基于实测的地铁车站设备管理用房通风空调系统性能优化分析研究

宋 洁 郑 懿 张晓晨

1.上海申通地铁集团有限公司

2.同济大学机械与能源工程学院

0 引言

地铁是现代城市的动脉，在城市交通系统中发挥着重要作用。为了维持地铁交通系统的正常运行，稳定可靠的地铁车站通风空调系统不可或缺。地铁车站通风空调系统通常分为三个部分：隧道通风空调系统、车站公共区通风空调系统以及车站设备管理用房通风空调系统［1］。目前关于地铁车站通风空调系统的性能优化与节能技改研究，有很多针对车站公共区通风空调系统即“大系统”来开展，因其负责站厅站台等负荷较大的公共区域的空气热湿参数调节与新风控制而需要较大的容量。但实际控制地铁车站设备管理用房环境参数控制的“小系统”同样在地铁通风空调系统中起着重要作用。小系统不仅要调节各管理用房内的热湿参数，为车站工作人员提供舒适的工作环境，还需要控制设备用房的温湿度，而部分设备的正常运行可能对环境参数控制有一定的精度要求，这对应了更高的故障成本，也对通风空调系统的运行调节提出了更高的要求［2］。

目前国内的地铁车站设备管理用房通风空调系统从设计阶段到运行阶段都存在一定的改进空间［3］。在设计阶段，负荷匹配度低、管道布置阻力不平衡、冷机容量过大等问题常常出现；在运行阶段，风系统流量失衡、水系统管路泄漏、冷机能效降低等问题时有发生［4］。因此，有必要对典型项目进行实地检测与分析，对地铁车站设备管理用房通风空调系统实际运行阶段出现的各种问题进行及时的诊断。一方面，可以实现对已有系统的运行策略优化，另一方面，也可以为新建地铁车站通风空调系统在设计层面提供参考。

上海作为超大规模的现代城市，其城市地铁交通线已经成为市内人员密度分配与平衡的关键通道，配套的地铁车站通风空调系统相对也较为成熟且完善［5］。本文基于对上海地铁某线甲站与乙站的实地检测调研评估，通过项目的对比分析研究，以期从技术、设备、管理等多方面提供地铁车站设备管理用房通风空调系统问题解决与优化方案。

1 检测评估

1.1 项目概况

检测评估对象的基本情况见表1。

表1 车站设备管理用房通风空调系统基本情况

1.2 评估方案

本次检测评估对象为甲站与乙站设备管理用房通风空调系统，检测评估将按照房间需求、末端设备、冷热源、运维等层次，在日常实际运行工况条件下，分别对室内环境、空调机组与末端风口、冷水机组制冷系统/多联机系统能效、运维及检查这四方面进行检测评估，具体内容如下：

1）室内环境：分别对两座地铁车站的设备管理用房室内热湿环境及空气品质进行检测与评估，具体包括室内空气温湿度、CO2浓度、PM10、PM2.5浓度检测，以评价空调及通风系统的实际运行效果。

2）空调机组与末端风口：分别检测两座地铁车站设备管理用房空气处理机组的总风量、新风量、机外静压、功率、噪声等，部分参数可与环控系统监控界面相应参数监测结果对照，同时，检测设备管理用房各个房间的送风口风量及温湿度，评估系统负荷匹配及风量平衡情况。

3）冷水机组制冷系统/多联机系统能效：通过对甲站制冷机房和乙站的多联机室内室外机性能测试，以评估制冷系统能效，完成不同制冷系统形式的能效对比。

4）运维及检查：调研两座车站通风空调系统检测日运行概况，确定检测边界条件；对两座车站通风空调系统进行故障检查，了解当前系统与设备存在的典型问题及短板；通过调研通风空调系统维修保养记录，评估系统运行可靠性；通过调研系统运行模式及执行情况，了解通风空调系统在运维层面的节能与优化潜力。

通常对于地铁车站通风空调系统而言，夏季为空调季，过渡季节与冬季为非空调季。在空调季，系统稳定运行，机组统一设定冷冻水出水温度为7 ℃。在非空调季，集中冷源不运行，但对于设置有冷暖型多联机空调的房间，在冬季也可以提供制热，故对于本项目针对的车站空调小系统而言，甲站采用集中冷源中央通风空调系统，因此在非空调季按照设计文件要求的运行模式确定开启通风设备；乙站采用多联机+新风系统，因此在非空调季按照设计文件要求的运行模式开启送排风机。

为了实现评估目标，需要准确、充分地获取现场环境与设备参数。在空调季与非空调季分别选取空气参数相近的3-4 天进行测试，记录室内外环境空气温度与相对湿度，室内环境CO2、PM10、PM2.5浓度，室内送风口风量、温度、相对湿度。在空调季，记录空调机组风量、机外余压、输入功率、噪声，冷水机组输入功率、冷冻水流量与进出水温度，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔输入功率，多联机机组输入功率，室内机、室外机进出风温度及风量。在非空调季，记录风机设备实时功率。

1.3 检测结果

根据设计文件，夏季设备及管理用房空调计算干球温度34.0 ℃、湿球温度28.2 ℃。夏季通风计算温度32 ℃。车站管理用房夏季空调计算干球温度27 ℃、相对湿度40%～65%。车站设备用房夏季空调计算干球温度27 ℃,相对湿度40%～60%。设备管理用房新风量按每人30 m3/h 计算，且新风量不小于总送风量的10%。车站设备用房冬季空调计算干球温度18 ℃，相对湿度无标准上限值。

根据标准GB/T 51357-2019《城市轨道交通同等空气调节与供暖设计标准》［6］，地下车站通风空调系统空气CO2浓度设计值为1 000 ppm，PM10日平均浓度为0.15 mg/m3。根据标准GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》［7］，采用螺杆式冷水（热泵）机组时，在夏热冬冷地区，其在名义制冷工况和规定条件下的性能系数（COP）应大于4.80（名义制冷量小于528 kW）。

空调季检测日期为2021年9月22日-24日。室外环境参数为温度32.7～36.8 ℃，相对湿度：41.9%～48.2%。新风井环境参数,温度32.1 ℃，相对湿度60.3%。检测前冷水机组出水温度设置为7 ℃。非空调季检测日期为2022年3月3日-4日。室外环境参数温度14.8～19.4 ℃，相对湿度49.4%～62.1%；新风井环境参数为温度16.2 ℃，相对湿度55.7%。

对于室内空气参数，以满足率的形式在表2 中给出测试结果。甲站小系统采用集中冷源中央通风空调系统，乙站小系统采用多联机通风空调系统。从空调参数的满足率可见，夏季冷源运行状态下，温度满足率都较高，而冬季中央通风空调系统不供热时，甲站温度满足率有一定程度的降低。从夏季的湿度控制水平来看，甲站的中央通风空调系统效果要优于乙站的多联机系统，同时CO2满足率也更高。

表2 甲站、乙站空调参数满足率对比

根据夏季工况的检测结果，乙站地铁站及甲站地铁站空调小系统能效对比见表3。

表3 地铁站能效系数对比表

乙站地铁站空调小系统采用风冷式单冷型的多联机机组，根据GB 18837-2015《多联式空调（热泵）机组》［8］，SEER 值应当不小于3.1 Wh/(Wh)，甲站地铁站空调小系统采用螺杆式冷水（热泵）机组，根据GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》，在夏热冬冷地区，其在名义制冷量小于528 kW 时，制冷工况和规定条件下的性能系数（COP）应大于4.80。由此可知，乙站地铁站空调小系统在测试工况下能效系数达到《多联式空调（热泵）机组》中的要求，甲站地铁站LS-3冷水机在测试工况下未达到《公共建筑节能设计标准》中的要求。

根据夏季/冬季工况的检测结果，甲站地铁站的空调小系统在冬季工况下LS-5冷水机组未开启，乙站地铁站空调小系统在冬季工况下，T1、T4、T7 系统未开启，仅开启T5及T9系统，因此对T5、T9系统进行空调季与非空调季的能效对比（见图1）。

图1 T5及T9系统夏季/冬季工况能效对比图

测试工况下，T5 和T9 系统夏季工况比冬季工况能效系数均略高。多联式空调机组在冬季工况下，室内负荷较小，机组经常处于低负荷状态下运行，此外，冬季工况现场测试时，室外机启停频繁，在该工况下，机组无法在最佳负荷率的范围内保持稳定运行，从而导致能效略低。

2 结果与对比讨论

地铁车站内通常具有较大的公共空间，且公共空间内对温湿度参数控制的精度要求不高，因此采用集中冷源的全空气系统可以较好地满足地铁车站的整体需求，但对于小系统负责的设备用房与管理用房，则与一般办公空间类似，多联机通风空调系统在这种情形下有广泛的应用。基于上述原因，地铁车站设备管理用房选用的通风空调系统以全空气系统和多联机系统最为常见，而上一部分对两个典型项目的测试结果则可以说明它们各自应用于地铁车站设备管理用房时的一些特点。

2.1 能效对比

当小系统采用全空气系统时，大系统与小系统的集中冷源可以在同一制冷机房内布置，甲站所采用的全空气通风空调系统冷源即布置在同一机房内，可以在机房设计与设备布置层面上带来一定的便利。甲站为设备管理区单独选用1台水冷螺杆式冷水机组（LS-3），在系统的运行策略上具有一定的灵活性。

从能效水平看，甲站集中式冷水机组的测试能效系数要大于乙站多联机＋新风系统的测试能效系数，并且从额定能效系数百分比来看，集中式冷水机组的理论能效应当更高，因此，若直接在能效上对比，集中式冷水机组比多联机+新风系统更有优势。

实际情况下，集中式冷水机组通常要依赖于制冷机房各配套设备才能正常运行。水作为冷媒时，相比多联机将制冷剂直接作为冷媒的情况而言，可输送的范围更广，但是，相应地增加了冷冻水泵的能耗。同时，冷水机组不以空气为冷源时，持续制冷需要冷却塔和冷却水泵不断运行，因此对于集中式冷水机组供冷的全空气系统而言，不应仅关注冷水机能效系数，而应当分析其机房整体能效。

对于甲站通风空调系统配套的制冷机房而言，若考虑机房整体能效，结果见表4。

表4 制冷机房能效

从系统EER 来看，若与乙站通风空调系统使用的多联机能效系数（3.52）相比较，则多联机+新风系统似乎更高。但实际上，制冷机房中的设备选型规划通常是统筹进行的，甲站制冷机房中的冷却水泵和冷却塔提供的冷却水是供地铁站整个通风空调系统使用，而非仅供小系统使用，因此，若只考虑小系统的系统能效，应当在2.56～4.09 之间，并且相比多联机+新风系统，集中供冷的全空气系统有着更大的节能优化空间。夏季工况下，甲站全空气系统制冷机房的系统能耗分别为冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔能耗，冷水机组系统的能耗占比见图2。

图2 甲站车站制冷机房系统能耗占比图

由图2可见，在制冷机房中，冷水机组的能耗绝对值占比最大，但冷水机组以外的设备能耗同样值得关注。制冷机房中冷水机组为核心设备，理论上在一定的负荷条件下，冷水机组的能耗占制冷机房的能耗比例越大，制冷机房整体能效越高［9］，通常高效制冷机房中冷水机组的能耗占比可达80%，而从图1 的结果来看，说明甲站制冷机房内能耗配置还有待优化。提升制冷机房能效的方法，从设计层面可以采用优化机房管理布置、联动使用蓄冷系统等措施，在运行层面则可以采用大温差供冷策略，结合制冷机房群控系统寻求机房能效最优化。调节冷冻水、冷却水侧的循环温差，当温差增大时对应的流量需求将降低，进而水泵能耗降低，这一策略对于冷水机组能耗占比相对较小的制冷机房尤为适用，但需要配套对应的机房群控寻优系统，否则可能反而使能效降低。

另一方面，由于多联机系统可以灵活启停，其能效系数相对较低，很大程度上是因部分负荷工况的运行时间较长所致，且集中式供冷的全空气系统可能存在过度供冷，室内工作人员已经离开而通风空调系统仍在运行的情况经常发生。相比之下，多联机系统可以实现就地控制，基本可以防止此类情况的发生。因此，即使集中式供冷系统的理论能效要高于多联机+新风系统的理论能效，但实际项目两种系统则是各有优劣，需要结合实际需求确定具体应用的系统形式。

为了结合项目需求作出对系统性能的对比评价，有必要对已有项目的实地检测，但目前多联机系统现场能效检测方法并未在相关标准中落实。在制冷机房中，冷冻水、冷却水的流量与进/出水温度，冷水机、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔的能耗都可以即时获取，因此各设备的电量输入与占比、各末端的冷量输出及分配都是较容易获取的。相比之下，多联机+新风系统的现场检测则较难规范化。在室外机侧，可以对功率进行实时测量，但作为冷媒的制冷剂，其温度、压力、流量都难以获取；在室内机侧，由于送风形式多样，除传统的风机盘管末端外，还有采用长条形出风口的末端，风量罩对风量的测量可能产生一定程度的误差。另外，如果采用室内人员手动引入新风的通风方法，则新风量的测定与新风负荷则更难以定量实现。在乙站多联机系统的测试过程中，在正常运行工况下，连续1小时内对室内机、室外机与对应的环境进行功率、风量与温湿度的测定，从而获取了能耗与室内气象数据，但基于相关项目的广泛需求，具体、规范的测试要求应及时在相关标准中得到落实。

对于在非空调季的部分时间内也需运行的乙站多联机＋新风系统，对比其冬季与夏季的运行状况发现，其冬季能效要低于夏季能效，且夏季、冬季能效均低于额定能效。运行能效低于额定能效，与其频繁启停，长期处于低负荷工况有关。上海属于夏热冬冷地区，而多联机在冬季运行能效却低于夏季能效，则可能是冬季运行时出现了结霜等异常现象，及时地巡检以排查这些问题有助于提高多联式空调的运行能效。

2.2 运行效果对比

除能耗情况外，室内舒适度也是评价通风空调系统优劣的关键因素，温度、湿度与室内污染物水平的控制都在不同层面上反映了两种系统不同的特征。

在夏季，两种系统均有较好的温度控制效果，甲站的全空气系统夏季室温满足率达到100%，乙站的多联机系统仅有少数房间高于温度推荐值，但从测试结果来看，超出值都在1 ℃以内，对室内人员的热舒适感影响不大。在冬季，由于甲站通风空调系统不运行制热工况，因此有部分房间温度低于推荐值。但实际上，由于测试时间为冬末春初，临近过渡季，室外温度并不是很低，而若在温度最低的冬季，则若全空气系统冬季不供热，则室内温度环境可能相对较差。

相比温度情况，夏季的室内湿度控制状况则有待改善。采用全空气系统的甲站，其回风与新风混合后由AHU 统一处理，因此湿度控制水平尚可接受；采用多联机+新风系统的乙站，其湿负荷主要由新风系统承担，但新风系统本身风量设定较小，且部分房间仅通过室内人员手动开窗的形式引入新风，而没有固定的新风管道引入房间，因此湿度控制状况比较恶劣。新风系统与多联机系统全热负荷状况分配不合理，是多联式通风空调系统使用时的常见弊端，而在地铁车站此类人员密集场所，这一弊端可能被放大。若没有合理规划新风系统的布置，可能严重影响车站管理用房内人员的舒适度与工作效率。K2 系统房间室内CO2浓度见图3，K2系统房间室内PM10、PM2.5浓度见图4，T4 系统房间室内CO2浓度见图5，T5 系统房间室内PM10、PM2.5浓度见图6。

图3 K2系统房间室内CO2浓度

图4 K2系统房间室内PM10、PM2.5浓度

图5 T4系统房间室内CO2浓度

图6 T5系统房间室内PM10、PM2.5浓度

图3、图4 展示了甲站使用集中式供冷全空气系统控制室内环境时的典型房间污染物状况，图5、图6 展示了乙站使用多联机+新风系统控制室内环境时的典型房间污染物状况。在满足率上，两者差异并不大，但若直观地对比污染物浓度，可以发现全空气系统运行时，室内空气质量相对更优。

室内污染物的控制状况差异，从系统内分析，与湿度的控制情况类似，但从系统外分析，其散发源更为不稳定，很大程度上受到室外环境的影响，而不同类型的污染物主要来源的空间分布差异是很大的。例如，若将水蒸气也看作一种污染物，则湿度的控制状况和CO2的控制状况在同一系统内应是基本一致的，但从实际的满足率来看，湿度控制的满足率则显著低于CO2的满足率，这是由于夏季室外空气湿度较大，而CO2浓度波动则较小。因此，即使系统污染物控制水平满足率较高，也并不能认定在污染较为严重的室外气象条件下，系统仍然能充分保证室内空气质量。

3 结论

地铁车站设备管理用房通风空调系统通常可以采用与大系统一致的集中供冷式全空气系统，也可以采用单独的多联式通风空调系统与新风系统组合的形式。在能耗方面，集中式供冷全空气系统能效理论上通常高于多联机，但多联机系统运行状态更灵活。在舒适性方面，全空气系统将回风与新风混合后送入AHU 进行统一处理，因此在热湿参数与空气质量控制水平上一般优于多联机+新风系统，其原因在于独立新风系统常常不能按照设计工况运行，甚至部分房间仅靠人员开窗获取新风，导致了其室内空气品质不稳定。从不同的季节运行状况来考虑，对于上海地区的气象条件而言，多联机+新风系统能够较为灵活地应对空调季与非空调季不同室外温湿度条件下的不同工况，而集中式供冷全空气系统通常则仅针对空调季供冷和非空调季通风的条件来进行设计［10-11］。

对于不同的系统，可以采用不同的方式提升其能效，优化能耗水平以实现节约系统运行成本的目的［12］。对于集中供冷式全空气系统，可以依据历史气象参数，基于负荷预测进行冷水机组负载匹配控制，对于整个制冷机房，以机房能效最高作为寻优逻辑优化，形成冷机-水泵-冷却塔的能耗优化整体模型；对于多联机+新风系统，要重点优化多联机管路布置，减少制冷剂沿程压降带来的蒸发温度损失，并在新风系统配置合理的全热负荷容量，设置最低新风量指标，避免出现新风系统提供风量不足的情况，这也是保证多联机+新风系统室内空气品质控制水平的重要条件。