陸 俊
車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行與優(yōu)化
陸 俊
(無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司江蘇無(wú)錫214023)
在地鐵運(yùn)營(yíng)中,車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗能占車站用電量的45%~60%,全國(guó)各地鐵公司都很重視通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行,但是,設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)是按照遠(yuǎn)景進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行存在較大冗余量。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有無(wú)錫地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分析,結(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,對(duì)既定條件下通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),以節(jié)約地鐵運(yùn)營(yíng)成本,達(dá)到降本增效目的。關(guān)鍵詞地鐵;車站;通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);運(yùn)行優(yōu)化
在地鐵運(yùn)營(yíng)中,車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占車站用電量的45%~60%,因此,全國(guó)各城市地鐵都很重視通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行,但是,對(duì)二、三線城市來(lái)講,設(shè)計(jì)院當(dāng)時(shí)是按照遠(yuǎn)景進(jìn)行設(shè)計(jì)的,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行存在較大冗余量,而以目前已開(kāi)通城市來(lái)看,客流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期,如果按照設(shè)計(jì)要求按部就班運(yùn)行,往往會(huì)造成極大的能耗浪費(fèi);其次,從設(shè)計(jì)到建設(shè),最后到運(yùn)營(yíng)階段,這其中又會(huì)存在較多偏差,可能最終結(jié)果又會(huì)差強(qiáng)人意,與設(shè)計(jì)預(yù)期存在較大出入。最重要的是,對(duì)于一個(gè)新的運(yùn)營(yíng)公司來(lái)講,往往缺乏相應(yīng)技術(shù)和數(shù)據(jù)積累,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題認(rèn)識(shí)不夠充分,在運(yùn)行管理上也會(huì)存在一定的盲目性。目前,無(wú)錫地鐵1、2號(hào)線已運(yùn)營(yíng)多日,客流也相對(duì)穩(wěn)定,在前期存在的諸多問(wèn)題,正在逐步完善和優(yōu)化中,下面就結(jié)合無(wú)錫地鐵實(shí)際情況,探討如何在既定條件下,對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本的目的。
在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,設(shè)備的選擇一般都是按照最不利因素(即系統(tǒng)最大負(fù)荷時(shí))選取,但實(shí)際上往往達(dá)不到設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷,從而造成通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際需要的狀態(tài)不一致,導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能耗偏大,超過(guò)實(shí)際運(yùn)行需要[1]。如圖1所示的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)點(diǎn)A,由于在試運(yùn)營(yíng)期間,客流量不穩(wěn)定,且系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題較多。在相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)缺乏的情況下,只能按照設(shè)計(jì)說(shuō)明對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行和管理,這就造成了極大的成本浪費(fèi)。因此,在目前運(yùn)營(yíng)階段,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)狀態(tài)、客流情況、管理架構(gòu),對(duì)整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)從運(yùn)行策略到運(yùn)行維護(hù)管理上進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到圖1中狀態(tài)點(diǎn)B,甚至可以進(jìn)一步在服務(wù)質(zhì)量與運(yùn)營(yíng)成本效益之間尋求最佳狀態(tài)點(diǎn),如圖1中狀態(tài)點(diǎn)C,以最大化節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本,實(shí)現(xiàn)公司的節(jié)能增效的生產(chǎn)目標(biāo)。
圖1 運(yùn)營(yíng)要素關(guān)系
目前,作為一家新成立的地鐵運(yùn)營(yíng)公司,無(wú)錫地鐵在運(yùn)營(yíng)初期,往往缺乏通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn),還面臨巨大運(yùn)營(yíng)成本負(fù)擔(dān)。所以在服務(wù)質(zhì)量與運(yùn)營(yíng)成本效益之間,尋求符合現(xiàn)狀的最佳狀態(tài)點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)初期首要解決的難題。
無(wú)錫地鐵采用了屏蔽門系統(tǒng),車站空調(diào)負(fù)荷主要包括人員負(fù)荷、照明負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷、屏蔽門傳熱、滲透負(fù)荷、出入口滲透負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷以及廣告、導(dǎo)向牌、指示牌產(chǎn)生的負(fù)荷。設(shè)備負(fù)荷是指電扶梯、AFC(自動(dòng)售檢票系統(tǒng))等產(chǎn)生的負(fù)荷??照{(diào)系統(tǒng)濕負(fù)荷主要由人員負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)濕負(fù)荷組成[2]?,F(xiàn)以無(wú)錫2號(hào)線某標(biāo)準(zhǔn)站為例,分析車站設(shè)計(jì)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷的差異。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用電、客流以及風(fēng)量測(cè)試分析(見(jiàn)圖2),表明設(shè)計(jì)負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷。
圖2 無(wú)錫地鐵某站設(shè)計(jì)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷對(duì)比
單獨(dú)就個(gè)別分項(xiàng)來(lái)看,在設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算中,因?yàn)槿≈凳菂⒖歼h(yuǎn)期客流,但目前客流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)預(yù)期,所以實(shí)測(cè)負(fù)荷不大,在車站實(shí)測(cè)的負(fù)荷比重也不大,可見(jiàn)現(xiàn)階段客流量對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行影響不是很大。而照明和設(shè)備這部分實(shí)測(cè)的負(fù)荷比設(shè)計(jì)負(fù)荷也小了很多。屏蔽門傳熱由于無(wú)法直接測(cè)試,圖2中設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)都是按照常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法取值。空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷由于大系統(tǒng)送回風(fēng)量不匹配,導(dǎo)致實(shí)際引入的新風(fēng)量較少,實(shí)際新風(fēng)負(fù)荷小于設(shè)計(jì)值。風(fēng)機(jī)溫升由于實(shí)際風(fēng)機(jī)采用變頻運(yùn)行,輸入功率遠(yuǎn)小于額定工況,所以實(shí)測(cè)值小于設(shè)計(jì)值。出口進(jìn)風(fēng)與屏蔽門漏風(fēng)存在相互影響的關(guān)系,在測(cè)試站空調(diào)設(shè)計(jì)說(shuō)明中并未提及如何考慮屏蔽門漏風(fēng)對(duì)于車站負(fù)荷的影響,因此在設(shè)計(jì)負(fù)荷分析中,僅考慮了出入滲風(fēng)的負(fù)荷,而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)則發(fā)現(xiàn)屏蔽門漏風(fēng)對(duì)車站還是有一定影響的。由于屏蔽門施工缺陷,導(dǎo)致屏蔽門漏風(fēng),對(duì)出口進(jìn)風(fēng)影響也較大,所以出口進(jìn)風(fēng)負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)取值,同時(shí)增加了因屏蔽門漏風(fēng)導(dǎo)致的負(fù)荷損失,所占比重較大,因而室外空氣將通過(guò)空氣交換對(duì)車站負(fù)荷產(chǎn)生了明顯的影響,造成車站負(fù)荷的季節(jié)性變化。在夏季,室外氣溫高,尤其是啟用空調(diào)后,由于室外空氣的含濕量一般較大,使車站空調(diào)負(fù)荷因此大為增加。在冬季,室外氣溫低,此時(shí)室外空氣將對(duì)車站起到降溫作用。其次,在設(shè)計(jì)負(fù)荷中還保留很大部分未知冗余量,這對(duì)前期車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行存在一定的能耗浪費(fèi)。
另外,根據(jù)測(cè)試站設(shè)備用電情況來(lái)看(見(jiàn)圖3),車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電約占28%,照明用電所占比例為18%。而在夏季時(shí)候,整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電約占60%,照明用電所占比例為7%。從以上數(shù)據(jù)可以看出,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)車站整個(gè)用電量影響較大,尤其是夏季,開(kāi)啟空調(diào)水系統(tǒng)后,能耗增加較為明顯。
圖3 無(wú)錫地鐵某站過(guò)渡季節(jié)與夏季典型用電比
表1是設(shè)計(jì)院給出的無(wú)錫地鐵環(huán)控大系統(tǒng)模式,但目前從實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看,無(wú)論是模式轉(zhuǎn)換條件還是模式控制,都需要結(jié)合運(yùn)營(yíng)初期的數(shù)據(jù)和積累經(jīng)驗(yàn),對(duì)其從3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化,首先是模式控制優(yōu)化,其次是模式轉(zhuǎn)換條件優(yōu)化,最后就是根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行管理?xiàng)l件,對(duì)模式時(shí)間表進(jìn)行優(yōu)化。
表1 無(wú)錫地鐵環(huán)控大系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)模式
3.1 模式控制優(yōu)化
在南京、上海等成熟地鐵的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中,有通風(fēng)季節(jié)只排不送模式,而在無(wú)錫地鐵設(shè)計(jì)中(見(jiàn)表1),只有只送不排模式,但從現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看,增加只排不送模式能使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理更靈活、方便,有利于節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。
大系統(tǒng)只排不送模式說(shuō)明:只開(kāi)啟回排風(fēng)機(jī),空調(diào)新風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)機(jī)組均關(guān)閉,利用回排風(fēng)機(jī)排除公共區(qū)空氣并形成風(fēng)壓差,由車站各出入口補(bǔ)入新風(fēng),見(jiàn)圖4。
圖4 典型車站大系統(tǒng)示意
由于利用車站乘客出入口作為風(fēng)道,則乘客出入口通道的阻力對(duì)風(fēng)量有決定性的影響。按照測(cè)試站空調(diào)總風(fēng)量130 000m3/h計(jì)算,車站出入口2個(gè),每個(gè)截面積12 m2,則出入口風(fēng)速為1.5 m/s。出入口通道的局部阻力系數(shù)約為5.8(彎頭2×1.15,門洞1×2,突擴(kuò)突縮1×1.5),計(jì)算得到出入口通道阻力最大為7.8 Pa,與空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī)及回排風(fēng)機(jī)的壓頭相比,不到2%。因此,出入口阻力對(duì)于通風(fēng)量的影響是相當(dāng)小的,單排通風(fēng)和單送通風(fēng)方式完全能夠滿足系統(tǒng)通風(fēng)量的要求。此外,從計(jì)算中也可以看到,單排單送模式引起的出入口最大風(fēng)速變化不到1.5m/s,對(duì)于乘客來(lái)說(shuō)是可以接受的。
通過(guò)實(shí)際能耗的測(cè)算得出,單排通風(fēng)的能耗最小,僅為通風(fēng)工況Ⅲ的38%。另外,與單送通風(fēng)比較,單排通風(fēng)還避免了風(fēng)機(jī)溫升的影響,但由于出入口無(wú)組織進(jìn)風(fēng),未經(jīng)過(guò)空氣凈化處理,可能會(huì)導(dǎo)致地鐵站內(nèi)存在空氣含塵濃度等指標(biāo)偏高問(wèn)題,因此,應(yīng)在室外空氣質(zhì)量較好的情況下,與其他模式靈活使用,在不影響客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量的前提下,減輕運(yùn)營(yíng)成本壓力,是適合無(wú)錫地鐵實(shí)際情況的。
3.2 模式轉(zhuǎn)換條件優(yōu)化
根據(jù)設(shè)計(jì)院給出的通風(fēng)季與空調(diào)季的轉(zhuǎn)換條件為臨界溫度16℃,這無(wú)疑不符合無(wú)錫地鐵現(xiàn)狀,為此針對(duì)轉(zhuǎn)換條件,必須重新進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到運(yùn)營(yíng)成本目的,根據(jù)推導(dǎo)公式[3],有
式中,ts,to為送風(fēng)溫度,室內(nèi)設(shè)定溫度℃;Qst為車站顯熱負(fù)荷,kW;ρ為空氣密度,kg/m3;G為送風(fēng)量,m3/s; Cp為空氣定壓比熱,kJ/kg℃。
在開(kāi)啟冷機(jī)和通風(fēng)情況下,采用較低的送風(fēng)溫度,被認(rèn)為有利于節(jié)能,但實(shí)際送風(fēng)溫度不可能無(wú)限制,一般送風(fēng)溫差最多在10℃左右,送風(fēng)量G是由車站負(fù)荷Qst和室內(nèi)外溫差決定的,因此對(duì)于給定的系統(tǒng),冷機(jī)的啟停條件是由外溫和車站負(fù)荷決定的。
根據(jù)計(jì)算可以得出按不同車站負(fù)荷計(jì)算的冷機(jī)啟停外溫條件,如圖5所示。
圖5 冷機(jī)啟停臨界室外溫度與車站負(fù)荷關(guān)系
從圖5可知,外溫高于臨界溫度時(shí),啟動(dòng)冷機(jī)是經(jīng)濟(jì)的,否則純通風(fēng)方式運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)的。從曲線可以看出,臨界溫度范圍在21℃~26℃,并與車站負(fù)荷的變化趨勢(shì)相反。車站發(fā)熱量越大,臨界溫度越低,說(shuō)明車站負(fù)荷大時(shí),更應(yīng)開(kāi)啟冷機(jī)。由于車站負(fù)荷在一天內(nèi)有兩個(gè)峰值,臨界溫度也出現(xiàn)兩個(gè)低谷。在實(shí)際運(yùn)行時(shí),為了避免冷機(jī)的頻繁啟停,可以用臨界溫度的均值來(lái)進(jìn)行判斷,當(dāng)然這樣系統(tǒng)能耗會(huì)有少量增加。
由于無(wú)錫地鐵車站無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車站實(shí)時(shí)負(fù)荷變化的監(jiān)控,且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行全依靠人為手動(dòng)調(diào)整,難度較大,所以為方便運(yùn)行調(diào)整,在不考慮相對(duì)濕度情況下,根據(jù)初期負(fù)荷和遠(yuǎn)期負(fù)荷的比值來(lái)確定這個(gè)臨界溫度。以實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷對(duì)比來(lái)看,實(shí)際負(fù)荷占設(shè)計(jì)負(fù)荷一半不到,取負(fù)荷占比0.5,室內(nèi)設(shè)定溫度為28℃,根據(jù)上述推導(dǎo)公式,計(jì)算得出臨界溫度值為22℃。
在原設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)換條件下,對(duì)其適當(dāng)調(diào)整,得出無(wú)錫地鐵運(yùn)營(yíng)初期的模式轉(zhuǎn)換條件[4-10]。
1)空調(diào)工況時(shí)以室內(nèi)外焓值為判據(jù)。當(dāng)室外空氣焓值大于回風(fēng)焓(室內(nèi)設(shè)定焓值)即iw>io時(shí),風(fēng)機(jī)按最小新風(fēng)空調(diào)工況模式運(yùn)行,送回風(fēng)機(jī)全開(kāi)運(yùn)行;
當(dāng)iw<io時(shí),風(fēng)機(jī)按全新風(fēng)空調(diào)模式運(yùn)行,空調(diào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行,?;嘏棚L(fēng)機(jī),由乘客出入口排風(fēng)。
2)非空調(diào)工況時(shí)以室內(nèi)外溫度為判據(jù)。當(dāng)外溫tw高于10℃時(shí),作為過(guò)渡季處理,采用單排的通風(fēng)模式,也可以采用單送的通風(fēng)模式來(lái)改善進(jìn)站乘客的舒適度;當(dāng)外溫tw低于10℃時(shí),認(rèn)為處于冬季,從節(jié)能的角度出發(fā),建議采用單排的通風(fēng)模式;考慮到運(yùn)營(yíng)初期,站內(nèi)乘客較少,且存在屏蔽門漏風(fēng)導(dǎo)致的站內(nèi)外換氣,部分時(shí)段可以采用自然通風(fēng)的模式,也就是停運(yùn)模式。
3)其他非空調(diào)工況建議采用通風(fēng)工況Ⅲ模式。通風(fēng)與空調(diào)工況的轉(zhuǎn)換條件,將設(shè)計(jì)的臨界溫度16℃調(diào)整到22℃,大大延長(zhǎng)了通風(fēng)工況的運(yùn)行時(shí)間,減少了冷機(jī)的開(kāi)啟。
3.3 時(shí)間表優(yōu)化
由于無(wú)錫地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)沒(méi)有智能控制系統(tǒng),且缺乏相應(yīng)數(shù)據(jù),只能人為手動(dòng)調(diào)整,不可能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)整,工作要求和強(qiáng)度大,所以只能利用現(xiàn)有模式以及BAS(環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng))時(shí)間表自動(dòng)執(zhí)行模式功能,合理制定時(shí)間表,并不斷優(yōu)化和調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能與服務(wù)雙效益局面。目前,根據(jù)以往測(cè)試車站實(shí)時(shí)負(fù)荷變化情況,將全線車站分為A、B、C 3個(gè)等級(jí),A等級(jí)車站為客流大站,在運(yùn)營(yíng)期間,車站逐時(shí)負(fù)荷因客流較多的原因一直保持較高數(shù)值;而B(niǎo)級(jí)站,主要受高峰、低谷客流量的影響較為明顯;C級(jí)站則一直保持低位,受客流影響較小,所以針對(duì)這3個(gè)等級(jí)車站,分別制定3個(gè)等級(jí)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模式時(shí)間表。在圖6中,對(duì)通風(fēng)季節(jié),選取B級(jí)車站室外典型氣象歷史數(shù)據(jù),根據(jù)優(yōu)化后模式轉(zhuǎn)換條件初步制定時(shí)間表,早上8:00之前室外溫度低于10℃,室外空氣質(zhì)量較好,根據(jù)模式轉(zhuǎn)換條件采用單排通風(fēng)模式,8:00之后溫度上升至10℃以上,此時(shí)采用單送通風(fēng)模式,以改善站內(nèi)環(huán)境,持續(xù)運(yùn)行至晚上21:30,之后停止運(yùn)行,利用車站屏蔽門漏風(fēng)以及出入口穩(wěn)定送風(fēng)來(lái)滿足站內(nèi)需求,同時(shí)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)反饋溫度數(shù)據(jù)加以調(diào)整和優(yōu)化,以減少人工調(diào)節(jié)工作量和設(shè)備頻繁動(dòng)作。
圖6 測(cè)試站實(shí)時(shí)室外溫度變化
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有無(wú)錫地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分析,結(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,對(duì)既定條件下通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),以節(jié)約地鐵運(yùn)營(yíng)成本,達(dá)到降本增效目的,并積累相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn),著眼于未來(lái),為將來(lái)新線的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供更多的技術(shù)支持。
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(編輯:郝京紅)
Optimal Operation of Ventilation and Air-conditioning System in Subway Station
Lu jun
(Wuxi Metro Group Co.,Ltd.,Wuxi,Jiangsu 214023)
The energy consumption of ventilation and air-conditioning system accounts for45%to 60%of the total power consumption in ametro station in operation.Therefore,energy saving for ventilation and air-conditioning system is of great importance to all subway operation companies.However,the ventilation and air-conditioning system is far-reaching design which results in redundancy during its early operation.Through the analysis of the existing ventilation and air-conditioning system ofWuxi metro and in view of the actual operation status,optimization and improvement of ventilation and air-conditioning system under the existing condition are adopted.By doing so,we can notonly reduce the costof subway operation butalso achieve higher efficiency.
metro;station;air-conditioning;optimal operation
U231
A
1672-6073(2016)02-0109-04
10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.025
2016-03-01
2016-03-18
陸俊,男,本科,環(huán)控分析工程師,主要從事地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理研究,lujun1128@hotmail.com