（制冷及低温工程专业论文）地铁环控系统变频节能研究.pdf

摘要 地铁作为解决城市交通拥堵问题和城市生活环境的重要工具，我国各大城市 相继开工或申请建设。地铁环境控制系统是地铁交通系统的重要组成部分，也是 地铁运营的主要能耗大户。随着经济发展，我国能源问题日益严重，社会各界意 识到能源的有效利用和节能的重要性及必要性。因此，优化地铁环控系统、降低 运行能耗是目前地铁方面研究的主要课题之一。 本文以南方某市地铁为背景，以安装新型屏蔽门系统的典型地铁车站为例， 研究车站逐时负荷计算方法及变频技术应用于车站空调水系统和大系统通风系 统的可行性及节能潜力。 首先对采用屏蔽门系统的典型车站的乘客逐时负荷、车站大系统非人员负荷 及新风负荷的分析，计算空调负荷等后续研究需要的基本数据。 然后，利用热力学方法分析环控系统空调水系统的冷冻水系统、冷却水系统、 冷却塔变流量及变频可行性，并以前期计算的初期、近期及远期的空调负荷数据 估算了冷冻水泵、冷却水泵变频的节能效果，结果表明空调水系统可以变流量， 冷冻水泵、冷却水泵可以变频，且节能效果显著。 接着，利用c f d 软件模拟并分析不同工况的车站大系统变风量的站台、站 厅温度场、速度场，表明变风量没破坏大系统气流布置，满足舒适性要求，并计 算了初期、近期及远期的变风量节能效果，证明大系统变风量可行，即a h u 风 机及回排风机可以变频。通过计算，新风量为定值，小新风机不可以变频控制。 分析结果表明，采用变频技术是地铁环控系统重要节能措施，合理的运用可 以降低运营成本，提高经济效益。 关键词：地铁环控系统冷冻水变流量冷却水变流量大系统变风量 a b s t r a c t m e t r oa sas o l u t i o nt ou r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o np r o b l e m sa n da ni m p o r t a n tt o o lf o r u r b a nl i v i n ge n v i r o n m e n t ，m a j o rc i t i e sh a v es t a r t e dc o n s t r u c t i o no ra p p l i c a t i o n i n c h i n a m e t r oe n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h em e t r o t r a n s p o r ts y s t e m ，i st h em a j o re n e r g yc o n s u m e ri nm e t r oo p e r a t i o n ? w i t he c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，c h i n ai sg r o w i n ge n e r g yp r o b l e m s c o m m u n i t i e sa r ea w a r eo ft h e e f f i c i e n tu s eo fe n e r g ya n de n e r g y s a v i n gi m p o r t a n c eo fr e s e a r c h t h e r e f o r e ，m e t r o e n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e mt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o ni so n eo ft h em a i nt o p i c s o f t h er e s e a r c ho nm e t r o i nt h i sp a p e r , w u x im e t r oa st h eb a c k g r o u n d ，a n dt oi n s t a l lan e wt y p i c a lp l a t f o r m s c r e e nd o o rs y s t e mo fs u b w a ys t a t i o n , f o re x a m p l e ，r e s e a r c hs t a t i o nh o u r l yl o a d c a l c u l a t i o na n dc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y se n e r g ys a v i n gp o t e n t i a lf o rw a t e rs y s t e mo f s t a t i o n sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m , a n dt h el a r g es y s t e m sv e n t i l a t i o ns y s t e m t h ef i r s ta n a l y s i si sk i n d so fh e a t l o a do fm e t r os t a t i o n , w h i c hu s ean e wp s d s y s t e m , s u c ha ss t a t i o n sh o u r l yh e a tl o a do fp a s s e n g e r s ，t h en o n - p e r s o n n e lh e a tl o a d o fl a r g es y s t e ma n dt h ef l e s hw i n dh e a tl o a d a n dc a l c u l a t et h eb a s i cd a t a ，w h i c h f o u o w - u pr e s e a r c hn e e d s ，s u c ha sa i rc o n d i t i o n i n gl o a d t h e n , a n a l y z et h ef e a s i b i l i t y o fv a r i a b l ef l o wa n dv a r i a b l ef r e q u e n c yo f a i r - c o n d i t i o n i n g w a t e rs y s t e m sc h i l l e dw a t e rs y s t e m , c o o l i n gw a t e rs y s t e ma n d c o o l i n gt o w e r sb yt h e r m o d y n a m i cm e t h o d e s t i m a t e dt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n s e n e r g ys a v i n ge f f e c to fc h i l l e dw a t e rp u m p sa n dc o o l i n gw a t e rp u m p t h er e s u k s s h o wt h a tt h ea i rc o n d i t i o n i n gw a t e rs y s t e mc a nr u nb yv a r i a b l ef l o w , c h i l l e dw a t e r , c o o l i n gw a t e rp u m pc a nr u nb yf r e q u e n c yc o n v e r s i o n , a n dt h ee n e r g y - s a v i n ge f f e c ti s r e m a r k a b l e t h e n , s i m u l a t i o nt h et e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l do fl a r g es t a t i o n sp l a t f o r m , c o n c o u r s eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sb yc f ds o f t w a r e ，a n da n a l y s i st h e r e s u l t s ，w h i c hs h o wt h a t v a r i a b l ea i rv o l u m ed o e sn o tw r e c kt h es y s t e ml a y o u to fa i r f l o wa n ds t i l lm e e tt h ec o m f o r tr e q u i r e m e n t s a n dc a l c u l a t et h ei n i t i a l ，s h o r ta n dl o n g t e r me n e r g ys a v i n g so fv a v t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ev a vo fl a r g es y s t e mi sf e a s i b l e ， a h uf a na n de x h a u s tf a nc a n r u nf r e q u e n c yc o n v e r s i o n a tt h es a m et i m e ，f l e s ha i ri s c o n s t a n tb yc a l c u l a t i n g ，s ot h es m a l lf l e s hf a nc a n tr u nf r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu s eo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n t e n e r g y - s a v i n gm e a s u r ef o rt h em e t r oe n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e m ，w h o s er e a s o n a b l e u s e c a nr e d u c eo p e r a t i n gc o s t s ，a n di m p r o v ee c o n o m i ce f f i c i e n c y k e yw o r d s ：m e t r oe n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e m ，v a r i a b l ef l o wo fc h i l l e dw a t e r , v a r i a b l ef l o wo f c o o l i n gw a t e r ，v a r i a b l ea i rv o l u m eo f l a r g es y s t e m 第一章概述 第一章概述 改革开放3 0 年来，随着经济高速的发展和城市化的加速建设，城市常住及 流动人口增加且集中，使机动车保有量增多，给城市带来了交通拥挤、环境污染 等一系列问题。由于城市传统的地面交通运量小、速度慢、拓展难度大，已经无 法适应城市发展的需求，因此通过发展城市公共交通来缓解城市交通拥挤、改善 城市生活环境越来越引起我国的高度重视uj 。其中，地铁作为一种发展过百年、 技术成熟的公共交通工具，其每小时单向运输量大于2 0 0 0 0 人，以及快速、准确、 安全、舒适、便利的优点，且不受外界环境和地面交通的影响，所以城市轨道交 通中的地铁是解决目前城市面临的出行乘车难和交通堵塞问题最方便、最有效的 途径 2 。在以人为本的社会中，优化地铁系统工程及其配套设置，改善地铁候车、 乘车环境，提高城市公共交通服务水平，是随着社会和经济发展的必要趋势和要 求。 1 1 课题背景 1 1 1 国内外地铁发展历史 1 8 6 3 年1 月l o 曰，英国伦敦，作为第一次工业革命产物地铁，史上第 一条“大都会号”诞生。由于地铁运营表现出的优越性，法国、德国、美国、 奥地利和匈牙利相继建成了自己的地铁线路。到了2 0 世纪，目本、加拿大、苏 联等发达国家在地铁方面得到了迅速发展。随着经济的发展和城市交通环境的日 益恶化，世界各国和地区都积极修建地铁，并每年以1 4 个城市的速度在增加。 地铁发展到今天，世界大城市和特大城市的地铁已经在城市公共交通系统中占据 了主导地位。据统计，到2 0 0 0 年底，世界地铁线路共建成1 0 6 条，总里程超过 7 0 0 0 k m 。其中莫斯科城市的地铁最为繁忙，共由1 0 多条线路组成，一年的运客 量达2 6 亿人次，占了莫斯科全年交通总运量的4 5 。世界最先进的地铁是法国 里尔地铁，采用无人驾驶并且全自动化模式运行。高峰期间，其列车发车间隔时 间只有7 2 秒。美国旧金山地铁为世界地铁最快的地铁，运行时速最高达了1 2 8 公里。香港地铁是世界上唯一具有商业价值的地铁，因为其的开发合理和管理完 善。 我国地铁发展起步较晚，第一条地铁线路始建日期为1 9 6 5 年7 月1 曰，建 成通车日期为1 9 6 9 年1 0 月1 日，标志我国大陆地铁的诞生。当时，这条地铁的 发展战略是战备兼顾交通，运行的指导思想是“平战结合”，即平时民用，战时 人防。随着我国经济、城市的发展，我国都市化水平不断提高，城市交通拥堵十 1 第一章概述 分普遍，特别如北京、上海等特大城市。为改善城市交通，各大城市纷纷规划修 建地铁或轻轨项目。上海地铁的一号线于1 9 9 5 年正式开通运营；广州地铁的一 号线首段于1 9 9 7 年建成通车；天津地铁一号线于2 0 0 1 年改扩建完成；深圳地铁 的第一期于2 0 0 4 年建成通车。2 0 0 8 年9 月美国金融危机引起的经济危机波及全 球，同时也为我国城市轨道交通发展和建设提供了契机。为了克服经济危机，国 务院加大我国城市轨道交通建设的固定资产投资力度，到目前已批复了2 2 个城 市的地铁规划，计划到2 0 1 5 年前后将新建成7 9 条轨道交通线路，全国地铁的总 里程将达到2 2 6 0 k m 左右，新建地铁总投资超过8 8 2 0 亿元。 1 1 2 地铁环境控制系统的发展概况 第一条地铁“大都会号”通车时，当时电力尚未普及，地铁也只能用蒸汽机 车。由于蒸汽机燃烧释放出有害气体，当时被迫在隧道的每隔一段距离就要打通 通风槽，与地面相连通。直到1 8 9 0 年，地铁才使用电力机车，改善了地铁环境。 1 9 0 4 年1 0 月，纽约地铁的一号线运行不到一年，地面通风口的不足使地铁隧道 及车站温度过高，使乘客难以忍受。为了解决这一问题，工程师就在车站顶部增 设通风口，增大通风面积，加大地铁通风量，同时在车站之间修建风机室、通风 管。为了避免这种事件再发生，1 9 0 9 年开建的波士顿地铁，在规划设计时就考 虑了人工对地铁内部通风，并且运行效果比较理想。到修建芝加哥地铁时，工程 师们就在地铁设计时增加了地铁环境控制问题。美国工程师e d c s o n b r o c k ，在芝 加哥地铁通风计算的进展文中第一次提出并建立了计算列车活塞风效应的方法 及计算公式，同时考虑了地铁隧道的墙壁和周围泥土日、年平均循环的热量累计 作用及相关理论【3 j 。 随着人口增长，城市交通日益拥挤，要求地铁采取提高车速，加大列车编组， 缩短站间距，减少发车间隔时间等措施来增大客运量。但同时也使地铁内的发热 量大量增加，导致地铁环境及维护结构的温度逐年升高。例如北京地铁，每年1 的速度上升，1 9 9 5 年达到3 1 ，大大超过2 5 的设计值【4 j 。单纯依靠通风和隧 道蓄热已经无法使地铁达到排热目的，而是应该采用合理的通风空调设计和恰当 的设计方式，保证地铁车站乘客的舒适性和地铁系统的正常运行1 5 j 。 1 1 3 屏蔽门系统发展概况 为了满足乘客的舒适性要求，地铁车站采用的方法主要是人工制冷的空调系 统。由于地铁列车的活塞作用，大量的车站冷量散失到区间，造成车站空调的能 量损失，同时活塞作用产生的活塞风大，乘客有强烈的吹风感，不舒适。此外， 现行的地铁行车密度大、停站时间短、客流量大，而地铁站台宽度有限，站台与 2 第一章概述 轨道有较大落差，可能出现乘客掉入轨道发生危险。为了减少能量损失，提高站 台乘客舒适度和安全性，美国交通部都市运输研究和发展管理局于1 9 7 6 年底， 出版了地下地道环境设计手册。该手册首次提出了将地下轨道车站站台公共 区间与轨行区的站台隧道区间用气流或隔墙分隔开来。其中，采用气流分隔难以 实现的，而隔墙分隔的概念是可行的，并发展为现在地铁已经应用的屏蔽门系统 ( p l m f o r ms c r e e nd o o r s ，简称p s d s ) 。屏蔽门设置在站台公共区间的边缘，把 站台区域和列车运行的隧道区域物理分隔开。 一般，屏蔽门系统分为半高式、开式、封闭式三种。其中的半高式系统和开 式系统，通常被学者称为“安全门”，只起到美化车站、提高车站安全的作用。 封闭式系统才是人们熟悉的“屏蔽门”系统，它可以有效地减少活塞风引起的空气 对流而造成的站台冷热气流失。并且，能保障列车、乘客进出站、上下车时的安 全，减小了由地铁列车运行产生的噪音对乘客的影响，提高乘客在地铁站台候车 环境的舒适性，具有安全、美观、节能、环保等功能。 1 9 8 1 年建成的日本p o r t d o w n 地铁线路中首次采用了半高式的安全门系统， 主要作用是隔离站台与地铁的隧道，从而保证乘客安全。采用全自动无人驾驶 技术的法国l i l l e 市地铁于1 9 8 3 年建成运行，为了确保乘客乘车安全、列车 运行安全，设计采用了自动运行的开式屏蔽门系统。1 9 8 8 年，为了降低地 铁能耗，新加坡地铁首次尝试采用了封闭式的屏蔽门系统，并取得了很好 的节能效果。当屏蔽门的安全性和节能性得到体现后，相继有英法、法国、 比利时等国安装了屏蔽门系统。9 0 年代，香港地铁也意识到了屏蔽门系统 的重要性后，在后续修建的地铁均采用屏蔽门系统，并对已运营地铁改造， 加装屏蔽门系统。最近十年里，我国大陆地区新建地铁线路中，屏蔽门系 统也得到了推广运用。 1 2 国内外研究现状 地铁环境控制系统概念引入后，国内外很多学者和组织对其进行研究。在研 究过程中，地铁环境控制系统主要涉及到空气动力学问题有空气阻力、机械通风 及活塞风等问题。从2 0 世纪7 0 年代起，为了解决地铁列车在隧道中运行时引起 的空气动力效应，如压力波、活塞风等，美国、英国、日本、法国、奥地利及德 国等国都对地铁这方面的问题进行了大量的理论研究和试验研究【6 】 7 【8 1 。该研究 为地铁环控研究提供了宝贵的真实资料，并在此研究基础上开发用于可用于较复 杂隧道通风设计的隧道空气动力学模拟软件。其中，美国交通部开发的s e s 软 件是相对成熟的地铁环境及运行模拟软件 9 】1 1 0 ，该软件可以模拟地铁隧道内有 多列列车运行的隧道、车站、通风井的风速、温度、湿度、车站和站内空调负荷。 第一章概述 该软件的设计编制原理：主要利用计算传热学和不稳定空气动力学等学科知识， 对地铁内环境进行研究，利用热力学、传热学原理及流体力学，建立数学模型， 用有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 和有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 离 散模型，然后用计算机动态模拟地铁环境，并进行数值计算 1 1 】 1 2 】。 而我国，地铁环控研究起步相对较晚，始于2 0 世纪8 0 年代，由清华大学主 持。经过对北京和上海地铁运行参数的长期、大量现场测试，主要包括温度分布、 列车散热量、壁面热流量和风速分布的2 4 小时连续监测，以此实测数据为基础， 结合对流体非稳态流动、地铁空间和非均质土壤层不稳定传热过程的理论分析， 开发了我国第一套可以进行地铁环境模拟的软件s t e s s 。编制完成后，该软件 在天津地铁和深圳地铁设计及建设阶段里都得到了应用，用其对地铁车站和隧道 的环控系统进行数值模拟，并给地铁建设的可行性研究、地铁建设的方案对比、 地铁建设的技术经济分析及设计咨询等提供技术支持【”】 1 4 】。西安交通大学从上 世纪9 0 年底开始致力于地铁环控系统研究，开发了t e s t 和f s c 模拟软件，t e s t 除了拥有s t e s s 软件多数功能外，还可以预测地铁系统的中长期各运行参数变 化，并在此基础上对地铁围护的夏季夜间蓄冷和冬季蓄热在地铁系统环境的影响 等方面进行分析，并实际应用于深圳地铁和重庆轻轨新线地下车站的设计；f s c 软件可以较准确地模拟地铁发生火灾时隧道及车站的污染物浓度、热烟气流动状 态掣1 5 儿1 6 j 。国内其他高校和科研机构也进行了相关研究。 在地铁环境控制系统的设计阶段，有多种方案可选，如果每种方案都逐个进 行实验验证分析，物力、财力、和人力将耗费巨大。因此，地铁设计时的方案确 定方法是采用软件数值模拟。地铁环境控制系统有人- r n 冷、机械通风等，能耗 巨大。为了降低能耗，国内外大量设计人员和学者对地铁环境控制系统的节能措 施和方法进行探索及可行性研究【l 7 】 18 1 。目前地铁环控系统研究可采用的措施有 两种：变频技术和屏蔽门系统。 变频技术作为一项较成熟的节能技术，在工业与民用中已广泛应用。地铁乘 客流量、车站空调负荷波动大，初期、近期和远期相差大，而设备选型必须按照 远期最大负荷选择。因此，变频技术可能是地铁环控系统中最有效节能措施之一。 变频技术不仅节能效果好，而且可以改善设备运行工况，减少机械设备磨损，延 长设备寿命，降低环境噪音，软启动减小启动电流对电网的冲击。变频技术的优 点引起了地铁环控方面的学者和专业的重视，积极参与到变频技术在地铁中的应 用研究。同济大学的刘俊等对空调水系统采用变频及控制策略进行了一些研究 9 l 。风机变频变风量技术方面，天津大学环境学院由世俊、张欢教授的团队已 做了相关研究，主要研究了风机在变频条件下能否满足地铁车站大系统的风量要 求，同时又能使风机保持较高的运行效率。 4 第一章概述 天津大学由世俊老师利用c f d 技术模拟地铁轴流风机，通过对风机性能的分 析来确定风机变频工况能否达到地铁环控标准，其建风机模型如图1 1 ，运用c f d 中的f l u e n t 软件模拟了风机额定工况和变频工况的速度场、压力场及温度场。最 后的结合表明变频工况时，风机风量可以满足要求、效率可以保持较高及功率基 本上与转速成3 次方关系，在满足工艺的条件下，风机变频运行节能效果好口0 1 。 图1 1 风机模型及网格布局 张欢教授对风机变频工况的性能进行了实测。在研究测试过程中，他们选择 了工程常用的风机，并按照g b t 1 2 3 6 2 0 0 0 “工业通风机用标准化风道进行性能 试验”，采用d 型试验装置，风量测量采用锥形进口；风机功率、电动机效率均 按照g b t 1 2 3 6 2 0 0 0 标准计算。试验表明，风机在额定转速9 9 0 r p m 、风量6 1 m 3 s 时，风机功率为7 0 k w ，效率为7 5 。8 5 的负荷需要的风量为18 0 0 0 0 m 3 h 左右， 如果风机仍按额定转速9 9 0 r p m 运行，通过调节阀门使风量达到1 8 0 0 0 0 m 3 h 时， 风机功率为10 0 k w 、效率为7 1 ；若变频调节风机风量为18 0 0 0 0 m 3 h ，此时风 机转速为7 0 2 r p m 、功率为1 4 k w 、效率为7 8 。风机变频遵守流体机械相似定 律，所以风机在变频工况运行时，不但可以保持较高的效率，还极大的降低了风 机能耗i 川j 。 地铁屏蔽门系统是一项高科技产品，集材料、建筑、电子信息、机械等学科 于一体，核心技术被国外少数几家公司垄断，直到2 0 0 6 年我国深圳方大集团自 主研发成功，过了国家评审，并且于2 0 0 7 年3 月与深圳地铁签订了一号线续建 工程地铁屏蔽门系统的总承包合同，标志着我国的地铁屏蔽门产业已经进入世界 先进行列。对于屏蔽门系统的节能效果，国内大量学者对此进行了研究。西南交 通大学闰荣巧等对屏蔽门结构、设计思路进行了研究，选用一个典型车站，分别 对我国南方、中部和北方进行了冷负荷、通风量、年能耗等研究，并利用c f d 模拟模拟安装屏蔽门系统前后的站台热环境，分析其温度和速度场口2 1 。同济大 学边志美等以某地铁站为例，对安装屏蔽门系统前后的车站各子区间风机能耗进 第一章概述 行了定量分析，表明屏蔽门系统( 封闭式) 具有好的节能性，较高的舒适性2 3 】 2 4 1 。 清华大学朱颖心等对封闭式屏蔽门系统的屏蔽门漏风量进行了研究，分析了屏蔽 门漏风量对地铁空调系统负荷的影响25 1 。 1 3 地铁环境系统介绍 地铁的区间隧道和车站一般是地下建筑，只有区间隧道通风竖井、隧道洞口 以及车站各出入口与室外大气直接相通，随着发车密度、乘客流量的增加，只靠 自然通风的方法已无法满足乘客对地铁舒适性以及地铁安全性的要求，所以地铁 环控系统在不断地发展中解决这些问题。目前，地铁环境控制系统已成为地铁工 程的重要组成部分之一，它的主要作用是为乘客创造舒适的乘车环境，最大限度 吸引客流，同时也为车站设备提高良好的工作条件。此外，要求发生火灾时，地 铁环境控制系统可以为乘客和地铁的工作人员供给新鲜空气，同时排出地铁内的 烟气，为地铁内的人员逃离事故现场创造条件。地铁环境控制系统一般分为三个 子系统：车站大系统( 公共区间) 环控系统、车站设备的管理用房环控系统以及 区间隧道的通风系统。本课题所涉及范围仅限于车站公共区间环控系统。 1 3 1 地铁环控系统的分类 由于地铁屏蔽门系统的引入，地铁环境控制系统被分为了三种：1 、开式系 统，2 、闭式系统，3 、屏蔽门系统。 1 、开式系统 开式系统是指在地铁沿线，车站之间设置大量的通风竖井，使地铁地下空间 ( 隧道、车站) 与外界大气相连通，利用地铁在隧道运行时产生的“活塞效应”， 或采用机械通风方法，利用室外空气较冷的空气冷却地铁区间隧道、车站，排除 地铁内产生的余湿、余热。开式系统只靠通风排除余热余湿。因此，开式系统只 能用于客运量很小、当地最热月平均温度低于2 5 的地铁系统。 2 、闭式系统 闭式系统是指地铁的隧道和车站基本上与室外大气不连通、隔绝，端头竖风 井只设计在车站的两端，可以合适的条件下，使闭式系统在开式系统、闭式系统 两者之间转换运行。由于车站站台与区间隧道完全连通，所以环控系统必须把地 铁隧道区间、地铁车站作为一个统一的有机整体考虑，利用地铁列车行驶引起的 活塞风把车站的冷风引入隧道。这种系统主要运用于客运量较大( 地铁上f 班高 峰时段每小时的列车运行对数与每列列车车辆数的乘积大于1 8 0 ) 、当地最热月 的平均温度高于2 5 的地区。根据适当的条件，转换地铁系统的运行模式，降 低地铁能耗。 6 第一章概述 3 、屏蔽门系统 一般而言，封闭式的屏蔽门系统才被称为屏蔽门系统，半高式、开式这两种 归为其它系统。屏蔽门系统的屏蔽门可以滑动，安装在区间隧道与站台之间，将 车站站台与区间隧道隔离开，车站公共区间、区间隧道的通风空调系统是相对独 立运行的。屏蔽门的最大优点是隔绝了站台与区间隧道，将地铁运行而产生的地 铁系统第一大热源列车运行产热量、第二大热源列车空调冷凝器散热量 挡在了站台之外，减小了车站的热负荷，降低了车站的空调负荷，从而减少了初 期土木投资和设备投资，同时也减小了站台吹风感，提高了舒适度。但是屏蔽门 系统是否适用当地，需要可行性论证。 1 3 2 新型地铁环控系统 三种地铁环控系统类型，各有优缺点。开式系统充分利用了活塞风效应，运 行成本低，但是不用于大型地铁系统；闭式系统虽然可以给地铁系统提供舒适的 运行和乘坐环境，但是能耗高，加重了国家能源负担；屏蔽门系统是目前最理想 的系统，将站台与区间隧道隔离开，但使车站不能有效地利用活塞风资源，因为 在一定条件下，可以利用活塞风来减少车站大系统通风量，甚至关闭通风机。因 此，提出了一种集各环控系统优点的新型环控系统带可控风口的新型屏蔽门 环控系统，本系统的车站公共区间环控系统分为三个子系统：新型屏蔽门系统、 车站通风空调大系统及空调水系统。 新型系统的主要特点是带可控风口的新型屏蔽门系统，其原理图如图1 2 。 不同于传统封屏蔽门系统，新型屏蔽门上端有可控风口，当满足一定条件时，可 控风口1 开启，利用活塞风，降低车站通风能耗。新型屏蔽门系统的可行性前期 已得论证，是试样机也已做出，准备在该地铁系统中使用。 l 一可控风口；2 一顶箱；3 一端门；4 一固定门；5 一滑动门；6 一应急门；7 一 站台：8 一隧道 7 第一章概述 图卜2 新屏蔽门系统示意图 新型环控系统的车站大系统通风系统主要由a h u 、回排风机、排烟风机、 小新风机及排风井组成。通风系统对称布置，车站两端对称设置通风设备，每端 安装一台空气处理机组( a h u ) ，负责向站台、站厅送风；每端安装回排风机和 排烟风机各一台，火灾时回排风机可以兼作排烟风机；每段设置一台小新风机， 当站内需要新风时开启。 车站的新型环控系统有独立的空调水系统，主要由a h u 、冷冻水泵、冷水机 组、冷却水泵、冷却塔及定压排气补水装置组成，冷却塔放置在室外，其余均集 中布置在车站设备房间。其中，冷冻水系统是一次泵系统，具有三台并联的冷冻 水泵( 两用一备) ，末端用动态平衡电动调节阀根据空调负荷调节末端水流量。 冷却水系统是开式系统，具有三台并联的冷却水泵( 两用一备) ，开放式冷却塔 放置在地面散热。 传统屏蔽门系统有小新风模式、全新风模式及机械通风模式三种运行模式。 然而新型地铁环控系统应用了带有可控风口的屏蔽门系统，条件满足时可控风口 就开启利用活塞风，降低运行能耗，若条件不满足，可控风口保持关闭，隔绝地 铁隧道与地铁车站，使车站降低运行能耗。因此，经过分析，新型环控系统除了 有传统的三种运行模式外，还有两种新的运行模式：机械活塞风通风模式和活 塞风通风模式，五种模式的子系统运行情况如表1 1 ，各模式的通风空调系统设 备状态如表1 2 。 1 ) 小新风模式 当室外空气焓值大于车站大系统回风焓值时，车站大系统环控系统采用小新 风模式：屏蔽门可闭风口关闭，空调水系统开启，小新风机开启，风阀3 关闭。 启动空调水系统，运行小新风机，用回排风机将站内空气部分排到室外、部分 作为一次回风，与小新风机所引进的环境新风混合，经由a h u 冷却、除尘及杀 菌处理后送至站厅、站台公共区，即车站大系统。 2 ) 全新风模式 当室外空气的焓值小于车站大系统的设计回风焓值、且关闭空调水系统后无 法满足站内通风要求时，车站大系统环控系统采用全新风模式：屏蔽f - 可闭风口 关闭，空调水系统开启，小新风机关闭，风阀3 开启。人工制冷系统运行，但是 小新风机关闭，a h u 风机直接通过排风井引进室外新风，经过a h u 处理后送入 车站大系统：会排风机的回风全部排到外界。 3 ) 机械通风模式 当室外空气焓值小于车站大系统回风焓值、关闭空调水系统后只运行通风系 统风机即可满足站内通风要求、且屏蔽门可控风口不满足开启条件时，运行机械 第一章概述 通风模式：屏蔽门可控风口关闭，空调水系统关闭，小新风机关闭，风阀3 开启。 制冷系统关闭，a h u 送机引入室外较低温度的新鲜空气，经过除尘、杀菌后送 入车站公共区间，经回排风机的回风全部排出到室外。 当活塞风模式运行时，室外温度低，隧道温度低，导致站内温度低于1 2 ， 不符合国标规定，此时须机械通风模式运行。为了提高站内温度，需利用站内回 风，此时的机械通风模式：屏蔽门可控风口关闭，空调水系统关闭，小新风机开 启，风阀3 关闭。部分回风与小新风机引进的室外新风混合，经a h u 除尘、杀 菌后送入站内，部分回风直接排到室外。 4 ) 机械活塞风模式 当隧道活塞风及室外温度较低，满足活塞风利用条件时，屏蔽门的可控风口 开启，但是活塞风又无法独自满足站内通风排热要求，还得开启风系统中的a h u 给站内送风，所以采用机械和活塞风混合通风，即机械活塞风通风模式：屏蔽 门可控风口开启、空调水系统关闭，小新风机关闭，风阀3 开启。a h u 风机直 接从室外引入站内还需的风量送入车站大系统，在a h u 风量和活塞风的共同作 用下满足站内通风排热要求，既利用活塞风，又降低了站内通风量。 5 ) 活塞风模式 当室外、隧道温度较低，且只依赖隧道活塞风即可满足站内通风排热要求时， 开启屏蔽门可控风口，其它通风系统设备均关闭，运行活塞风模式。 模式切换的基本原则为：室外温度和隧道温度都较高的空调季节，关闭屏蔽 门可控风口，系统按传统屏蔽门系统运行，降低空调季节环控能耗；在室外温度 和隧道温度都较低的非空调季节里，可控风口开启，系统按安全门系统运行，降 低非空调季节通风能耗。 1 4 课题研究目的、内容及方法 本课题结合南方某市地铁，对地铁环控系统进行研究。课题研究的主要目的 是改进目前的环控系统，进一步减少地铁环控系统运行能耗，降低地铁运行成本。 根据前期调研、考察和理论分析，为该地铁提出了一种新型环控系统。本课 题的主要内容是对新型地铁环境控制系统进行节能方面的研究，主要分析变频技 术的可行性，以及利用变频技术后的地铁环境控制系统节能效果，并利用热力学 方法及c f d 软件对变频可行性进行分析论文。而本文涉及的主要研究内容有： ( 1 ) 对地铁车站大系统的热负荷分析： ( 2 ) 空调水系统变流量运行可行性及节能效果分析： ( 3 ) 大系统变风量运行可行性及节能效果分析。 第二章地铁环控系统研究基础资料 第二章地铁环控系统研究基础理论 2 1 技术标准 2 1 1 室外空气计算温度 地下建筑环控系统空调设计采用的空调室外计算温度是按照晚高峰小时年 平均不保证率2 5 计算的。原型地铁一号线选用的空调季节室外计算参数： 夏季空调室外计算干球温度：3 4 6 夏季空调室外计算湿球温度：2 8 2 。c 2 1 2 室内空气设计参数 地下车站大系统( 按屏蔽门系统) 站厅干球温度：3 0 0 。c 相对湿度：4 0 6 5 站台干球温度：2 8 0 相对湿度：4 0 6 5 出入口通道干球温度：3 0 0 。c 2 1 3 新风量标准 车站公共区空调季节空调运行时取下面三者中的最大者： ( 1 ) 每个计算人员按1 2 6 m 3 人h 计； ( 2 ) 新风量不小于系统总风量的1 0 ； ( 3 ) 屏蔽门漏风量 21 4 空调送风温差 站厅：t 1 0 。c 站台：a t e 8 。 2 1 5 车站空气品质标准 二氧化碳浓度 1 5 地下车站含尘浓度( 日平均) 1 0 0 0 0 、水温在0 5 0 。c 变化时，水侧表面传热系数0 【与水流速u 关系为【 = p 争i 件6 ， 在额定工况时，换热器热平衡： q o = ao f at 。= c 舻乒 ( 4 8 ) 额定工况时，水流速达到最大。假设两个温差t m 、a t 均固定，当水流量 减少时，水流速变为p ( p ) ，水进出换热器的热变化量 a q = c 。p p w a a t ( 4 9 ) 此时换热器水侧换热系数c 【，水侧换热能力 q z f a t 。= b o 。 ( 4 1 0 ) 定义水侧换热能力与水进出换热器的热变化量之比 妒：q ( 4 1 1 ) a q 1 结合式4 7 式4 1 1 得 2 4 第四章空调水系统变频可行性分析 妒：( 生) o - 2 ( 4 一1 2 ) 由于0 1 ，表面当水流量减小为p 时，换热水侧换热能力大于 水的热变化量，即水流减小后的换热器换热能力大于工艺要求，变水流量不影响 水侧换热，变水流可行。 同时，由式4 1 的满足条件知，水流速下限受到限制，若水流速过小形成层 流，导致换热恶化，因此在实际应用中，水流量下限为换热器额定流量的4 0 6 0 。 4 3 冷冻水流量变化对末端空调箱制冷盘管传热的影响 空调箱风机制冷盘管直接负责把地铁站内排热除湿，它的换热效果直接决定 了地铁站环控效果，因此需要对它进行仔细分析。根据研究，制冷盘管，在入口 冷冻水温度7 2 。c ，水温升5 6 。c ，空气干球温度2 7 。c ，湿球温度1 9 。c 时，传热 量与流量的关系如文献【3 7 ，表明： 1 ) 变冷冻水流量不影响换热器的换热能力，例如当水流量为设计流量的6 0 时， 换热器换热量为额定值的8 1 ，即变水流量时换热器亦能满足换热要求； 2 ) 传热量变化速率小于流量变化率； 3 ) 当水流量超过设计流量时，吸收的潜热量增加，而显热量趋于不变，即无法 调节送风温度。 4 4 冷冻水泵变频可行性分析 为了能清晰分析冷冻水变流量对冷水机组肿l - t ：“f j 匕的影响，设定冷却水额定流量 常规方式运行。 蒸发器的蒸发温度是决定冷水机组c o p 的一个重要因素，本文用热力学方 法来分析冷冻水变流量对蒸发温度的影响。在分析中，设定冷冻水的进出蒸发器 水温度为1 2 7 。c 。蒸发器传热与能量守恒方程： q ：x o f 。坠等掣：c w k 熊( t 。, - t e o ) ( 4 1 3 ) 如f 兰2 1 te 。一t 。 由式4 1 3 ，推导出蒸发器蒸发温度与冷冻水流量的关系： 2 5 第四章空调水系统变频可行性分析 t e = = f p 。一 ( z 一1 z i ) 当满液式蒸发器水侧流量变化时，其传热系数只与冷冻水流量v 。有关， 且成线性关系： 良。= 九k 叉。 k ( 4 1 5 ) 得到与额定负荷相比较的相对负荷和与设计流量相比较的相对流量的关系： 奄= 砜，? ( 4 1 6 ) 式中，t q 为与末端制冷盘管有关的常数，且是不大于1 的正数。 则： a 。 ( 4 - 1 7 ) 1 段设： 1 ) 冷却水按设计流量及设计进出水温度3 0 3 5 运行； 2 ) 冷冻水按设计流量运行时，冷冻水供水温度设计为7 。c ： 3 ) 冷冻水按变流量运行时，冷冻水设计供回水温度设计为7 1 2 。c ，实际制冷量 与冷冻水流量的关系如式4 1 6 。 按照上面的假设条件结合前面的热力学分析冷水机组按设计流量运行及变 流量运行的冷水机组蒸发温度和c o p 对比，结果如图4 2 、图4 3 。图中表明， 设计流量运行的蒸发温度比变流量运行的蒸发温度高。图4 3 表明，随着冷冻水 流量减少，冷水机组性能系数c o p 逐渐降低。 一 一 一变流量运 亏 ；是摹 0 9 2 一 一 0 9 0 1 0 0 9 0 7 0 6 0 嘶的患篡篙震篡薷黧茹募嘶的 上面的分析结果表明，冷冻水变流量需要练合考虑父移m 里印u 吸训m 里一“ 4 5 冷却水泵变频可行性分析 为了分析方便和排除冷冻水流量变化对冷水机组的影响，在分析冷却水变流 剥篓喜竺豢衰鬈芝鋈慧翼染机绍c 。p 的重要因素之一，本文用热力学方 纂兰震黛黧篙嚣然淼赫搿磊篡 黧黧槭流量篇黧鬈纛罴叫一1“3035。c 水温度设定为 。可推导出冷凝温度与冷却水沉戛h u 大尔： 2 7 3 2 一三 鼍 第四章空调水系统变频可行性分析 t c _ ”一 - 1 9 ) 当冷水机组冷凝器水侧流量变化时，其传热系数k 只与冷却水流量v 砒。有 关，且成线性关系： 良。= 允k 叉k 。 ( 4 2 0 ) c=2c，1两11 a c 4 _ 2 1 i p 瑶气挣l lj 假设： 1 ) 冷冻水按设计流量运行，冷冻水供水温度为7 ； 2 ) 冷却水变流量运行时，按进出水温度3 0 3 5 运行： 3 ) 冷却水设计流量运行时，按冷却水进水温度3 0 。c 运行。 按照上面的假设条件结合本节的理论热力学分析冷却水变流量与设计流量 运行的冷凝温度、c o p 及能耗等方面的比较。 冷却水变流量运行与设计流量运行的冷凝温度对比如图4 4 。显然，变流量 运行比设计流量的冷凝温度高。随着冷却水减少，变流量运行的冷凝温度与设计 流量运行的冷凝温度升高值逐渐增大，在变流量为6 0 时，变流量相对设计流量 温升达到了2 。c 。 4 0 3 8 3 6 3 4 3 2 + 变流量运7 - 图4 4 冷却水定流量和变流量的冷凝温对比 所以变流量使冷水机组能耗增加，c o p 降低，如图4 5 。 2 8 o66o7 曼谨对 擗士一 冬、 58o9s9 o3 第四章空调水系统变频可行性分析 1 0 0 0 9 8 0 9 6 o u ；0 9 4 o 9 2 0 9 0 1 0 0 图4 5 冷却水变流量较设计流量的冷水机组相对c o p 随着冷却水相对流量减小，变流量c o p 较设计流量运行c o p 的相对c o p 逐渐减小，到相对流量6 0 时，相对c o p 为0 9 3 ，变流量相对设计流量运行c o p 降低了7 ，即变流量相对设计流量增加了冷水机组压缩机功耗。 冷却水泵扬程、功率与流量关系： 扬程 h = 聃k 垂 ( 4 2 2 ) 功率 n ：p w g q h ：p w g q ( h + k q 2 ) ：婴+ 丝