南京地铁一号线空调通风大系统运作方式与能耗初步分析
摘 要：在国内的所有地铁项目中，南京地铁率先在空调通风系统上全线实施风机变频调速节能运行。本文就地铁空调通风系统的两种运行模式，传统的通过调节风阀开度和风机运行数量实现风量调节的运行模式与风机变频调速的运行模式，对不同运行模式运行能耗进行了初步分析比较， 阐述了风机变频调速的运行模式不可忽视的节能效果。
一、 概述
地铁的地下部分犹如一个横置于地下的箱型建筑物，其内部空间与外界相对闭塞，只有出入口和风亭口部等少数部位与外界相通。密集的客流、高速运行的列车、各种机电设备的运行、以及连续的照明都会产生很大热量。空调冷负荷中的很大部分来之于列车的运行，运行密度越大，空调冷负荷越大。南京地铁1号线采用闭式系统，远期全线11个地下车站空调通风大系统高峰冷负荷高达24200 kW，空调通风大系统装机容量超过10000kW。空调通风系统是地铁非常重要的设备系统之一，其运行耗电仅次于列车牵引用电，如何寻找一个节约能耗的空调通风系统运作方式是当前地铁通风空调系统设计的一个重要课题。
二、 空调冷负荷
地下车站公共区的冷负荷主要由灯具和电扶梯等机电设备产热、乘客湿热量、建筑结构产湿量、列车停站产热和列车运行活塞风负荷。其中列车停站产热和列车运行活塞风负荷占总冷负荷的70%以上。车站公共区的冷负荷受客流的明显影响，伴随客流的早晚高峰，车站负荷也出现明显的早晚高峰，且早晚高峰的峰值接近。这是由于早高峰客流量更大，但早晨室外气温相对凉爽，且隧道经过了夜间的冷却，温度也相对较低。而晚高峰时虽然室外气温较高，但客流和行车密度均比早高峰要小。
地铁空调通风系统在夏季运行最小新风量工况，春秋过渡季运行全新风量工况，冬季运行通风工况。典型地下车站不同时期、不同工况的日平均冷负荷见表1。
表1
初期、中期和远期相同工况的日平均冷负荷之比大约为1:1.287:1.563,同一时期最小新风量、全新风量和通风工况日平均冷负荷之比大约为1:0.565:0.308。
三、 典型地下车站通风空调大系统设备配置
典型地下车站空调通风大系统设备配置详见附图，通常四台组合式空调机组（KT-1、KT-2、 KT-3、 KT-4）和四台回/排风机（HPF-1、HPF-2、HPF-3、HPF-4）分别设置在站厅层（负一层）两端，各负责车站整个公共区50%的空调区域。三台柜式空气处理机组（K1-1、K2-1、K2-2）用于小系统（设备管理用房），单独设置。冷水机组（LS-1、LS-2、LS-3）、冷冻泵（LD-1、LD-2、LD-3）、冷却泵（LQ-1、LQ-2、LQ-3）和冷却塔（LT-1、LT-2、LT-3）一一对应设置，其中冷水机组（LS-3）、冷冻泵（LD-3）、冷却泵（LQ-3）和冷却塔（LT-3）用于小系统，循环水系统的设备，除冷却塔外，其余都设置在站台层（负二层）的冷冻机房。通风空调大系统设备参数见表2至表7：
表2
1、传统运行模式：
（1）最小新风量工况
由组合式空调机组送入公共区的气流经回风口由回/排风机将大部分排入新回风混合室，与少量新风混合由组合式空调机组吸入处理后再次循环，小部分经风亭排出站外。
运行时，室外空气条件：空气焓值≥70KJ/KG；
（2）全新风量工况
由组合式空调机组送入公共区的气流经回风口由回/排风机全部通过风亭排出站外，不再循环使用。组合式空调机组全部吸入新风，处理后送至车站公共区。
运行时，室外空气条件： 70KJ/KG>空气焓值≥54 KJ/KG；
（3）通风工况
该工况通风方式与全新风量工况完全相同，只是冷水机组停机。
运行时，室外空气条件：空气焓 <54 KJ/KG。
（4）根据冷负荷的变化，系统制冷量的调节是通过变风量，从而使冷水的温度发生变化来控制冷水机组运行的台数实现的。国内地铁北京复八线、上海一号线和二号线、广州一号线均采用上述运行模式。
按照表一提供的冷负荷数据，典型地下车站不同时期，传统运行模式空调通风系统运行参数和耗功见表8。
表8
（1）最小新风量工况
由组合式空调机组送入公共区的气流经回风口由回/排风机将大部分排入新回风混合室，与少量新风混合由组合式空调机组吸入处理后再次循环，小部分经风亭排出站外。组合式空调机组的风机和回/排风机采用变频调速运行。
运行时，室外空气条件：空气焓值≥70KJ/KG；
（2）全新风量工况
只开组合式空调机组，利用风亭进风，出入口自然排风，关闭回/排风机，组合式空调机组的风机采用变频调速运行。运行时，室外空气条件： 70KJ/KG>空气焓值≥54 KJ/KG；
（3）通风工况
只开组合式空调机组，利用风亭进风，出入口自然排风，关闭回/排风机和冷水机组，组合式空调机组的风机采用变频调速运行。或只开回/排风机，利用出入口自然进风，风亭排风，关闭组合式空调机组和冷水机组，回/排风机采用变频调速运行。
运行时，室外空气条件：空气焓值H <54 KJ/KG。
（4）根据冷负荷的变化，系统制冷量的调节可通过控制风机运行转速实现。水系统定水量运行。
（5）改变风机转速，风机工作点与设计工况点空气动力性能相似。在管网阻力与流量平方成正比的通风系统中，转速降低，风机效率保持不变。流量比率正比于转速比率的一次方，耗功比率正比于转速比率的三次方，因此，耗功比率也正比于流量比率的三次方。
按照表1提供的冷负荷数据，典型地下车站不同时期，利用车站出入口进排风和风机变频调速方式的空调通风系统的运行参数及耗功见表9。
表9
（根据工况转换条件与南京气象资料汇总）
1 、最小新风量工况
全年运行时间为997小时；
2 、全新风量工况
全年运行时间为1209小时；
3 、通风工况
全年运行时间为4364小时。
六、典型地下车站不同时期、不同运行模式和不同工况的运行能耗
根据上述空调通风系统设备不同工况的运行参数，各类运行状况的能耗见表10
表10
根据表10和全年运行时间的数据，典型地下车站空调通风大系统不同时期、不同运行模式和不同工况运行的年耗能见表11 表11
表12
典型车站空调通风大系统采用车站出入口进排风方式和风机变频调速的运行模式，相比较传统运行模式，南京地铁一号线11个地下车站：
1、 初期运行每年可节约电费330万元。
2、 中期运行每年可节约电费460万元。
3、 远期运行每年可节约电费560万元。
两种运作方式，空调通风系统设备配置完全一样，风机变频调速运行模式需在控制系统增加变频调速器，11个地下车站共需88套，增加投资不超过200万元。
根据以上分析，采用车站出入口进排风方式和风机变频调速的运行模式，相比较传统运行模式，有着较好的节能前景，有利于降低未来的地铁运行费用。因此，南京地铁一号线已在国内地铁率先采用这种先进的节能运行模式，并已在地铁一号线工程上实施。地铁通车后，我们将对上述不同模式和工况的运行参数逐一测试，以验证本文的分析结果。
九、参考文献
（1） 朱颖心，秦绪忠，邹立军，南京地铁工程环控系统模拟预测及方案论证研究报告
（2） 江 咏，地铁环控系统全年运行研究
（3） 北京城建设计研究院，南京地下铁道南北线一期工程可行性研究报告
（4） 上海市隧道工程轨道交通设计研究院，南京地下铁道南北线一期工程空调通风系统施工设计
（5） 地铁空调通风系统各类设备制造厂家，投标文件
（6） 地铁空调通风系统各类设备制造厂家，样机测试报告
