南京地鐵一號線空調通風大系統運作方式與能耗初步分析
摘 要：在國內的所有地鐵項目中，南京地鐵率先在空調通風系統上全線實施風機變頻調速節能運行。本文就地鐵空調通風系統的兩種運行模式，傳統的通過調節風閥開度和風機運行數量實現風量調節的運行模式與風機變頻調速的運行模式，對不同運行模式運行能耗進行了初步分析比較， 闡述了風機變頻調速的運行模式不可忽視的節能效果。
一、 概述
地鐵的地下部分猶如一個橫置于地下的箱型建筑物，其內部空間與外界相對閉塞，只有出入口和風亭口部等少數部位與外界相通。密集的客流、高速運行的列車、各種機電設備的運行、以及連續的照明都會產生很大熱量。空調冷負荷中的很大部分來之于列車的運行，運行密度越大，空調冷負荷越大。南京地鐵1號線采用閉式系統，遠期全線11個地下車站空調通風大系統高峰冷負荷高達24200 kW，空調通風大系統裝機容量超過10000kW。空調通風系統是地鐵非常重要的設備系統之一，其運行耗電僅次于列車牽引用電，如何尋找一個節約能耗的空調通風系統運作方式是當前地鐵通風空調系統設計的一個重要課題。
二、 空調冷負荷
地下車站公共區的冷負荷主要由燈具和電扶梯等機電設備產熱、乘客濕熱量、建筑結構產濕量、列車停站產熱和列車運行活塞風負荷。其中列車停站產熱和列車運行活塞風負荷占總冷負荷的70%以上。車站公共區的冷負荷受客流的明顯影響，伴隨客流的早晚高峰，車站負荷也出現明顯的早晚高峰，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涼爽，且隧道經過了夜間的冷卻，溫度也相對較低。而晚高峰時雖然室外氣溫較高，但客流和行車密度均比早高峰要小。
地鐵空調通風系統在夏季運行最小新風量工況，春秋過渡季運行全新風量工況，冬季運行通風工況。典型地下車站不同時期、不同工況的日平均冷負荷見表1。
表1
初期、中期和遠期相同工況的日平均冷負荷之比大約為1:1.287:1.563,同一時期最小新風量、全新風量和通風工況日平均冷負荷之比大約為1:0.565:0.308。
三、 典型地下車站通風空調大系統設備配置
典型地下車站空調通風大系統設備配置詳見附圖，通常四臺組合式空調機組（KT-1、KT-2、 KT-3、 KT-4）和四臺回/排風機（HPF-1、HPF-2、HPF-3、HPF-4）分別設置在站廳層（負一層）兩端，各負責車站整個公共區50%的空調區域。三臺柜式空氣處理機組（K1-1、K2-1、K2-2）用于小系統（設備管理用房），單獨設置。冷水機組（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）一一對應設置，其中冷水機組（LS-3）、冷凍泵（LD-3）、冷卻泵（LQ-3）和冷卻塔（LT-3）用于小系統，循環水系統的設備，除冷卻塔外，其余都設置在站臺層（負二層）的冷凍機房。通風空調大系統設備參數見表2至表7：
表2
1、傳統運行模式：
（1）最小新風量工況
由組合式空調機組送入公共區的氣流經回風口由回/排風機將大部分排入新回風混合室，與少量新風混合由組合式空調機組吸入處理后再次循環，小部分經風亭排出站外。
運行時，室外空氣條件：空氣焓值≥70KJ/KG；
（2）全新風量工況
由組合式空調機組送入公共區的氣流經回風口由回/排風機全部通過風亭排出站外，不再循環使用。組合式空調機組全部吸入新風，處理后送至車站公共區。
運行時，室外空氣條件： 70KJ/KG>空氣焓值≥54 KJ/KG；
（3）通風工況
該工況通風方式與全新風量工況完全相同，只是冷水機組停機。
運行時，室外空氣條件：空氣焓 <54 KJ/KG。
（4）根據冷負荷的變化，系統制冷量的調節是通過變風量，從而使冷水的溫度發生變化來控制冷水機組運行的臺數實現的。國內地鐵北京復八線、上海一號線和二號線、廣州一號線均采用上述運行模式。
按照表一提供的冷負荷數據，典型地下車站不同時期，傳統運行模式空調通風系統運行參數和耗功見表8。
表8
（1）最小新風量工況
由組合式空調機組送入公共區的氣流經回風口由回/排風機將大部分排入新回風混合室，與少量新風混合由組合式空調機組吸入處理后再次循環，小部分經風亭排出站外。組合式空調機組的風機和回/排風機采用變頻調速運行。
運行時，室外空氣條件：空氣焓值≥70KJ/KG；
（2）全新風量工況
只開組合式空調機組，利用風亭進風，出入口自然排風，關閉回/排風機，組合式空調機組的風機采用變頻調速運行。運行時，室外空氣條件： 70KJ/KG>空氣焓值≥54 KJ/KG；
（3）通風工況
只開組合式空調機組，利用風亭進風，出入口自然排風，關閉回/排風機和冷水機組，組合式空調機組的風機采用變頻調速運行。或只開回/排風機，利用出入口自然進風，風亭排風，關閉組合式空調機組和冷水機組，回/排風機采用變頻調速運行。
運行時，室外空氣條件：空氣焓值H <54 KJ/KG。
（4）根據冷負荷的變化，系統制冷量的調節可通過控制風機運行轉速實現。水系統定水量運行。
（5）改變風機轉速，風機工作點與設計工況點空氣動力性能相似。在管網阻力與流量平方成正比的通風系統中，轉速降低，風機效率保持不變。流量比率正比于轉速比率的一次方，耗功比率正比于轉速比率的三次方，因此，耗功比率也正比于流量比率的三次方。
按照表1提供的冷負荷數據，典型地下車站不同時期，利用車站出入口進排風和風機變頻調速方式的空調通風系統的運行參數及耗功見表9。
表9
（根據工況轉換條件與南京氣象資料匯總）
1 、最小新風量工況
全年運行時間為997小時；
2 、全新風量工況
全年運行時間為1209小時；
3 、通風工況
全年運行時間為4364小時。
六、典型地下車站不同時期、不同運行模式和不同工況的運行能耗
根據上述空調通風系統設備不同工況的運行參數，各類運行狀況的能耗見表10
表10
根據表10和全年運行時間的數據，典型地下車站空調通風大系統不同時期、不同運行模式和不同工況運行的年耗能見表11 表11
表12
典型車站空調通風大系統采用車站出入口進排風方式和風機變頻調速的運行模式，相比較傳統運行模式，南京地鐵一號線11個地下車站：
1、 初期運行每年可節約電費330萬元。
2、 中期運行每年可節約電費460萬元。
3、 遠期運行每年可節約電費560萬元。
兩種運作方式，空調通風系統設備配置完全一樣，風機變頻調速運行模式需在控制系統增加變頻調速器，11個地下車站共需88套，增加投資不超過200萬元。
根據以上分析，采用車站出入口進排風方式和風機變頻調速的運行模式，相比較傳統運行模式，有著較好的節能前景，有利于降低未來的地鐵運行費用。因此，南京地鐵一號線已在國內地鐵率先采用這種先進的節能運行模式，并已在地鐵一號線工程上實施。地鐵通車后，我們將對上述不同模式和工況的運行參數逐一測試，以驗證本文的分析結果。
九、參考文獻
（1） 朱穎心，秦緒忠，鄒立軍，南京地鐵工程環控系統模擬預測及方案論證研究報告
（2） 江 詠，地鐵環控系統全年運行研究
（3） 北京城建設計研究院，南京地下鐵道南北線一期工程可行性研究報告
（4） 上海市隧道工程軌道交通設計研究院，南京地下鐵道南北線一期工程空調通風系統施工設計
（5） 地鐵空調通風系統各類設備制造廠家，投標文件
（6） 地鐵空調通風系統各類設備制造廠家，樣機測試報告
