随着城市化进程的加快,轨道交通已成为许多特大城市和超大城市的主导公共交通方式。与常规公交相比,轨道交通固定线路运行,闭塞空间内长时间载客,对温度、湿度、洁净度等车内环境参数提出了更高要求[1]。通风空调作为维持环境品质的关键系统,其设计水平和运行效果备受关注。然而,受限于技术条件、成本预算等因素,我国轨道交通通风空调系统在节能、环保等方面仍不尽如人意,有待进一步完善。
随着城市化进程的加快,轨道交通已成为许多特大城市和超大城市的主导公共交通方式。与常规公交相比,轨道交通固定线路运行,闭塞空间内长时间载客,对温度、湿度、洁净度等车内环境参数提出了更高要求[1]。通风空调作为维持环境品质的关键系统,其设计水平和运行效果备受关注。然而,受限于技术条件、成本预算等因素,我国轨道交通通风空调系统在节能、环保等方面仍不尽如人意,有待进一步完善。
城市轨道交通通风空调系统需要完成以下四项基本功能:(1)维持舒适的车内温湿度环境,营造良好的乘车体验;(2)及时排除车厢内的余热、CO2等污染物,提供充足新鲜空气;(3)超越、隧道等封闭区间内,控制烟气流动,辅助防灾疏散;(4)防止车外噪声、振动、热量进入车厢[2]。总的来说,通风空调系统要在满足使用功能的基础上,最大限度保障乘客健康和运营安全。
轨道交通通风空调系统具有如下特点:(1)负荷变化大。客流具有显著的早晚高峰,不同线路、不同时段的冷热负荷差异明显,系统调节难度大;(2)工况复杂多变。列车由地下、地面、高架路段穿行而过,车外风压、温度、太阳辐射等环境参数瞬息万变;(3)可靠性要求高。为保证列车的正常运营,通风空调设备必须做到长期无故障运行;(4)节能环保要求突出。轨道交通能耗大户,应最大限度利用自然冷源,提高设备效率,降低碳排放[3]。因此,轨道交通空调系统应在动态适应负荷变化的同时,强调安全、节能、环保。
我国城市轨道交通通风空调技术已取得长足进步。北京、上海、广州等城市地铁普遍采用成熟可靠的定频空调系统,在满足基本使用功能的同时,实现了系统集成与设备国产化。一些新建线路开始引入变频驱动技术,通过频率调节优化能效比[4]。同时,蓄冰空调、嵌入式空调等新技术也得到示范应用,为通风空调系统的创新探索了路径。
尽管如此,轨道交通通风空调系统在实际运行中仍存在一些突出问题:(1)能耗水平偏高。受系统形式、控制方式等因素制约,设备能效比普遍不高,全生命周期成本亟待降低;(2)空气品质有待改善。由于新风比不足、过滤效率低等原因,PM2.5、CO2浓度时有超标,影响乘车健康;(3)舒适性距离期望尚有差距。普遍存在冷热不均、气流吹脸等现象,降低乘客的主观体验;(4)人性化服务不足。缺乏针对老弱病孕等特殊人群的个性化控制,服务品质有待提升[5]。这些问题制约了轨道交通通风空调系统的进一步发展,需引起设计和管理人员的高度重视。
集中式空调系统由制冷主机、冷冻水泵、冷却塔、空调箱等设备组成,冷量集中供应。其优点是制冷效率高、运行成本低,一般用于地铁较长的区间隧道或大型换乘车站[6]。典型方案如下:冷水机组设置在车站或区间环控中心,通过埋地管道输送7~12℃冷冻水至轨行区空调箱,再经空调箱处理后由风管送入站台或隧道。该系统初投资大、施工周期长,且受管网限制,故障时影响范围大,应做好系统分区、备用配置等安全防护措施。
分布式空调系统将制冷设备分散布置在列车各车厢,就近供应冷量。多采用屋顶式空调机组,内置定频/变频压缩机、冷凝器、蒸发器等,列车牵引供电。其优点是灵活方便、可靠性高、故障影响范围小,在既有线路改造中应用广泛[7]。但分布式空调能效比相对较低,设备布置也受车厢空间限制,同时轨顶机组噪音振动需重点控制。北京地铁1号线、广州地铁3号线等均采用分布式空调系统。
组合式空调系统是集中式和分布式的混合,冷水机组设置在站后,经埋地管网分别向站台层和轨顶空调箱供冷。其中,轨顶空调箱兼做新风处理,除了过滤送风外,也为列车车厢直接供冷[8]。该方式集两种系统的优势于一体,在保证舒适性的同时,也提高了能源利用效率。上海地铁11号线、南京地铁2号线等采用此类空调系统。但在实际运行中,需协调好车站空调和轨顶空调的平衡,避免冷量浪费或者不足。
轨道交通通风空调系统耗能大,节能减排任重道远。除了提高设备效率,积极利用再生能源也是大势所趋。如在车站及其周边大面积铺设太阳能光伏板,所发电量可用于空调系统或照明系统[9]。地铁隧道埋深较大,常年恒温,也是理想的地源热泵冷热源。将隧道围岩作为蓄热体,通过埋管换热即可获得冷量,供轨顶空调使用[10]。这些措施不仅节约常规能源,也大大减少了碳排放。
地铁设计之初即应重视自然通风,合理利用风压和热压效应,在满足防灾要求的前提下最大限度减少机械通风。如在地面站和高架站,可增设可调外窗,兼顾采光、通风和隔热;在地下站,应在站厅、站台等处开设电动排烟窗,平时关闭,火灾时启动,兼做防烟和排烟[11]。同时,列车风亭、活塞风道的风量也应纳入通风系统考虑。尤其是冬季,可利用列车活塞风直接作为新风,大幅降低能耗。
先进的控制系统和策略是实现节能运行的关键。轨道交通空调系统的设计和改造应引入智能化理念,针对客流特点、设备特性、环境条件等制定最优控制方案。如采用变频技术和新风比可调技术,根据CO2浓度等参数实时调节新风量和送风量[12]。在客流高峰,提高设备频率和新风比,快速制冷除湿;在客流低谷,则降频节能,同时保证车内适宜的新风量。某地铁实测表明,在夏季采用二氧化碳浓度控制通风,可节省30%左右的新风能耗[13]。
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