地铁站通风空调系统能耗测试与分析

【关键词】 大系统；风机频率；CO2浓度；空调能耗；测试与分析

 

0 引言

     一号线南京站位于铁路南京站下，为地下二层岛式车站[1,2]。该站运营五年来，发现部分空调房间冷量不够，风量分配不能满足使用要求导致室内闷热、设备容易受损，尤其是部分设备用房，如信号设备室、票务室等存在结露、滴水等现象。另一方面空调能耗大，因此有必要对南京站通风空调系统送回风量、温湿度，空调水系统的流量分配、进出口温度进行测试，找出原因所在。

      地铁站通风空调大系统主要保障站厅和站台等公共区内的空气环境，能否达到预期的运营状态，取决于系统风量、冷量及其在各系统的分配[3,4]。本文还对地铁站空调大系统的风量、送回风状态、站台和站厅温湿度、公共区 CO2浓度进行检测[5]，并进行分析对比，提出改进的通风空调运行模式。

 

1.1 空调系统中的热平衡

      在空调系统中存在着下面两个热平衡：

     （1）冷机部分

     冷却水带走的热量=冷冻水放热量＋冷机产热量

     （2）空调箱部分

      表冷器前后空气放热量=表冷器冷冻水吸热量

1.2 测量思路

      通过测试冷冻水总管的进出口温度和冷冻水总流量得到冷机的总冷量，再除以冷机的电功率得到冷机的 COP。还可以通过测量冷却水总管的流量和冷却水进出口温度得到冷却水带走的热量，从而验证所测得的数据是否正确。

      空调箱部分，可以测量表冷器前后空气的焓值以及风量得到送到站厅站台内的冷量，同时可以通过测量进出表冷器冷冻水的流量和温差进行验证。

 

2 测试内容

2.1 制冷机组测试

      制冷机组测试包括冷冻水系统和冷却水系统，需测试的参数有：

      （1）冷机冷冻水进出口温度、流量；

      （2）冷机冷却水进出口温度、流量；

      （3）制冷机组用电量。

      制冷机组产冷量，等于冷冻水送、回水能量的变化。机组冷量可按式（1）计算：

 

 

     式中：Qs为冷水机组冷量，kW；Ls为冷冻水流量，m3/h；ρs为水的密度，计算时取 1000kg/m3；cps为水的比热容，计算时可取 4.191kJ/(kg•℃)；th为回水温度，℃；ts为送水温度，℃。

      冷水管道送、回水温度可由温度仪表直接读取。流量采用超声波流量计测取。

2.2 空调机组测试

     空调机组需测试的参数有：

      （1）冷冻水进出口温度、流量；

      （2）进出口空气温湿度、风速和断面尺寸。

     空调机组的冷量，可按空气侧或冷冻水侧测量与计算，空气放出的热量按（2）式计算：

 

      式中：Q 为空调机组冷量，kW；L 为空调风量，m3/s；ρ 为空气密度，计算时取 1.2kg/m3； i为空气焓差，kJ/kg。

2.3 空调房间冷量测试

      测量系统送入各空调房间的冷量，需测试空调房间送、回风量及状态。计算出湿空气的焓值后，利用公式（3）计算送入室内的冷量：

 

      式中：F 为送入房间冷量，kW；L 为送风量，m3/h；ρ 为空气密度，计算时取 1.2kg/m3；h 为热空气焓值，kJ/kg。

 

3 测试结果与分析

3.1 大系统风机风量测试

      对于站厅、站台这样的公共区，人员数量变化幅度大，必须采用变风量调节，以保证人员高峰时的卫生需求以及人员低谷时的节能需要。图 1 示意了电机变频调速方法的节能性。如采用自动阀门调节，通过改变管网阻抗而改变管网的压力—流量曲线（X1→X2）。采用变频调节，改变风机的性能曲线（n1→n2），使得风机能真正在风量小、压力也小的状态下工作，其节能效果是明显的[6,7]。

 

 

      根据风机的性能曲线，结合地铁车站客流量的变化，在不同的时候选定合适的风机频率进行工作，以节省能量[8]。

3.2 CO2

     浓度测试结果监测点选取在人员密度较大的站台层。监测点CO2浓度变化见图 2。

 

 

     测点 CO2浓度受到周围人员密度、列车活塞风等诸多条件的综合影响。图 2 中，浓度值呈现上下的不断波动，是因为受到活塞风的影响。波动的频率正好等于列车的发车频率。监测点日最高 CO2浓度 739ppm，最低 551ppm，平均值 619.3ppm，符合规范要求的限值 1500ppm。可知，该地铁站空调大系统通风效果较好，公共区 CO2浓度在要求范围内，车站内空气品质良好。

3.3 空调机组冷量测试

      测得表冷器前后空气的温度和湿度，根据下面公式即可算出空气的焓，当 t=0~200℃时：

 

      式 中 ： c8=-5800.2206 ， c9=1.3914993 ，c10=-0.04860239 ， c11=0.41764768×10-4，c12=-0.14452093×10-7，c13=6.5459673。

其中，Pq.b为空气在相应温度下的饱和水蒸气分压力。再根据式（5），求得空气的含湿量。代入式（6），得到空气的焓值。空调机组内表冷器冷冻水温差测试结果见图 3，表冷器前后湿空气焓差见图 4。

 

 

      将测到的经过表冷器的冷冻水和空气流量分别按式（1）、式（2）计算，得到空调机组内表冷器的热平衡关系，测试结果见图 5。由图 5 可知，经过表冷器湿空气放出的热量基本等于经过表冷器冷冻水吸收的热量，说明测试误差在可控范围内，同时与空调机组的铭牌标注冷量也是相符的，说明地铁站台节能重点不是在空调机组本身，应该是在空调系统运行模式。

 

 

4 通风空调模式调整

4.1 原通风空调运行模式

      有夜间通风：全年 4:00～5:00 夜间通风；活塞风道：夏季闭式，过渡季、冬季开式；空调机组为小新风通风；迂回风道全年开启；车站送排风形式：夏季空调，过渡季和冬季开活塞风道，早晚高峰开车站风机机械通风；站台温度设定为 28℃。6 至 9月份空调季，12 月、1 月和 2 月为冬季，其它为过渡季。

4.2 调整后通风空调运行模式

      无夜间通风；活塞风道：夏季闭式，过渡季、冬季开式；空调机组：初期和近期有小新风，远期无新风；迂回风道：在初期和近期，空调季开，过渡季和冬季关，在远期，全年开迂回风道；车站送排风形式：夏季空调，过渡季和冬季开活塞风道，早晚高峰开车站风机机械通风，开风机形式可灵活均衡使用；站台温度：设定为 28℃。5至 10 月份空调季，12 月、1 月和 2 月为冬季，其它为过渡季。

      该站地铁通风空调系统调整后，合理的控制风机的启停，减少能耗，同时延长开启空调的时间，更符合南京气候变化的特点，使该地铁站空气环境得到更可靠的保障，2008 年 8 月调整通风空调系统运行模式后，模式调整前后实际总用电量对比见表 1。从表 1 可以看出节能效率达 23.15%。

 

 

5 结论

      通过对该地铁站通风空调系统测试、改进地铁通风空调系统运行模式、长期的通风空调能耗监测，结果表明：

      （1）地铁通风空调大系统通过风机变频，在客流量小的情况下低频运行，能保证公共区的换气次数要求，经济而有效。

      （2）公共区内 CO2浓度受客流量影响较大，上班高峰期时 CO2浓度将明显高于其它时刻。但高峰时 CO2浓度仍没有超过规范要求的上限，空气品质良好。

      （3）地铁站通风空调系统运行模式的改变，对环控系统节能最为可观，经过两年多对比，通风空调用电量减少 23.15%，这对其它地铁站具有一定的指导意义。