地下站1 座），在芜湖火车站建设地下两层岛式站台车站。

对于地下车站，在地面设置两组风亭，并在地下布置相应风道，利用单轨列车进出隧道产生的活塞风进行通风。

2 跨座式单轨通风空调系统

2.1 系统构成

由于芜湖市轨道交通1 号线、2 号线一期工程，除火车站为地下车站，其余车站均为高架站，高架站通风空调系统较简单，主要设备集中在设备管理用房内，通风空调的投资与能耗也相比地下车站大幅度减少，对于地下车站，通风空调系统主要分为车站通风空调系统与隧道通风空调系统如图1 所示，涉及的设备有隧道轴流风机、射流风机、多联机、组合式空调柜、风机盘管、风阀、消声器、冷水机组、防烟防火阀、风阀、冷水泵、冷却塔等[4-6]。

图1 芜湖市轨道交通通风空调系统组成

2.2 高架车站及车辆段通风空调制式

芜湖轨道交通1 号线、2 号线一期工程高架车站及车辆段设备管理用房的通风空调系统采用多联变频空调加全热新风系统，如：车控室、监控设备室、高压开关柜室、站台门控制室等。对于高架车站公共区因属于半开敞空间，故不设置空调系统，采用自然通风模式。通信、信号等有温湿度要求的设备用房设置机房专用空调，全年不间断运行，分散的值班室和客服室采用壁挂式分体空调。站台、站厅、管理用房内走道采用自然通风、自然排烟模式[7]。

高架站和车辆段以及控制中心设备用房的通风空调，通过多联式空调室内机承担室内热湿负荷，全热新风机将室外新风通过新风管引入设备用房，保证室内空气的新鲜以及将室内污浊有害气体排出，保障室内环境安全。芜湖市轨道交通项目采用的新风机为全热新风机组，通过回收室内回风的热湿负荷，到达节能换气的作用。

2.3 地下车站通风空调制式

地下车站位于国铁芜湖站东广场前方站东路中，本站为地下路中两层岛式站台车站，车站标准段宽度22.28 m，总长166.00 m，车站总建筑面积9865.8 m2。

地下站设置全封闭站台门，将轨行区与站台公共区分隔开，通风空调系统（简称大系统）采用全空气一次回风系统，将新风与部分回风处理至室内状态等焓湿量点后送至公共区。

2.3.1 区间隧道通风系统

地下车站隧道两端各设置一条活塞风道如图2 所示，车站两端隧道风机房各设2 台隧道风机（TVF 兼车站隧道排热风机，变频），2 台互为备用，也可并联运行。在车站两端地下区间设置射流风机，正线隧道活塞风道净过流断面积不小于20 m2，活塞风阀开孔面积不小于25 m2。隧道风机通过天圆地方管与消声器进行连接，地下车站两台隧道风机可以彼此独立运行，又可以相互冗余备用，以满足正常运营时送排风要求，且BAS 系统可对风阀进行控制，进而实现正常运营、单轨列车阻塞在隧道中、区间隧道发生火灾等不同工况时风阀的开闭[8]。

图2 地下车站区间隧道通风系统图

对于地下区间隧道，在单轨车辆正常行驶情况下，利用单轨车辆进出隧道形成的活塞风，并通过活塞风道风井等设施与外界进行空气交换，进行隧道日常的通风换气，如图3 所示。

图3 地下车站区间隧道活塞通风示意图

由于单轨列车在隧道内行驶产生的热量，以及单轨列车车厢内的通风空调与隧道内的空气进行热湿交换，必然造成隧道内空气焓湿量过高，同时造成有害气体的聚集[9]。当单轨列车的活塞风无法将隧道内的热量与湿量完全带走时，需要设置机械通风，通过风机的强制对流，将区间隧道内的有害气体排除隧道外，同时补入室外新风。

2.3.2 地下车站通风空调系统

城市轨道交通车站的站厅层、站台层公共区是乘客活动的主要场所，也是通风空调系统的主要控制区，公共区的通风空调简称为大系统[10]。芜湖火车站地下车站公共区通风空调采用采用全空气一次回风系统，每端空调机房内各设1 台组合式空调机组、1 台回排风机、1 台排烟风机负担站厅、站台层公共区排烟。组合式空调机组将室外新风与部分室内回风进行混合，对送风进行过滤冷却去湿，并处理至室内状态等焓湿量点后送至公共区。

地下车站的设备及管理用房主要为各机电设备室，如信号设备室、环控电控室、通信设备室、整流变压器室、开关柜室等，以及运营管理用房，如站长室、警务室、站务室、更衣室、会议室等，其中机电设备室的工作环境状态将直接影响城市轨道交通的乘车环境与安全运营[11]，各设备及管理用房对于温湿度、空气中的含尘量、房间内风速要求不尽相同，根据芜湖市轨道交通地下车站的设计、暖通空调设备的选型，芜湖火车站地下车站设备管理用房可以大致分为5 类：

1）空调设备用房，如车站控制室、站务室、AFC 票务室、弱电系统综合值班室、信号设备室、环控电控室、通信设备室等。

2）冷风降温用房，如35 KV 开关柜室、整流变压器室、1500 V 直流开关柜式、上网隔离开关柜式室等。

3）空调管理用房，如站长室、会议室、警务室、乘务员休息室、更衣室等。

4）通风房间，如：通风空调机房、冷水机房、内走道、消防泵房、照明配电室、检修室、电力电缆井、气瓶室、安检设备室等。

5）独立排风用房，如茶水室、卫生间、盥洗室、保洁工具间等。

当设备及管理用房火灾发生时，不同类型的设备用房选择不同的消防模式[12]，对于管理用房与通风排风用房一般选用人工灭火，并通过机械排风方式进行排烟，而对于重要机电设备用房，关闭送、排风管进行气体灭火。

3 BAS 系统构成及对暖通设备的监控

环境与设备监控系统对车站中的暖通空调系统（HVAC）、火灾报警系统（FAS）、风机控制箱、冷水机组集控柜、环控柜、电动二通阀、多联机等环控设备进行有效和全面的智能化集中监控与管理，通过前端处理器与远程模块箱对车站内温湿度、CO2传感器、FAS系统上传的数据进行采集分析，以此对通风空调系统进行相应的模式控制，提供一个舒适的乘车环境，同时兼顾机电的节能管理，并在单轨列车阻塞或火灾等突发事故状态下，协调与联动车站设备，充分发挥各机电设备应有的作用，保证乘客的安全[13]，其中车站BAS系统构成如图4 所示。

图4 车站BAS 系统构成图

3.1 BAS 系统构成

BAS 系统采用分散集中的原则在被控设备附近设置远程I/O 模块等，远程I/O 模块及通信接口等模块采用冗余双总线接入PLC 控制器。在车站通风机房、照明配电室、车站各类水泵房或水泵房附近、变电所等地设置远程I/O 模块箱，监控现场设备。

控制中心和车站通过BAS 系统进行机电设备的集中管理，并可由控制中心调度工作站、车站操作员工作站、就地控制箱进行机电设备控制。当发生火灾时，FAS 系统会将火灾信息传输给BAS 系统，由BAS系统按照预定模式或工作人员的操作，进行相关设备的联动。如关闭空调系统，开启防排烟系统，并对送风与排烟方向进行控制，同时开启闸机与释放门禁，疏散人员。

3.2 BAS 系统与暖通设备之间的接口

BAS 系统通过与环控柜、冷水机组集控柜、风机控制箱、电动二通阀、电动防烟防火阀、电动排烟窗之间的接口，进而控制暖通空调设备[14]。在地下车站两端的环控电控室内，通过五类屏蔽网络电缆，建立BAS系统机柜与环控柜之间的通信通道，其中接口界面如下图5 所示：

图5 BAS 系统与环控柜接口界面

在BAS 与环控柜之间建立通信通道，可实现对相关通风空调设备的自动监视及控制，BAS 可采集环控设备的状态以及报警信息，并下达控制指令，控制相关设备按监控要求运行或停止，对于地下车站的风机盘管，由电动二通阀调节其冷冻水的出水量，BAS系统远程模块箱中的AO、AI、DI 模块端子与风机盘管上的电动二通阀通过硬线进行连接，用来对电动二通阀的开度进行监视与控制，进而控制风机盘管的空气处理效果，接口界面如图6 所示：

图6 BAS 系统与电动二通阀接口界面

除上述BAS 系统除与环控柜、电动二通阀、冷水机组集控柜之间的接口外，还与多联机、机房专用空调、风机控制箱、防火阀、排烟窗等通过RS485、RJ45、硬线等方式与远程模块箱中的端子进行连接，从而监视风机等设备的故障报警、运行与停止。

3.3 BAS 系统对暖通空调的智能控制与探讨

BAS 系统的功能主要有：1）数据库管理功能。2）输入数据处理功能。3）通用的人机界面，人机界面的图形与文字显示，用层次化、生动丰富的画面，将系统和各子系统接线图、总貌图、流程图、趋势图显示出来，如图7 所示，显示的画面主要有各系统的主画面、设备维护画面等，如设备布置图、大系统通风图、隧道通风图、小系统通风图、空调水系统图、温湿度传感器图等。4）监视功能，系统及现场设备的状态通过操作员操作站监视，状态信息用文本或静态与动态图形的方式显示。5）冗余设备的自动切换。6）系统安全与操作权限的管理。

图7 BAS 系统环控控制界面

通风空调设备监控模式的优化，对智能化管理与运营有着重要的作用，通过BAS 系统的集中监控，有利于后期运营和节能管理，以及突发模式下的紧急控制与正常模式下的时间表控制[15]，通过BAS 系统统一管理设备的启停，不同运营时刻进行不同自动化控制。

通风空调系统运行模式有正常运行模式、火灾运行模式、突发状况运行。在正常运行模式下，BAS 系统通过接收并分析温湿度传感器以及二氧化碳传感器的记录数据，判别应运行何种控制模式，在空调季节有小新风运行模式、全新风运行，非空调季节应当进行全通风模式[16]，以保证车站环境的舒适性。

除正常运营模式外，还应当考虑区间隧道火灾、站台层火灾、站厅层火灾、站台轨行区火灾、设备管理用房火灾、出入口通道火灾、列车阻塞在高架车站或地下车站时，通风排烟系统的控制模式，通过BAS 联动其他系统，控制相应的风机送风方向，排烟系统的排烟方向，保证人员及时的疏散。

除上述可能存在的风险，还需及时更新信息，分析研究当前以及未来的规划和需求，目前中国处于疫情防控阶段，给轨道交通建设和后期运营提出了新的难题，芜湖市轨道交通多数为高架车站，在站厅层和站台层采用开窗自然通风，可以有效的保证车站的通风换气，利于乘客的安全，对于地下车站，通风空调设计为全空气一次回风系统，将新风与部分回风处理至室内状态等焓湿量点后送至公共区，回风中可能会含有新冠病毒，此时将新风与部分室内排风混合后，送入公共区或设备用房将造成人员感染的风险。

4 总结与思考

本文详细论述了芜湖市轨道交通1 号线、2 号线一期工程中通风空调制式与系统构成、BAS 系统的构成与控制模式，以及BAS 系统通过与通风空调各设备之间的接口，形成对通风空调的集中管控与联动。在暖通空调设计的基础上，如何利用BAS 系统对其进行智能化管理与控制，是值得探讨研究的，这关系到设备调试以及开通运营。当BAS 系统能合理控制通风空调系统的运行，才能保证乘车的安全与舒适性，同时应考虑实际工程、气候条件以及后期运营情况，合理的设计与优化控制模式。BAS 系统软硬件需要达到一定标准，可开发各种模式的管理操作程序，方便后期运营人员操作，以达到节能、环保、安全、智能化运营。