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南京地铁 1 号线环控系统节能诊断分析
1 系统概况
南京地铁 1 号线一期工程（以下简称 1 号线）于2005 年正式通车，1号线全长21.72 km，设车站16座，其中地下站11座，地上站5座。
1 号线环控系统主要由车站空调通风系统和隧道通风系统组成，车站空调通风系统又划分为公共区空调通风系统（简称大系统，见图1），设备及管理用房空调通风系统（简称小系统），空调循环水系统（简称水系统），制式采用闭式，开、闭式运行。闭式系统是一种在空调季车站内空气与室外空气基本不相通的方式，仅通过车站出入口或新风亭吸入室外新风，向车站提供所需的新风量；区间隧道则借助于列车行驶时的活塞效应将车站的空调风送入区间，由此冷却区间隧道温度，车站两端部设置迂回风道，以解决活塞风卸压要求。
2 负荷影响因素
采用闭式系统的地铁车站空调热负荷主要包括：人员负荷、照明负荷、设备负荷、列车运行散热负荷、活塞风及出入口渗透气流负荷、新风负荷以及广告、导向牌、指示牌产生的负荷、围护结构传热负荷。设备负荷指自动扶梯、电梯、AFC（自动售检票）设备的发热量。空调系统湿负荷主要由人员、围护结构、活塞风及出入口渗透气流、新风等湿负荷组成。
在空调季，上述负荷可简化为两类：一类为固定负荷（照明、设备、广告、导向牌、指示牌的负荷、围护结构传热负荷）；一类为变动负荷（人员负荷、列车运行散热负荷、活塞风及出入口渗透气流负荷、新风负荷）。
围护结构传热负荷是由于地铁周围土壤是一个很大的容热体，起到夏储冬放、调节地铁空气温度作用，俗称“热库效应”，在空调季，由于受外界环境影响较小，可近似认为是个定值。
列车运行散热负荷包括列车制动时由动能转化而来的热能、列车空调冷凝器释放的热量以及维持列车正常运动的牵引动力消耗转化的热量等，这部分负荷与列车的质量、发车频率、运行速度等行车组织方式密切相关，故不在本文节能讨论范围内。（www.iwuchen.com）
活塞风及出入口渗透气流负荷是当列车在隧道内行驶时，列车正面的空气受压，形成正压，列车后面的空气稀薄，形成负压，由此产生空气的流动。由于隧道对空气的束缚作用，原先占据着列车空间的空气形成一股特定方向的气流在隧道内穿行。当列车进站时将活塞风带入站台，站台层产生正压，空调气流经站厅层流出至室外。列车出站时又将站台层内的空气吸入隧道，站台层产生负压，室外空气随之进入车站。由此可见活塞风对地铁车站内的气流组织产生了巨大影响，减少活塞风对站内影响的最直接办法就是加装屏蔽门。屏蔽门系统比闭式系统节能的优势已是不争之事实。
作为变动负荷的人员负荷受客流的影响较大，而地铁每日客流的变化幅度非常大，早、晚高峰客流量比较大，时段一般在7:00-8:00和17:00-l8:00，而其它时段客流量相对较少，因此，人员负荷存在很大的波动。由表1车站客流预测表可以看出，初、近期的高峰客流离远期高峰客流有很大差距，初、近期的同时在站人数分别仅为远期的50%、81% 。
新风负荷在1天之内随时发生变化，另外还随季节而变化，因此，新风负荷也是波动的。
以上分析可以看出造成车站负荷变化的主要因素可归结为：（1）乘客流量的变化而引起的发热量的变化；（2）新风参数的变化；（3）活塞风及出入口渗透气流的影响。
3 节能潜力
地铁环控系统往往是按较不利的工况条件设计，不仅要考虑气象条件等因素的变化，而且对于地铁的闭式环控系统，还要模拟和预测初期、近期、远期客流以及行车间隔密度（影响活塞风及出入口渗透气流）对负荷的影响。从既有线路运行情况看，实际空调负荷多数时间只有设计负荷的40%~80%，设备的富裕量较大，若空调系统按装机容量运行，势必造成能源的巨大浪费。
在客流量远未达到设计额定值，空调系统在小负荷的情况下，这就为节能调节运行带来了空间。
从图2可以看出系统节能空间的大小取决于远期负荷与设计负荷之间的设计余量?Q1和远期负荷与初期负荷之间的负荷变化量?Q2以及初期负荷维持的时间和出现的频率。
4 系统节能措施现状调查
地铁运营是一项公益性的事业，它的公益性决定它的运营成本控制的重要性。能耗支出是地铁运营的主要成本费用，因此解决节能降耗问题是节约成本的关键。环控系统作为地铁各设备系统中的耗能大户，它的节能问题将直接影响到地铁经营的效果 。
南京地铁1号线从建设初期就非常注重环控系统节能理念的贯彻实施，自设备招标阶段，对冷水机组、隧道风机等大型环控设备采购采用了全寿命周期费用分析的方法，将能耗费用引入了全寿命周期费用并作为评审价格的依据，比照近期国家公布的设备能效标准，2002年订购的设备均达到或超过了国家1 级能效标识对应的效率标准；同时系统设计采用一次回风系统，在大系统上对回 / 排风机、组合式空调机组送风机全线实施风机变频调速，小系统中空调箱内风机实现高低速运行，取得了不错的节能效果；1 号线还配套建设了环境监控系统（BAS）来对环控系统进行监控和管理，无疑提高了系统的自动化水平，减少了设备检修维护，为设备的运行管理带来了便利。
2005 年建成通车后，在运营过程中，运营公司首先制定了一套严格的环控系统节能运行管理办法与措施，完善设备运行的管理台帐。再者，从运行维护中提升节能空间，如根据 GB 19210-2003《空调通风系统清洗规范》定期实施空调设备及风管的清洗维护，确保换热效率，保障空气品质；实施站内温度节能设定，夏季站厅不高于30℃，站台不高于 29℃；优化运行时间，在过渡季节合理采用全新风运行，减少冷机开机能耗。节能改造中对冷却水系统增加了水处理设备，降低了因产生污垢、腐蚀、锈渣和微生物繁殖所产生的生物污泥而造成管道堵塞、制冷量下降、浪费电能的风险；另外对空调换热器的定期清洗明显降低了空调通风系统的阻力，增加空调风量，减小表冷器的传热热阻、提高换热系数，降低空调系统能耗，有较显著的经济效益。与此同时还安装了环控设备计量电表，采用电能分项计量管理，可准确、及时了解各机电设备的能耗状况，从而发现可能存在的能耗漏洞，使节能改造对症展开，并使各种节能措施的实施效果得以客观的反映和评价及时发现纠正用电浪费现象，为节能考核提供数据，通过量化指标，提高维护人员自觉性，提高节能管理水平。
5 节能改善途径
从前文1号线节能措施现状调查中我们可以发现，目前节能手段大多只集中于系统的各组成部分或单体设备上，很少涉及各个部分组合后系统的整体节能运行效果，往往造成各种设备在各自节能策略下运行而综合模式不一定是最节能的运转态势。因此，优化系统运行模式、合理调配设备是环控系统节能改善的一种有效途径。
5.1 环控系统方面
按照系统划分车站通风空调系统包括大系统（公共区空调通风系统），小系统（设备及管理用房空调通风系统），水系统（空调循环水系统）。
在夏季对新风的处理方式以及迂回风道参与模式是影响大系统节能的关键因素。解放军理工大学工程兵工程学院 朱培根教授以南京地铁1号线环控系统为研究对象，通过理论研究及计算机模拟方式量化出了表2 夏季空调机组小新风与无新风的用电比较数据及表3 全年开迂回风道与空调季开迂回风道、冬季、过渡季关迂回风道用电量比较数据。表2结果显示，空调季空调机组如采用无新风运行模式，地铁通风空调能耗只在近期能耗明显减少，而初期和远期对能耗影响不大，反映出，只要夏季空调机组新风口进风量不超过2万m3/h，即小新风运营，环控能耗不会增加，但对站台来说，空气质量明显改善，建议可以采用小新风运行模式。
从表3 可以看出，1 号线采用空调季开迂回风道，过渡季、冬季关迂回风道的运营模式后，初期每年节省用电量为 28.28（万kWh），近期每年节省用电量为 112.42（万 kWh），但远期不节能，故远期应全年开迂回风道。
根据上述分析可以看出只要对大系统模式略加改变，即可取得不错的节电效果。
小系统主要为车站设备及管理用房服务，设计一般为双风机系统，理论上在过渡季节可以通过采用引入室外全新风方式对通信、信号等一些与行车关系密切且对温度要求高的设备房进行降温冷却。但在实际运行过程中，一方面设计因层高、管线布置等条件限制，新风管设计偏小，难以保证足够的全新风量；另一方面送风量、排风量很难匹配，设备房间一般都采用气体灭火保护方式，相对比较密闭，如果排风量不够，房间内压力偏高，将影响新风送入房间，冷却效果较差，结果在过渡季节仍需开制冷设备，造成了能源的浪费。小系统不合理的用能还表现在夏季，运营结束后，冷机、水泵、冷却塔、风机所有配套设备还需继续运行，仅为部分设备房提供空调，以确保其运行温、湿度的要求，这样运转模式势必造成系统利用效率低，无端浪费了能源。目前，有些兄弟地铁对小系统进行了优化，采用了多联机系统，该系统具有容量匹配灵活、设计安装简单、运转可靠等特点。如果在关键设备用房备用一套多联机，则可以解决夏季夜间既有系统“大马拉小车”的现象，节省能源，提高可靠性。另外冷却塔供冷技术对于解决以显热负荷为主的设备房间冷却问题也是一个不错的选择，它是在常规空调水系统基础上增设部分管路和设备，当室外湿球温度低到某个值以下时，关闭制冷机组，以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷，提供空调所需的冷量，达到节能目的。
空调水系统的节能调节主要分为量调节与质调节，所谓量调节，简单的说就是冷冻水系统变流量、冷却水系统变流量，其主要着眼于水系统的输送能耗上的节约。地铁空调水系统相对简单，笔者认为量调节不太适宜地铁空调水系统。变水温调节是一种简单的水温质调节模式，以某台118 kW水冷整体式冷水机组为例进行计算。在冷却水进水温度为 30℃、出水温度为 35℃时，该机组在不同冷水出水温度时的性能见表4。
从表 4 可以看出，提高冷冻水出口温度，可以提高机组性能。冷冻水出口温度越高，COP 值越大, 即所耗的电能越少，经济性越好。冷水机组采用变水温质调节方法在不同负荷率时的节能效果见表5 。
从技术上看，变冷冻水出水温度调节操作简单，调节方便。1号线水系统如采用变冷水机组出水温度的控制模式将在部分负荷时产生可观的经济效益。
5.2 车站设备监控系统方面
环控系统的模式节能运行与车站设备监控系统提供的控制策略是分不开的。环控系统的控制特点是被监控的设备多，控制变量多并且往往相互关联相互影响，其中某个控制变量的改变与调整，不仅影响该变量所在的局部能耗，而且还将影响整个系统的能耗。
1号线 BAS 系统，目前应用的节能控制方法多局限于局部优化方案，多数为基于 PID 的控制策略， PID 对这些参数的控制分立化，如温度回路、湿度回路、流量回路等等，各信息之间不存在相互关联，造成控制上独立分散的弊端。系统尽管采用了先进的控制设备，尽管采用了一些诸如变风量等面向局部区域调节和控制的设计，其控制层次仍然只是独立的、单设备与单区域的控制调节，并没有进行系统的全局协调控制，系统实现大多也没有充分利用数字网络化的分布式或集散式智能控制设备的功能。管理层计算机与现场控制器之间只是单一的控制设定和运行监视关系，缺乏跟随负荷变化的随动控制能力，缺乏协调级的控制策略。环控系统控制从工业过程控制领域看属于较为缓慢的实时过程，以目前控制器的性能和计算机网络控制技术水平，完全有可能从控制器的上级管理层次上实现全局的智能控制，从而利用现有的自控系统从全局的角度改善环控系统的动态性能；通过系统参数信息化技术，对设备的能耗进行检测，利用能量管理系统进行能耗分析，获得能源使用状况，结合系统的运行模式给出能量使用的合理性分析，并据此给出相应的优化运行指导意见，调整系统的运行策略，从而有利于地铁空调系统节能控制，便于提高设备能效，减少浪费。
6 结论
6.1 环控系统的能耗在地铁能耗中占有相当大的比例，节能潜力较大，节能不仅着眼于局部能耗，更应考虑系统能耗。
6.2 环控系统的节能需要从设计、设备采购、施工调试、运营管理等诸方面统筹考虑，优化节能运行模式，提高设备能源利用效率。
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