淺談上海地鐵車站環控系統的能耗癥結及應對措施

莊毅華

摘 ? 要：上海城市軌道交通已逐步跨入超大型網絡階段，截至2017年底路網日均客流均在千萬人次以上，目前上海地鐵部分線路車站設施設備早已超負荷運轉，大修改造已是迫在眉睫。本文以典型車站為抓手，從環控系統能耗現狀出發，通過現場實測、理論分析指出車站能耗癥結共性及應對措施，以期為其它類似車站的設計、運營、維護及后期改造提供參考。

關鍵詞：上海軌道交通 ?環控系統 ?能耗 ?制冷量

中圖分類號：U231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0031-02

以節能減排為切入點，從地鐵環控能耗高占比，早期車站的環控設備運行年限及大修改造項目正逐年增長現狀，引出環控能耗癥結分析及解決的必要性。借此展開下文的敘述。

1 ?項目概況

1.1 二號線南京東路車站概況

本研究分析依托二號線南京東路車站做為典型標準車站，共有四個出入口，東西走向的車站站廳供冷面積約3000m2，車站站臺供冷面積約3000m2（2000m2+1000m2軌行區）。

東上行站臺風口面積1.615m2，東下行站臺風口面積2.16m2，東冷卻阻尼風口面積1.28m2，東上行站廳風口面積0.945m2，東下行站廳風口面積0.945m2;西上行站臺風口面積2.07m2，西下行站臺風口面積2.07m2，西冷卻阻尼風口面積1.4m2，西上行站廳風口面積1.008m2，西下行站廳風口面積0.945m2;其中東冷卻阻尼風口占總風口面積的18%，西冷卻阻尼風口占總風口面積的19%。

1.2 車站空調通風系統問題分析

南京東路車站是軌道交通二號線環控系統的典型，可以代表軌道交通二號線龍陽路至中山公園各車站。2011年上排熱風管改造前，車站制冷面積約5000㎡，冷機總裝機冷量2412kW，考慮冷卻阻尼風在內，冷機配比大于應需制冷量。上排熱風管改造后，根據目前空調面積6000m2粗算（參考文獻，按單位面積負荷150W/m2～220W/m2計算可得所需冷量900～1320kW），1720kW的設計制冷量應有富余，但在冷卻阻尼未取消前以及各項不利因素的存在前提下，實際夏季空調工況下車站出現供冷量不足情況，具體分析如下。

原因1：空調箱年限過長，空調箱實際風量低于設計風量的70%。

通常情況下，新空調箱（新表冷器）的出風溫度一般為20℃，站廳、站臺的設計溫度為29℃。當室外溫度大于35℃時，站廳站臺出風口溫度一般不應大于24℃，風量不小于設計風量的90%。由于目前空調箱設備已使用15年有余，再者風的滲漏、風道的阻力，實際風量不到設計風量的70%。

原因2：冷凍機組制冷能力不足。

實際現場測試風口出風口平均溫度為24.5℃，冷凍水溫度、新風溫度、回風溫度等都是造成出風溫度高的原因。新風溫度一般比較恒定，但冷凍水溫度與回風溫度之間就存在了一個“此長彼高”的現象，直到達到一個平衡值。

原因3：系統匹配程度不高，應考慮水泵、冷卻塔風機、及空調末端設備與冷機和空調箱的耦合聯動，即目前主推的風水聯動。

在制冷主機中，COP（EER）值和IPL監測是反映主機制冷效率的重要參數，能隨時掌握機組運行狀態，也是反映能耗高低的一個主要參數，COP越高則在相同制冷量下主機越節能，反之則耗能。

原因4：冷卻塔初期設計上限過低，不利于系統的有效運行。

冷卻塔的性能好壞直接影響制冷系統，通常在室外標準濕球溫度下，無論怎么調節流量以及風扇速度，它都會有一個散熱的上限值，冷卻塔散熱能力的下降，將直接導致主機制冷能力的下降。

原因5：水泵設計流量配比過大，導致不必要的能耗。

冷卻水泵是提供主機與冷卻塔換熱的動力設備，雖說冷卻水的流量越大，則主機換熱效果越明顯，但這是以增加冷卻泵功耗以及冷卻塔設計容量為代價的。

原因6：回排風機對空調送風量的影響導致不必要的焓降。

回排風機能力一旦下降，必然造成車站送風量下降的連鎖反應，從而使得送風速度下降，最終將冷量浪費在不必要的焓降上。

原因7：設備本身的磨損量增加。

首先是壓縮機部件的磨損后冷水機組整體性能下降5%～10%;其次是冷凝器和蒸發器的內管壁結垢直接導致傳熱系數及性能的下降，從而降低了冷水機組的制冷效率，下降“貢獻值”約為整體COP的10%左右。

原因8：列車散熱完全依靠車站制冷系統及地下吸熱。

上排熱風管改造以后，列車散熱完全依靠車站制冷系統及地下吸熱，平均每列列車的空調功率為240kW，假設列車空調COP=2.2，則列車空調發熱量約為768kW，列車平均進站至離站時間40s，列車間隔3min，粗略計算約170kW需要車站制冷系統消化，占單臺冷水機組制冷量的20%。

原因9：車站站廳冷凍水管路冷量損失。

車站設備用房為東、西兩端，冷水機組位于東端設備用房，西端空調箱的冷凍水須通過車站管道由東向西經過站廳輸送，經過測量，冷凍水東、西端溫差最高時達到0.7℃，最低時達到0.3℃，平均能耗損失達到105kW，占單臺冷水機組制冷量的12%。其主要原因可能在保溫材料保溫性能的喪失、管道內壁粗糙度上升造成摩擦力上升等。

原因10：冷卻阻尼風的被動消耗。

冷卻阻尼風的存在，2號線設計時考慮了隧道冷屏障的冷卻作用，但在實際使用中，冷卻阻尼風大量的被消耗在了地下蓄熱、風壓縮、列車空調及電機的冷卻上或直接排放，其浪費量不小。

2 ?應對措施

要最優化空調制冷系統，將制冷量、耗電量比達到最優狀態，應從下列幾個方面著手。

措施1：做好維護保養工作。

①冷水機組內部的保養工作，常規保養下，冷水機組整體效率每年可能下降5%～10%，冷水機組的設計使用壽命為15年，一般超過15年的機組認為是不經濟的，并不一定機組不能使用了。各類合理有效的保養可以延長冷水機組的使用壽命及提高制冷效率，主要有冷水機組更換冷凍油的周期，一般不宜超過6000h或1自然年，油品的下降在上文已經談及對機組的影響，并且適當的添加劑等技術介入或許也對冷水機組的效率有益;水質的控制也是比較重要的，通過控制水質pH值、Ca、Mg離子濃度甚至水質軟化技術可以控制該類因素對冷水機組的效率影響;再次選用表面張力更大的，適合不同溫度壓縮機的“抗壓”冷凍油可以減少壓縮機的磨損。但是這些措施不會短期內實現其經濟效益。

②冷卻塔換熱點：主要對冷卻翅片（填料）的清洗和布水的均勻。

③空調箱換熱點：空調箱過濾網和表冷器的清洗，應每周一次，主要防止表冷器翅片的倒伏，表冷器銅管內壁每年進行一次高壓水反向沖洗，清洗污泥等。

④冷凝、蒸發換熱點：冷水機組冷凝器和蒸發器銅管內壁的化學清洗（水處理）及機械清洗（通悅）每年至少各一次。

措施2：冷凍水高溫差低流量供冷。

調整冷凍水系統的流量，盡量避免大流量、小溫差情況出現，“大流量小溫差”不僅增加了水泵自身的能耗，而且因為水流流速過高可能無謂地增加了冷量的消耗。

措施3：調整東西空調箱流量比。

措施4：安裝二通閥。

在分水器、集水器處應根據實際情況安裝兩通閥，當冷凍水需求量過小，或者冷負載過小時，可以通過兩通閥的打開回流冷凍水，降低冷水機組負載，節約冷量。

措施5：注重保溫棉的更換維護。

站廳內各保溫層應選用耐用，不易老化的保溫棉，且保溫層與空氣必須阻隔，防止保溫棉吸水，目前較多新造線路由于保溫棉不隔絕空氣以及保溫棉與金屬支架接觸等原因，保溫棉內水分含量超過，已經不具有保溫作用;保溫棉有其實際使用壽命，具體在此次研究中尚未涉及，應根據保溫棉的實際使用壽命按時更換，根據上述研究因保溫不當造成的冷量損失就占單臺機組制冷量的12%（105kW），約計電費26元/h（只計冷水機組耗電量，未計附屬設備的耗電量）;DN300水管保溫層更換約60元/m，換言之，2h20min的能耗費用就可以更換1米的保溫層，以江蘇路為例，600m的冷凍水管道的保溫更換，相當于3個月即可因冷量損失的下降而收回成本。此外還包括冷水機組蒸發器的保溫、送、排風管保溫等。

措施6：不再開啟冷卻阻尼。

現有環控工況下，不必再開啟冷卻阻尼風閥，列車本身的活塞風就能將車站風帶入隧道，即使冷卻阻尼風的存在，也阻止不了活塞風的貫通，關閉冷卻阻尼風，并且打開車站活塞風閥，使隧道與室外換氣比浪峰車站冷量來冷卻隧道更有效。但考慮到目前阻尼風閥設計為防火閥，因此風閥的動作可能會引起中央監控信號。

措施7：整體變頻耦合控制。

對車站環控系統進行優化控制，環控系統運行由車站站臺、站廳的溫度和濕度等參數決定，通過空調扇風機變頻和風量控制（含新風），冷卻冷凍水泵的變頻和流量控制，冷卻塔風機的轉速控制，決定冷水機組的運行負荷，達到最佳舒適度情況下的節能經濟運行。

3 ?結語

環控系統集合了多類設備，目前市面上絕大多數的節能項目，都是在各個點設備挖掘其潛在的空間，但往往忽略了各類輔助設備，如管道、冷凝器、表冷器等，既然是制冷，這類設備對系統的影響其實是最大的，在提供冷量的環境無法改變的情況下，研究環控制冷設備就當從換熱點開始，發散到各個設備。對于上述比較常見的環控系統，如果通過合理的管理、使用、保養，可以節約用電，而且還可以提高設備總體效率及使用壽命。

參考文獻

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