近年来,随着轨道交通的快速发展,地铁已成为现代城市的重要交通方式。据统计,截至2020年底,我国已有45个城市开通运营城市轨道交通,运营线路总长度达7978.19km[1]。地铁凭借其运量大、准点率高、乘坐舒适等优势,在缓解交通拥堵、引导城市发展方面发挥着重要作用。
近年来,随着轨道交通的快速发展,地铁已成为现代城市的重要交通方式。据统计,截至2020年底,我国已有45个城市开通运营城市轨道交通,运营线路总长度达7978.19km[1]。地铁凭借其运量大、准点率高、乘坐舒适等优势,在缓解交通拥堵、引导城市发展方面发挥着重要作用。
地铁车站空调系统由冷热源系统、空气处理系统、末端送风系统等部分组成,如图1所示。
(1)维持舒适的温湿度环境,提供恒定的室内设计参数,如夏季26~28℃,相对湿度60%~70%[5],保障乘客的舒适度。
(2)改善车站空气品质,提供充足的新风量,控制CO2、PM10等污染物浓度,营造清新、卫生的候车环境。
(3)控制站台与隧道间的空气流动,避免列车运行产生的粉尘、热浪等进入站厅,影响乘客感受[6]。
(4)协同防排烟系统运行,在火灾等紧急情况下,及时切断空调系统,开启排烟模式,控制烟气扩散。
针对地铁车站的空间布局和使用特点,目前主要采用闭式系统、开式系统和屏蔽门式系统三种形式[7],以下分别介绍。
闭式系统是将站厅和站台作为一个整体进行空调的方式。如图2所示,系统设置新风机组和回风机组,通过天花板或侧墙送风,经站厅站台流动后,从站台集中回风,实现站内空气的闭式循环[8]。
①集中控制,运行管理方便,便于实现站内温湿度的整体调节。
②室内外空气隔绝,新风量需求小,运行能耗较低。
③风管布置复杂,占用站厅空间较大,同时存在回风污染隧道空气的风险。
开式系统将站厅和站台分别设置空调系统,二者在空气处理上互不干扰。如图3所示,系统在站厅设置吊顶送风,站台设置侧墙送风,各自回风,加大新风比例,车站內的空气与隧道自然流通[10]。
①分区控制,可根据客流分布,调整站厅、站台的运行模式,节能效果好。
②无集中回风,利于控制站台空气品质,降低污染风险。
③站台开放式送风,热湿环境难以控制,人员舒适性差。
④系统独立分布,管路工程量大,占用空间多。
屏蔽门式系统在站台和轨行区之间设置屏蔽门,将站台和隧道环境完全隔离。在此基础上,在站厅和站台分别设置空调系统,并采用集中回风的方式,同时在屏蔽门处设置空气幕,阻隔站台与隧道间的空气流动[12]。其系统示意如图4所示。
①站台环境封闭,温湿度控制精度高,舒适性好。
②空气洁净度高,站台PM10浓度可低于50μg/m3[13],空气品质佳。
③有效阻断站台与隧道的热湿交换,降低空调系统负荷。
④屏蔽门造价高,结构复杂,增加了建设和运维成本。
地铁车站空调负荷计算复杂,影响因素多,如围护结构传热、设备发热、人员散热、车辆制动热、隧道热交换等[15],而现行负荷指标大多依据经验值,缺乏理论分析和实测数据支撑,导致估算偏差大,系统选型困难。
地铁车站客流大,负荷变化快,且不同区域的用户需求不一。目前的空调系统多采用定风量控制,在满足高峰需求的同时,也面临着部分时段和区域冷量过剩的问题。且冷热源与末端匹配不佳,常出现冷水机组低负荷、低效率运行的现象[16]。
各系统间的协调控制不足,如新风与回风比例不合理,可能导致冷量浪费或空气品质下降;水泵、风机的变频调节不到位,频繁启停,既影响使用寿命,也降低了节能效果;缺乏必要的信息监控和优化控制手段,无法实现系统的自适应调节[17]。
地铁车站全年运行时间长,能耗水平高。目前多采用常规电制冷系统,可再生能源利用少,如地铁隧道废热、地下水源热泵、太阳能等,且缺乏蓄冷、蓄热等调峰手段,不利于降低运行成本[18]。在通风和除湿方面,也缺少高效的新风处理设备和除湿技术,通常采用传统的表冷器加再热的方式,能耗大,效果差[19]。
(1)加强负荷测试分析
开展典型地铁车站的实测研究,获取人流、风速、温湿度等动态参数,分析内外热湿环境的变化规律,并采用CFD等数值模拟方法,对站厅站台的空气流动、温度分布进行模拟分析[20],在此基础上修正设计参数,提高负荷计算的精确性,优化空调系统的选型配置。
合理确定冷热源的台数和容量,提高部分负荷工况下的效率。采用变频多联机组、热泵型冷水机组等,扩大输出范围,灵活适应负荷变化。在站厅和站台分别设置末端,采用变风量控制,满足不同区域的温湿度要求[21]。同时加强冷热源与水泵、风机群的协调控制,实现变流量运行,减少输配能耗。
在冷热源、新风机组、末端设备等处布置传感器和仪表,实时采集系统的运行参数。通过能耗统计分析软件,掌握能流分布及变化趋势,评估节能潜力。在此基础上,开发智能控制优化策略[22],如结合客流预测,优化新回风比和送风温度;综合考虑设备效率和运行成本,优化机组运行方案;针对设备故障和异常状况,制定诊断和响应措施,实现系统的自适应调节。
积极采用可再生能源,如利用车站周边的地下水、地铁隧道风排热等,建设水源热泵、风-水换热系统[23],替代部分常规能源。在环控设备中,采用高效热回收新风机组,减少新风冷热负荷;采用转轮除湿、溶液除湿等技术[24],降低深度除湿能耗。在蓄能调峰方面,合理利用蓄冰装置削峰填谷,提高电网利用效率;结合储冷罐系统,延长冷水机组运行时间,提高效率[25]。
