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地铁站空调系统节能潜力分析
时间:2016-08-22 15:35:18

        我国地铁发展迅速,截至2015年3月25日,共有38个城市获批地铁项目,其中有32个城市已动工,至2020年预计将投入约2.5万亿元在地铁项目建设中。通风空调系统是地铁环控系统的重要组成部分,其能耗占地铁总能耗的30%以上,占地铁车站能耗的70%以上,是整个地铁系统仅次于牵引供电的第二大耗能板块,因此有必要探讨其节能潜力。
        1 地铁站室内环境要求的特殊性
        1.1 温湿度要求低
        从进站、候车到上车,乘客在车站仅停留3~5 min,为节约能源,只考虑保证乘客由地面进入车站有较凉快的感觉,满足“暂时舒适”即可。GB 50157—2013《地铁设计规范》对地铁站温湿度的要求为:当车站采用通风系统时,公共区夏季室内空气计算温度不宜高于室外空气计算温度5 ℃,且不应超过30 ℃;当车站采用空调系统时,站厅公共区的空气计算温度应低于空调室外空气计算干球温度2~3 ℃,且不应超过30 ℃,站台公共区的空气计算温度应低于站厅1~2 ℃,相对湿度均应为40%~70%;地下车站及区间隧道可不设供暖系统。可见地铁站温湿度要求略低于普通舒适性空调。
        1.2 保障时间长
        地铁从早晨到晚间一直处于运行状态,《城市轨道交通试运营基本条件》与《城市轨道交通运营管理规范》规定,城市轨道交通线路的全天运营时间不得少于15 h,运营期间,地铁站内的空气环境必须满足相关要求。
        2 负荷分析及设计现状
地铁站通风空调系统的组成如图1所示,本文主要对车站通风空调系统进行分析。
图1 地铁站通风空调系统组成
        2.1 负荷结构
        由于屏蔽门的应用,活塞风给车站带来的额外通风量显著减少,列车发热量对车站空调负荷的影响也大大减小。地铁站深埋于地下,周围岩土的传热有利于降低空调负荷,太阳辐射对空调负荷的影响可忽略不计,因此负荷主要包括人员散热、设备散热(照明、广告灯箱、自动售检票设备、扶梯、电梯等)、区间与站台公共区的散热、出入口热渗透以及新风所形成的负荷。
        2.2 负荷的变化特性
        与客流量相关的负荷有人员散热负荷、新风负荷及部分设备负荷(如自动售检票设备、扶梯等);与室外气温相关的负荷有新风负荷、出入口散热负荷。客流量近期与远期差别很大,近期的客流量仅为远期的30%~50%,且每天不同时段客流量不同,图2显示了某地铁站客流量在一天内的变化情况。室外气温也是不断变化的,图3显示了重庆最热月7月的气温变化情况。
图2 地铁站客流量日变化
图3 重庆最热月干球温度变化
        2.3 设计现状及运行中存在的问题
        空调系统按预测的远期客流量和最大通过能力进行设计,GB 50157—2013《地铁设计规范》要求空调系统设备宜按远期和近期配置,并宜分期实施。但在实施过程中,很多项目的做法是制冷主机分期实施,空调末端一次性配置齐全,有的项目甚至制冷主机也一次安装完成。目前,地铁空调风系统一般采用一次回风定风量系统,水系统形式为主机定流量、末端变流量。近期负荷通常远小于远期负荷,此外,相关研究表明,由于长期运行,不断向周边岩土排热,岩土温度缓慢上升,会加大远期负荷。近期空调需求与系统供给能力严重不匹配,会产生两方面的问题:一是产生过冷现象,室内温度明显低于设计温度;二是设备长期低效运行,能耗高。
        3 实例分析
        3.1 工程简介
        重庆某地下双层岛式车站,地下1层为站厅层,地下2层为站台层。埋深46.8 m,总建筑面积9 163.88 m2,出入口5个。采用屏蔽门系统,按远期2037年高峰小时客流量16676人次/h进行设计,设计参数见表1,主要设备见表2。
表1 某地铁站室内设计参数
表2 主要设备
        1)服务于A端的电控室、配电室等;2)服务于B端的电控室、电池室、站长室等;3)服务于B端的变电所、高压柜室等。
        3.2 运行现状
        空调系统有3种运行模式,即空调季1、空调季2、通风季。空调季1是指小新风状态(室内所需最小新风量状态);空调季2是指全新风状态;通风季是指关闭水系统,送排风机均开启的状态。5—10月运行空调季1,2模式,其余月份运行通风季模式。地铁运营时间为06:30—22:30,大系统运行时间为06:00—23:00,小系统在空调季有一半以上的时间每天24 h运行。
        该项目运行至今,冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷水泵均只开启了1台,冷水出水温度设定为10 ℃,即使在8月的晚高峰,站台内的温度都在24 ℃以下,这表明设计容量远大于目前的需求量。系统内各环节设备的容量是相匹配的,目前冷水机组、水泵、冷却塔的供应能力通过减少运行台数,即分别只运行1台进行调控,但是对末端设备(空调机组、空调器、回排风机)却没有采用相应措施来降低其输出能力(按理应与水系统设备的输出能力相匹配)。应采取措施降低末端设备的输出能力,当然,此时的措施不是减少其运行台数,而是降低风机的运转频率。
        3.3 节能运行措施​
        3.3.1 增设冷水泵变频器
        增设冷水泵变频器,改为冷水机组变流量系统,不仅可以降低白天运行期间水泵的能耗,而且还可以显著降低夜间只有小系统运行时水泵的能耗。
        3.3.2 按需供应新风
        大系统增设小新风机变频器,在站厅和站台内设CO2浓度探测器,根据CO2的设定要求改变小新风机的运转频率,调节新风供应量。当运行模式为空调季1(小新风工况)时,一方面可以降低新风机自身能耗,另一方面可显著减少空调系统负荷,进而降低冷水机组和水泵能耗。
        3.3.3 增设组合式空调器、回排风机变频器
        组合式空调器、回排风机的输出能力相对于近期需求严重过剩,增设变频器,合理降低其运转频率,实现系统输出量与需求量的匹配。
        3.3.4 改善空调季2运行模式
        当进入空调季2(全新风工况)运行模式时,关闭回排风机,利用5个出入口(每个出入口面积在15 m2以上)进行自然排风,降低回排风机的运行能耗。
        3.3.5 改善通风季运行模式
        将通风季细分为过渡季和冬季,过渡季为10月中旬至11月中旬及3月初至5月初,冬季为11月下旬至3月初。过渡季开启回排风机排风,关闭大系统组合式空调器,利用地铁站5个出入口自然进风;冬季开启组合式空调器送风,关闭回排风机,利用5个出入口自然排风。冬季室外温度低,站内温度高于室外温度,利用出入口排风对乘客而言感觉更舒适。同时,根据控制CO2浓度和室内温度不超标所需风量的最大值调整风机的运转频率。
        3.3.6 同时运行2台冷却塔
        目前冷却塔只运行了1台,未充分利用2台冷却塔的散热散湿面积,调整控制策略,让2台冷却塔同时运行(冷水机组和水泵运行台数保持不变),降低冷却水温度,提高冷水机组能效。
        3.3.7 增设在线清洗系统
增设一套水系统在线自动清洗系统,降低冷水机组能耗。
        3.3.8 补设能量计量装置
补设空调系统的能量计量装置。
        3.4 节能量与节能效益(详见原文)
        4 结论
        1)地铁站室内环境具有温湿度要求低、但保障时间长的特殊性。
        2)地铁站空调总负荷中60%~70%的负荷是变化的,地铁站空调系统的供给能力相对于近期需求严重过剩,对冷水泵、小新风机、组合式空调器、回排风机增设变频器,节能效果显著,节能效益明显。
        3)合理利用地铁站的几何空间特性,改善空调季2、通风季运行模式,充分利用自然排风、自然进风,可以明显降低环控系统能耗。
        4)鉴于地铁站近期与远期负荷的巨大差异,设计时应按远期统一规划,冷源设备及水泵分期实施,水泵与末端空调设备均设变频器,先实施的冷源设备至少采用1台变频调速机组。(来源:网络)
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