南京地鐵一號(hào)線(xiàn)空調(diào)通風(fēng)大系統(tǒng)運(yùn)作方式與能耗初步分析
摘 要：在國(guó)內(nèi)的所有地鐵項(xiàng)目中，南京地鐵率先在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)上全線(xiàn)實(shí)施風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行。本文就地鐵空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的兩種運(yùn)行模式，傳統(tǒng)的通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)閥開(kāi)度和風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)的運(yùn)行模式與風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的運(yùn)行模式，對(duì)不同運(yùn)行模式運(yùn)行能耗進(jìn)行了初步分析比較， 闡述了風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的運(yùn)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(gè)橫置于地下的箱型建筑物，其內(nèi)部空間與外界相對(duì)閉塞，只有出入口和風(fēng)亭口部等少數(shù)部位與外界相通。密集的客流、高速運(yùn)行的列車(chē)、各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行、以及連續(xù)的照明都會(huì)產(chǎn)生很大熱量?？照{(diào)冷負(fù)荷中的很大部分來(lái)之于列車(chē)的運(yùn)行，運(yùn)行密度越大，空調(diào)冷負(fù)荷越大。南京地鐵1號(hào)線(xiàn)采用閉式系統(tǒng)，遠(yuǎn)期全線(xiàn)11個(gè)地下車(chē)站空調(diào)通風(fēng)大系統(tǒng)高峰冷負(fù)荷高達(dá)24200 kW，空調(diào)通風(fēng)大系統(tǒng)裝機(jī)容量超過(guò)10000kW。空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是地鐵非常重要的設(shè)備系統(tǒng)之一，其運(yùn)行耗電僅次于列車(chē)牽引用電，如何尋找一個(gè)節(jié)約能耗的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)作方式是當(dāng)前地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。
二、 空調(diào)冷負(fù)荷
地下車(chē)站公共區(qū)的冷負(fù)荷主要由燈具和電扶梯等機(jī)電設(shè)備產(chǎn)熱、乘客濕熱量、建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)濕量、列車(chē)停站產(chǎn)熱和列車(chē)運(yùn)行活塞風(fēng)負(fù)荷。其中列車(chē)停站產(chǎn)熱和列車(chē)運(yùn)行活塞風(fēng)負(fù)荷占總冷負(fù)荷的70%以上。車(chē)站公共區(qū)的冷負(fù)荷受客流的明顯影響，伴隨客流的早晚高峰，車(chē)站負(fù)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(duì)涼爽，且隧道經(jīng)過(guò)了夜間的冷卻，溫度也相對(duì)較低。而晚高峰時(shí)雖然室外氣溫較高，但客流和行車(chē)密度均比早高峰要小。
地鐵空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在夏季運(yùn)行最小新風(fēng)量工況，春秋過(guò)渡季運(yùn)行全新風(fēng)量工況，冬季運(yùn)行通風(fēng)工況。典型地下車(chē)站不同時(shí)期、不同工況的日平均冷負(fù)荷見(jiàn)表1。
表1
初期、中期和遠(yuǎn)期相同工況的日平均冷負(fù)荷之比大約為1:1.287:1.563,同一時(shí)期最小新風(fēng)量、全新風(fēng)量和通風(fēng)工況日平均冷負(fù)荷之比大約為1:0.565:0.308。
三、 典型地下車(chē)站通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)設(shè)備配置
典型地下車(chē)站空調(diào)通風(fēng)大系統(tǒng)設(shè)備配置詳見(jiàn)附圖，通常四臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組（KT-1、KT-2、 KT-3、 KT-4）和四臺(tái)回/排風(fēng)機(jī)（HPF-1、HPF-2、HPF-3、HPF-4）分別設(shè)置在站廳層（負(fù)一層）兩端，各負(fù)責(zé)車(chē)站整個(gè)公共區(qū)50%的空調(diào)區(qū)域。三臺(tái)柜式空氣處理機(jī)組（K1-1、K2-1、K2-2）用于小系統(tǒng)（設(shè)備管理用房），單獨(dú)設(shè)置。冷水機(jī)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(duì)應(yīng)設(shè)置，其中冷水機(jī)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(shè)備，除冷卻塔外，其余都設(shè)置在站臺(tái)層（負(fù)二層）的冷凍機(jī)房。通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2至表7：
表2
1、傳統(tǒng)運(yùn)行模式：
（1）最小新風(fēng)量工況
由組合式空調(diào)機(jī)組送入公共區(qū)的氣流經(jīng)回風(fēng)口由回/排風(fēng)機(jī)將大部分排入新回風(fēng)混合室，與少量新風(fēng)混合由組合式空調(diào)機(jī)組吸入處理后再次循環(huán)，小部分經(jīng)風(fēng)亭排出站外。
運(yùn)行時(shí)，室外空氣條件：空氣焓值≥70KJ/KG；
（2）全新風(fēng)量工況
由組合式空調(diào)機(jī)組送入公共區(qū)的氣流經(jīng)回風(fēng)口由回/排風(fēng)機(jī)全部通過(guò)風(fēng)亭排出站外，不再循環(huán)使用。組合式空調(diào)機(jī)組全部吸入新風(fēng)，處理后送至車(chē)站公共區(qū)。
運(yùn)行時(shí)，室外空氣條件： 70KJ/KG>空氣焓值≥54 KJ/KG；
（3）通風(fēng)工況
該工況通風(fēng)方式與全新風(fēng)量工況完全相同，只是冷水機(jī)組停機(jī)。
運(yùn)行時(shí)，室外空氣條件：空氣焓 <54 KJ/KG。
（4）根據(jù)冷負(fù)荷的變化，系統(tǒng)制冷量的調(diào)節(jié)是通過(guò)變風(fēng)量，從而使冷水的溫度發(fā)生變化來(lái)控制冷水機(jī)組運(yùn)行的臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。國(guó)內(nèi)地鐵北京復(fù)八線(xiàn)、上海一號(hào)線(xiàn)和二號(hào)線(xiàn)、廣州一號(hào)線(xiàn)均采用上述運(yùn)行模式。
按照表一提供的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)，典型地下車(chē)站不同時(shí)期，傳統(tǒng)運(yùn)行模式空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和耗功見(jiàn)表8。
表8
（1）最小新風(fēng)量工況
由組合式空調(diào)機(jī)組送入公共區(qū)的氣流經(jīng)回風(fēng)口由回/排風(fēng)機(jī)將大部分排入新回風(fēng)混合室，與少量新風(fēng)混合由組合式空調(diào)機(jī)組吸入處理后再次循環(huán)，小部分經(jīng)風(fēng)亭排出站外。組合式空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)和回/排風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速運(yùn)行。
運(yùn)行時(shí)，室外空氣條件：空氣焓值≥70KJ/KG；
（2）全新風(fēng)量工況
只開(kāi)組合式空調(diào)機(jī)組，利用風(fēng)亭進(jìn)風(fēng)，出入口自然排風(fēng)，關(guān)閉回/排風(fēng)機(jī)，組合式空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)，室外空氣條件： 70KJ/KG>空氣焓值≥54 KJ/KG；
（3）通風(fēng)工況
只開(kāi)組合式空調(diào)機(jī)組，利用風(fēng)亭進(jìn)風(fēng)，出入口自然排風(fēng)，關(guān)閉回/排風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)組，組合式空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速運(yùn)行?；蛑婚_(kāi)回/排風(fēng)機(jī)，利用出入口自然進(jìn)風(fēng)，風(fēng)亭排風(fēng)，關(guān)閉組合式空調(diào)機(jī)組和冷水機(jī)組，回/排風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速運(yùn)行。
運(yùn)行時(shí)，室外空氣條件：空氣焓值H <54 KJ/KG。
（4）根據(jù)冷負(fù)荷的變化，系統(tǒng)制冷量的調(diào)節(jié)可通過(guò)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。水系統(tǒng)定水量運(yùn)行。
（5）改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)空氣動(dòng)力性能相似。在管網(wǎng)阻力與流量平方成正比的通風(fēng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)機(jī)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(fù)荷數(shù)據(jù)，典型地下車(chē)站不同時(shí)期，利用車(chē)站出入口進(jìn)排風(fēng)和風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速方式的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及耗功見(jiàn)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(fēng)量工況
全年運(yùn)行時(shí)間為997小時(shí)；
2 、全新風(fēng)量工況
全年運(yùn)行時(shí)間為1209小時(shí)；
3 、通風(fēng)工況
全年運(yùn)行時(shí)間為4364小時(shí)。
六、典型地下車(chē)站不同時(shí)期、不同運(yùn)行模式和不同工況的運(yùn)行能耗
根據(jù)上述空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備不同工況的運(yùn)行參數(shù)，各類(lèi)運(yùn)行狀況的能耗見(jiàn)表10
表10
根據(jù)表10和全年運(yùn)行時(shí)間的數(shù)據(jù)，典型地下車(chē)站空調(diào)通風(fēng)大系統(tǒng)不同時(shí)期、不同運(yùn)行模式和不同工況運(yùn)行的年耗能見(jiàn)表11 表11
表12
典型車(chē)站空調(diào)通風(fēng)大系統(tǒng)采用車(chē)站出入口進(jìn)排風(fēng)方式和風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的運(yùn)行模式，相比較傳統(tǒng)運(yùn)行模式，南京地鐵一號(hào)線(xiàn)11個(gè)地下車(chē)站：
1、 初期運(yùn)行每年可節(jié)約電費(fèi)330萬(wàn)元。
2、 中期運(yùn)行每年可節(jié)約電費(fèi)460萬(wàn)元。
3、 遠(yuǎn)期運(yùn)行每年可節(jié)約電費(fèi)560萬(wàn)元。
兩種運(yùn)作方式，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備配置完全一樣，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行模式需在控制系統(tǒng)增加變頻調(diào)速器，11個(gè)地下車(chē)站共需88套，增加投資不超過(guò)200萬(wàn)元。
根據(jù)以上分析，采用車(chē)站出入口進(jìn)排風(fēng)方式和風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的運(yùn)行模式，相比較傳統(tǒng)運(yùn)行模式，有著較好的節(jié)能前景，有利于降低未來(lái)的地鐵運(yùn)行費(fèi)用。因此，南京地鐵一號(hào)線(xiàn)已在國(guó)內(nèi)地鐵率先采用這種先進(jìn)的節(jié)能運(yùn)行模式，并已在地鐵一號(hào)線(xiàn)工程上實(shí)施。地鐵通車(chē)后，我們將對(duì)上述不同模式和工況的運(yùn)行參數(shù)逐一測(cè)試，以驗(yàn)證本文的分析結(jié)果。
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