謝大明

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308)

1 地鐵通風與空調(diào)節(jié)能控制設(shè)計原則

在地鐵設(shè)計中，通風與空調(diào)節(jié)能控制是兩項不容忽視的重要內(nèi)容。它們不僅能夠鑄牢地鐵安全運行的銅墻鐵壁，而且能夠有效降低地鐵能源消耗，從而使地鐵的應(yīng)用性不斷提高。為了切實做好通風與空調(diào)節(jié)能控制設(shè)計這兩項工作，設(shè)計人員必須按照設(shè)計標準展開，力爭將設(shè)計的最終效果完美呈現(xiàn)出來。具體體現(xiàn)在以下四個方面。

1)地鐵高架站所處的區(qū)域一般比較空曠，為公共區(qū)域，因此無須配備空調(diào)，自然通風是最佳選擇。在設(shè)備管理區(qū)，有必要配備變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置。

2)要嚴格遵循“就近服務(wù)與相鄰布置”的標準，精準設(shè)計地鐵站的通風空調(diào)，目的主要在于兩方面：縮短空氣輸送的范圍，將設(shè)計成本控制在合理范圍。

3)要使用性能集中、方便維護的設(shè)備，以保證空調(diào)系統(tǒng)功能的展現(xiàn)。此外，運行安全、技術(shù)過硬、節(jié)約空間等也是集中考量的因素。這些不僅能夠有效提高地鐵通風的設(shè)計水平，而且能夠提升空調(diào)科學(xué)水準。

4)在設(shè)計地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)時，必須嚴格遵循行業(yè)規(guī)定與技術(shù)要求，而且設(shè)計工作全程以及設(shè)備配備等均要圍繞節(jié)能展開，從而使地鐵車站配置的通風系統(tǒng)具有優(yōu)良的節(jié)能性能。與此同時，設(shè)計人員必須堅持具體問題具體分析的宗旨，對于施工場所的實際情況，必須進行及時、全面的分析，同時，節(jié)能意識必須貫穿設(shè)計以及施工的全過程，以確定設(shè)計工作能夠真正按設(shè)計效果呈現(xiàn)。

2 供冷模式自動切換控制

2.1 節(jié)能原理

首先考慮室外的溫度情況，其次結(jié)合系統(tǒng)自動尋優(yōu)算法以及前饋控制算法，以此合理調(diào)節(jié)組合風閥的開度，最終設(shè)定一個適宜的供能溫度，從而最大程度地減少地鐵運行的耗能。如果新風帶來的益處更大，應(yīng)當使用新風，將冷源設(shè)備關(guān)閉；如果新風的缺點更多，則不考慮使用新風，盡量將新風所攜帶的熱量降低。

2.2 自動控制策略

系統(tǒng)運行模式一般有三種分類：完全新風供冷模式、新風+冷機組合供冷模式以及完全冷機供冷模式。具體做如下分析。

1)模式一：完全新風供冷模式。組合風閥閥位：一般將新風閥、排風閥開啟，而關(guān)閉回風閥。在新風最大時正式運行系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^關(guān)閉冷機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔達到控制冷源的目的。

2)模式二：新風+冷機組合供冷模式。組合風閥閥位：新風閥全開、排風閥全開、回風閥關(guān)閉。在新風最大時正式運行系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^將冷機啟動命令傳達給冷源群控系統(tǒng)的方式，使得冷機能夠依據(jù)自身的配置運行。當對室外供冷時，最主要借助的是新風和冷機的組合。

3)模式三：完全冷機供冷模式。組合風閥閥位：新風閥角開、排風閥角開、回風閥全開。在新風最小時正式運行系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^將冷機啟動命令傳達給冷源群控制系統(tǒng)的方式，實現(xiàn)冷機能夠依據(jù)自身的配置進行運行。此模式下功能完全借助冷機。

而完成以上三種模式轉(zhuǎn)換更多依據(jù)的是新風溫度，詳細要求如下。

在模式一下運行，外界新風溫度低于tx時，由于系統(tǒng)會對外界新風溫度進行判斷，反饋到的是低溫狀態(tài)時，室內(nèi)所產(chǎn)生的熱量完全可以被新風釋放的冷量相抵消，此時應(yīng)該采取的是全新風供冷模式。

在模式二下運行，外界新風溫度高于tx，小于28℃時，系統(tǒng)會對外界新風溫度進行判斷，得到的結(jié)果是室溫大于新風溫度，新風中含有的是冷量而非熱量，當全新風模式下時，室內(nèi)所產(chǎn)生的熱量不能夠完全被新風冷量所消耗，因此冷源會被開啟。

在模式三下運行時，外界新風溫度會超過28℃，系統(tǒng)會對外界新風溫度進行判斷，得到的結(jié)果是室溫低于新風溫度，此時新風中含有的是熱量，當衛(wèi)生達標的情況下，避免對新風的引入，此時在新風最小值下運行。

以上所描述的規(guī)則中，擁有一個參數(shù)tx，該參數(shù)可以對新風所含冷量能否滿足室內(nèi)的冷負荷進行判斷。tx可以用在多種車站中，本文中所涉及到的tx會借助系統(tǒng)的運行而生成，所以不限制車站類型。

tx自動修正算法為：①不開啟冷機，回風溫度超過回風所設(shè)定的溫度(28℃)；②送風機頻率大于風機比較頻率設(shè)定值(45 Hz)。

當上述條件都達到時，開始對UPF界溫度以及室內(nèi)溫度隨時監(jiān)測，如果室內(nèi)溫度能夠保持大于1 h以上的舒適溫度，且狀態(tài)較為穩(wěn)定時，立刻將外界溫度進行記錄，該溫度即為tx值；如果在該原理下tx值很低，應(yīng)當更換現(xiàn)有值。以此循環(huán)狀態(tài)達到優(yōu)化目的，只有tx值一直被修正，車站環(huán)境才能更加穩(wěn)定。

3 送排風模式自動切換控制

3.1 節(jié)能原理

由于地鐵站的出入口相較于一般建筑來說較多，因此采取了自動調(diào)節(jié)送排風模式，當風速在允許值的范圍之內(nèi)，風機組才能消耗較小的能源。春、秋兩季，地鐵上的通風空調(diào)系統(tǒng)的作用僅僅限于通風，而不會有制冷效果[1]。此時，送風機、回排風機處于完全開啟狀態(tài)，運行時處于滿負荷狀態(tài)。當然在寫字樓等類似建筑中應(yīng)用該模式會更為適宜，此種建筑的特征之一就是擁有較小的通風面積，建筑所自帶門窗的通風率極差，所以為了加大空氣流通，需要安裝回風道、送風道。但是對于地鐵這類建筑，會在每個車站設(shè)置4個出入口，同時具有較大的橫截面積，所以完全滿足了通風需求[2]。此時，將送風機單獨開啟以保證室內(nèi)的正壓即可，當然還可以將回排風機單獨打開，使得室內(nèi)維持負壓即可。上述兩種方式只開啟了一半，所以便可以節(jié)約一半能源。

3.2 自動控制策略

當?shù)罔F車站通風系統(tǒng)的運行模式維持在送、排二選一的狀態(tài)時，但是只開一組風機也要保證一個前提，即有效通風量足夠。當出入口充當風道時，該處的阻力會影響風量。如果總風量設(shè)計為16萬m3/h，4個出入口的截面積均為16 m2，計算可得風速為1.4 m/s。通道口阻力系數(shù)局部達到了5.8，計算得出入口阻力的最大值是6.8 Pa。可見風量不易受到出入口阻力的影響。

由此可知，風機只打開一組時出入口處的風速最大也不會超過1.5 m/s，設(shè)計風速在5 m/s以下即可。對通風系統(tǒng)的設(shè)計來說，一般會依據(jù)遠期高峰負荷對風量進行控制。如果地鐵處于初期、近期或者遠期非高峰期，由于設(shè)計值會遠高于車站自身的發(fā)熱量，并不需要很多的通風，可見大多數(shù)狀態(tài)下只要開啟單排放送即可[3-4]。

結(jié)合前饋控制理論，本控制策略模塊將分成三個模式對車站通風模式進行控制。

模式一：只送不排。通常多應(yīng)用在低溫較低的季節(jié)，比如冬天，室外溫度較低，此時只送不排的狀態(tài)下，但是站內(nèi)會儲存很大的熱量，所以進站人群感受到出入口的溫度較高，會產(chǎn)生舒適的感覺。當只送不排時，具體需要將大系統(tǒng)的送風機打開，并關(guān)閉回排風機，使得室內(nèi)保持正壓，排風首先穿過出入口等位置，再進入到室外環(huán)境中。

模式二：只排不送。通常多應(yīng)用在溫度適宜的季節(jié)，比如春秋兩季，溫度不會出現(xiàn)較高、較低的情況，此時便采取單排。當只排不送時，具體將大系統(tǒng)的回排風機打開，讓送風機處于關(guān)閉狀態(tài)，保證室內(nèi)處于負壓狀態(tài)，新風穿過出入口等位置，最終進入室內(nèi)。

模式三：送排結(jié)合。此種運行模式下，具體需要將送風機、回排風機都處于打開狀態(tài)，此時存在污染，所以室內(nèi)要保持微正壓或微負壓。

總結(jié)以上描述的三個模式，可知節(jié)能模式僅為模式一、模式二。而且對比排風道和送風道兩者的阻力，前者較小，因此更為節(jié)能的便是模式二。但是由于出入口的乘客會受到外界新風的影響，特別是如果溫度較低，乘客的不適感會增加[5]。當環(huán)境溫度較熱或者出現(xiàn)特殊情況時，會選取模式三，當新風量并不充足或者夏季時期，運行該模式會讓此系統(tǒng)以平衡通風的方式運行，運行時實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。這種模式下，空調(diào)的通風效果更加強烈，又不會過多耗費能源。對于送排風模式有兩種情況可供選擇，其一是空調(diào)工況，其二是非空調(diào)工況。

1)依據(jù)室內(nèi)外焓值判斷是否采取空調(diào)工況：當在氣溫較高的季節(jié)，回風焓值并沒有超過室外空氣焓值，風機運行便可以采取最小新風空調(diào)工況模式，此時回排風機和空調(diào)機組全部打開，按照模式三運行。當回風焓值超過室外空氣焓值時，此時不開啟回排風機，將空調(diào)機組打開，在模式一下運行。

2)依據(jù)室內(nèi)外溫度判斷是否采取非空調(diào)工況：當處于換季時期，外界新風溫度超過10℃，一般會以模式二運行，也就是只排不送；當溫度較低的冬季時，外界新風溫度小于10℃，一般會以模式一運行，也就是只送不排的機械送風模式。因此，會發(fā)生模式之間的更替，因此系統(tǒng)在對室外焓值以及室外溫度進行采集時，一般采集量數(shù)據(jù)1 h之間的平均值。

4 供冷模式自動切換控制效果

本策略在某地鐵站某天的實際運行效果如圖1所示。

圖1 供冷模式自動切換效果

根據(jù)圖1所顯示的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，此種設(shè)計方案下供冷模式需要持續(xù)地進行調(diào)整，室溫還要保持在28℃以下。在這種夏季天氣，新風供冷模式運行時間會大于10 h，而且冷機處于關(guān)閉狀態(tài)，能夠取得良好的節(jié)能效果。

5 結(jié)束語

當前，全世界都面臨能源缺乏的問題，因此依靠科學(xué)技術(shù)大大縮減能源的消耗成為一個非常重要的待解決問題，解決該問題也有利于有效降低地鐵運行成本。本文分析研究了地鐵通風和空調(diào)節(jié)能控制設(shè)計措施，以期為相關(guān)工程提供理論依據(jù)。

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