地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗測試與分析

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【摘 要】 對南京某地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的空氣溫濕度、空調(diào)水進(jìn)出口溫度、風(fēng)量、空調(diào)水的流量進(jìn)行測試與分析，提出了減少地鐵通風(fēng)空調(diào)能耗的可行方案。通過對改進(jìn)后地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗測試和對空調(diào)區(qū)溫濕度及 CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，在滿足地鐵通風(fēng)空調(diào)要求情況下，地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗明顯減少，為南京地鐵其它各站通風(fēng)空調(diào)節(jié)能提供一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】 大系統(tǒng)；風(fēng)機(jī)頻率；CO2濃度；空調(diào)能耗；測試與分析   0 引言      一號線南京站位于鐵路南京站下，為地下二層島式車站[1,2]。該站運(yùn)營五年來，發(fā)現(xiàn)部分空調(diào)房間冷量不夠，風(fēng)量分配不能滿足使用要求導(dǎo)致室內(nèi)悶熱、設(shè)備容易受損，尤其是部分設(shè)備用房，如信號設(shè)備室、票務(wù)室等存在結(jié)露、滴水等現(xiàn)象。另一方面空調(diào)能耗大，因此有必要對南京站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)送回風(fēng)量、溫濕度，空調(diào)水系統(tǒng)的流量分配、進(jìn)出口溫度進(jìn)行測試，找出原因所在。       地鐵站通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)主要保障站廳和站臺等公共區(qū)內(nèi)的空氣環(huán)境，能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)營狀態(tài)，取決于系統(tǒng)風(fēng)量、冷量及其在各系統(tǒng)的分配[3,4]。本文還對地鐵站空調(diào)大系統(tǒng)的風(fēng)量、送回風(fēng)狀態(tài)、站臺和站廳溫濕度、公共區(qū) CO2濃度進(jìn)行檢測[5]，并進(jìn)行分析對比，提出改進(jìn)的通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行模式。   1.1 空調(diào)系統(tǒng)中的熱平衡       在空調(diào)系統(tǒng)中存在著下面兩個熱平衡：      （1）冷機(jī)部分      冷卻水帶走的熱量=冷凍水放熱量＋冷機(jī)產(chǎn)熱量      （2）空調(diào)箱部分       表冷器前后空氣放熱量=表冷器冷凍水吸熱量 1.2 測量思路       通過測試?yán)鋬鏊偣艿倪M(jìn)出口溫度和冷凍水總流量得到冷機(jī)的總冷量，再除以冷機(jī)的電功率得到冷機(jī)的 COP。還可以通過測量冷卻水總管的流量和冷卻水進(jìn)出口溫度得到冷卻水帶走的熱量，從而驗證所測得的數(shù)據(jù)是否正確。       空調(diào)箱部分，可以測量表冷器前后空氣的焓值以及風(fēng)量得到送到站廳站臺內(nèi)的冷量，同時可以通過測量進(jìn)出表冷器冷凍水的流量和溫差進(jìn)行驗證。   2 測試內(nèi)容 2.1 制冷機(jī)組測試       制冷機(jī)組測試包括冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)，需測試的參數(shù)有：       （1）冷機(jī)冷凍水進(jìn)出口溫度、流量；       （2）冷機(jī)冷卻水進(jìn)出口溫度、流量；       （3）制冷機(jī)組用電量。       制冷機(jī)組產(chǎn)冷量，等于冷凍水送、回水能量的變化。機(jī)組冷量可按式（1）計算：          式中：Qs為冷水機(jī)組冷量，kW；Ls為冷凍水流量，m3/h；ρs為水的密度，計算時取 1000kg/m3；cps為水的比熱容，計算時可取 4.191kJ/(kg•℃)；th為回水溫度，℃；ts為送水溫度，℃。       冷水管道送、回水溫度可由溫度儀表直接讀取。流量采用超聲波流量計測取。 2.2 空調(diào)機(jī)組測試      空調(diào)機(jī)組需測試的參數(shù)有：       （1）冷凍水進(jìn)出口溫度、流量；       （2）進(jìn)出口空氣溫濕度、風(fēng)速和斷面尺寸。      空調(diào)機(jī)組的冷量，可按空氣側(cè)或冷凍水側(cè)測量與計算，空氣放出的熱量按（2）式計算：         式中：Q 為空調(diào)機(jī)組冷量，kW；L 為空調(diào)風(fēng)量，m3/s；ρ 為空氣密度，計算時取 1.2kg/m3； i為空氣焓差，kJ/kg。 2.3 空調(diào)房間冷量測試       測量系統(tǒng)送入各空調(diào)房間的冷量，需測試空調(diào)房間送、回風(fēng)量及狀態(tài)。計算出濕空氣的焓值后，利用公式（3）計算送入室內(nèi)的冷量：         式中：F 為送入房間冷量，kW；L 為送風(fēng)量，m3/h；ρ 為空氣密度，計算時取 1.2kg/m3；h 為熱空氣焓值，kJ/kg。   3 測試結(jié)果與分析 3.1 大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試       對于站廳、站臺這樣的公共區(qū)，人員數(shù)量變化幅度大，必須采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)，以保證人員高峰時的衛(wèi)生需求以及人員低谷時的節(jié)能需要。圖 1 示意了電機(jī)變頻調(diào)速方法的節(jié)能性。如采用自動閥門調(diào)節(jié)，通過改變管網(wǎng)阻抗而改變管網(wǎng)的壓力—流量曲線（X1→X2）。采用變頻調(diào)節(jié)，改變風(fēng)機(jī)的性能曲線（n1→n2），使得風(fēng)機(jī)能真正在風(fēng)量小、壓力也小的狀態(tài)下工作，其節(jié)能效果是明顯的[6,7]。           根據(jù)風(fēng)機(jī)的性能曲線，結(jié)合地鐵車站客流量的變化，在不同的時候選定合適的風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行工作，以節(jié)省能量[8]。 3.2 CO2      濃度測試結(jié)果監(jiān)測點(diǎn)選取在人員密度較大的站臺層。監(jiān)測點(diǎn)CO2濃度變化見圖 2。          測點(diǎn) CO2濃度受到周圍人員密度、列車活塞風(fēng)等諸多條件的綜合影響。圖 2 中，濃度值呈現(xiàn)上下的不斷波動，是因為受到活塞風(fēng)的影響。波動的頻率正好等于列車的發(fā)車頻率。監(jiān)測點(diǎn)日最高 CO2濃度 739ppm，最低 551ppm，平均值 619.3ppm，符合規(guī)范要求的限值 1500ppm。可知，該地鐵站空調(diào)大系統(tǒng)通風(fēng)效果較好，公共區(qū) CO2濃度在要求范圍內(nèi)，車站內(nèi)空氣品質(zhì)良好。 3.3 空調(diào)機(jī)組冷量測試       測得表冷器前后空氣的溫度和濕度，根據(jù)下面公式即可算出空氣的焓，當(dāng) t=0~200℃時：         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為空氣在相應(yīng)溫度下的飽和水蒸氣分壓力。再根據(jù)式（5），求得空氣的含濕量。代入式（6），得到空氣的焓值?？照{(diào)機(jī)組內(nèi)表冷器冷凍水溫差測試結(jié)果見圖 3，表冷器前后濕空氣焓差見圖 4。           將測到的經(jīng)過表冷器的冷凍水和空氣流量分別按式（1）、式（2）計算，得到空調(diào)機(jī)組內(nèi)表冷器的熱平衡關(guān)系，測試結(jié)果見圖 5。由圖 5 可知，經(jīng)過表冷器濕空氣放出的熱量基本等于經(jīng)過表冷器冷凍水吸收的熱量，說明測試誤差在可控范圍內(nèi)，同時與空調(diào)機(jī)組的銘牌標(biāo)注冷量也是相符的，說明地鐵站臺節(jié)能重點(diǎn)不是在空調(diào)機(jī)組本身，應(yīng)該是在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式。     4 通風(fēng)空調(diào)模式調(diào)整 4.1 原通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行模式       有夜間通風(fēng)：全年 4:00～5:00 夜間通風(fēng)；活塞風(fēng)道：夏季閉式，過渡季、冬季開式；空調(diào)機(jī)組為小新風(fēng)通風(fēng)；迂回風(fēng)道全年開啟；車站送排風(fēng)形式：夏季空調(diào)，過渡季和冬季開活塞風(fēng)道，早晚高峰開車站風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)；站臺溫度設(shè)定為 28℃。6 至 9月份空調(diào)季，12 月、1 月和 2 月為冬季，其它為過渡季。 4.2 調(diào)整后通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行模式       無夜間通風(fēng)；活塞風(fēng)道：夏季閉式，過渡季、冬季開式；空調(diào)機(jī)組：初期和近期有小新風(fēng)，遠(yuǎn)期無新風(fēng)；迂回風(fēng)道：在初期和近期，空調(diào)季開，過渡季和冬季關(guān)，在遠(yuǎn)期，全年開迂回風(fēng)道；車站送排風(fēng)形式：夏季空調(diào)，過渡季和冬季開活塞風(fēng)道，早晚高峰開車站風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)，開風(fēng)機(jī)形式可靈活均衡使用；站臺溫度：設(shè)定為 28℃。5至 10 月份空調(diào)季，12 月、1 月和 2 月為冬季，其它為過渡季。       該站地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)整后，合理的控制風(fēng)機(jī)的啟停，減少能耗，同時延長開啟空調(diào)的時間，更符合南京氣候變化的特點(diǎn)，使該地鐵站空氣環(huán)境得到更可靠的保障，2008 年 8 月調(diào)整通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式后，模式調(diào)整前后實際總用電量對比見表 1。從表 1 可以看出節(jié)能效率達(dá) 23.15%。     5 結(jié)論       通過對該地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)測試、改進(jìn)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式、長期的通風(fēng)空調(diào)能耗監(jiān)測，結(jié)果表明：       （1）地鐵通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)變頻，在客流量小的情況下低頻運(yùn)行，能保證公共區(qū)的換氣次數(shù)要求，經(jīng)濟(jì)而有效。       （2）公共區(qū)內(nèi) CO2濃度受客流量影響較大，上班高峰期時 CO2濃度將明顯高于其它時刻。但高峰時 CO2濃度仍沒有超過規(guī)范要求的上限，空氣品質(zhì)良好。       （3）地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式的改變，對環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能最為可觀，經(jīng)過兩年多對比，通風(fēng)空調(diào)用電量減少 23.15%，這對其它地鐵站具有一定的指導(dǎo)意義。