1?系統(tǒng)概況

南京地鐵?1?號線一期工程（以下簡稱?1?號線）于2005?年正式通車，1號線全長21.72 km，設車站16座，其中地下站11座，地上站5座。

1?號線環(huán)控系統(tǒng)主要由車站空調(diào)通風系統(tǒng)和隧道通風系統(tǒng)組成，車站空調(diào)通風系統(tǒng)又劃分為公共區(qū)空調(diào)通風系統(tǒng)（簡稱大系統(tǒng)，見圖1），設備及管理用房空調(diào)通風系統(tǒng)（簡稱小系統(tǒng)），空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)（簡稱水系統(tǒng)），制式采用閉式，開、閉式運行。閉式系統(tǒng)是一種在空調(diào)季車站內(nèi)空氣與室外空氣基本不相通的方式，僅通過車站出入口或新風亭吸入室外新風，向車站提供所需的新風量；區(qū)間隧道則借助于列車行駛時的活塞效應將車站的空調(diào)風送入?yún)^(qū)間，由此冷卻區(qū)間隧道溫度，車站兩端部設置迂回風道，以解決活塞風卸壓要求。

2?負荷影響因素

采用閉式系統(tǒng)的地鐵車站空調(diào)熱負荷主要包括：人員負荷、照明負荷、設備負荷、列車運行散熱負荷、活塞風及出入口滲透氣流負荷、新風負荷以及廣告、導向牌、指示牌產(chǎn)生的負荷、圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷。設備負荷指自動扶梯、電梯、AFC（自動售檢票）設備的發(fā)熱量?？照{(diào)系統(tǒng)濕負荷主要由人員、圍護結(jié)構(gòu)、活塞風及出入口滲透氣流、新風等濕負荷組成。

在空調(diào)季，上述負荷可簡化為兩類：一類為固定負荷（照明、設備、廣告、導向牌、指示牌的負荷、圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷）；一類為變動負荷（人員負荷、列車運行散熱負荷、活塞風及出入口滲透氣流負荷、新風負荷）。

圍護結(jié)構(gòu)傳熱負荷是由于地鐵周圍土壤是一個很大的容熱體，起到夏儲冬放、調(diào)節(jié)地鐵空氣溫度作用，俗稱“熱庫效應”，在空調(diào)季，由于受外界環(huán)境影響較小，可近似認為是個定值。

列車運行散熱負荷包括列車制動時由動能轉(zhuǎn)化而來的熱能、列車空調(diào)冷凝器釋放的熱量以及維持列車正常運動的牽引動力消耗轉(zhuǎn)化的熱量等，這部分負荷與列車的質(zhì)量、發(fā)車頻率、運行速度等行車組織方式密切相關(guān)，故不在本文節(jié)能討論范圍內(nèi)。（m.gxshunjiang.com）

活塞風及出入口滲透氣流負荷是當列車在隧道內(nèi)行駛時，列車正面的空氣受壓，形成正壓，列車后面的空氣稀薄，形成負壓，由此產(chǎn)生空氣的流動。由于隧道對空氣的束縛作用，原先占據(jù)著列車空間的空氣形成一股特定方向的氣流在隧道內(nèi)穿行。當列車進站時將活塞風帶入站臺，站臺層產(chǎn)生正壓，空調(diào)氣流經(jīng)站廳層流出至室外。列車出站時又將站臺層內(nèi)的空氣吸入隧道，站臺層產(chǎn)生負壓，室外空氣隨之進入車站。由此可見活塞風對地鐵車站內(nèi)的氣流組織產(chǎn)生了巨大影響，減少活塞風對站內(nèi)影響的最直接辦法就是加裝屏蔽門。屏蔽門系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)勢已是不爭之事實。

作為變動負荷的人員負荷受客流的影響較大，而地鐵每日客流的變化幅度非常大，早、晚高峰客流量比較大，時段一般在7:00-8:00和17:00-l8:00，而其它時段客流量相對較少，因此，人員負荷存在很大的波動。由表1車站客流預測表可以看出，初、近期的高峰客流離遠期高峰客流有很大差距，初、近期的同時在站人數(shù)分別僅為遠期的50%、81%?。

新風負荷在1天之內(nèi)隨時發(fā)生變化，另外還隨季節(jié)而變化，因此，新風負荷也是波動的。

以上分析可以看出造成車站負荷變化的主要因素可歸結(jié)為：（1）乘客流量的變化而引起的發(fā)熱量的變化；（2）新風參數(shù)的變化；（3）活塞風及出入口滲透氣流的影響。

3?節(jié)能潛力

地鐵環(huán)控系統(tǒng)往往是按較不利的工況條件設計，不僅要考慮氣象條件等因素的變化，而且對于地鐵的閉式環(huán)控系統(tǒng)，還要模擬和預測初期、近期、遠期客流以及行車間隔密度（影響活塞風及出入口滲透氣流）對負荷的影響。從既有線路運行情況看，實際空調(diào)負荷多數(shù)時間只有設計負荷的40%~80%，設備的富裕量較大，若空調(diào)系統(tǒng)按裝機容量運行，勢必造成能源的巨大浪費。

在客流量遠未達到設計額定值，空調(diào)系統(tǒng)在小負荷的情況下，這就為節(jié)能調(diào)節(jié)運行帶來了空間。

從圖2可以看出系統(tǒng)節(jié)能空間的大小取決于遠期負荷與設計負荷之間的設計余量?Q1和遠期負荷與初期負荷之間的負荷變化量?Q2以及初期負荷維持的時間和出現(xiàn)的頻率。

4?系統(tǒng)節(jié)能措施現(xiàn)狀調(diào)查

地鐵運營是一項公益性的事業(yè)，它的公益性決定它的運營成本控制的重要性。能耗支出是地鐵運營的主要成本費用，因此解決節(jié)能降耗問題是節(jié)約成本的關(guān)鍵。環(huán)控系統(tǒng)作為地鐵各設備系統(tǒng)中的耗能大戶，它的節(jié)能問題將直接影響到地鐵經(jīng)營的效果 。

南京地鐵1號線從建設初期就非常注重環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能理念的貫徹實施，自設備招標階段，對冷水機組、隧道風機等大型環(huán)控設備采購采用了全壽命周期費用分析的方法，將能耗費用引入了全壽命周期費用并作為評審價格的依據(jù)，比照近期國家公布的設備能效標準，2002年訂購的設備均達到或超過了國家1?級能效標識對應的效率標準；同時系統(tǒng)設計采用一次回風系統(tǒng)，在大系統(tǒng)上對回?/?排風機、組合式空調(diào)機組送風機全線實施風機變頻調(diào)速，小系統(tǒng)中空調(diào)箱內(nèi)風機實現(xiàn)高低速運行，取得了不錯的節(jié)能效果；1?號線還配套建設了環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）來對環(huán)控系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，無疑提高了系統(tǒng)的自動化水平，減少了設備檢修維護，為設備的運行管理帶來了便利。

2005?年建成通車后，在運營過程中，運營公司首先制定了一套嚴格的環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能運行管理辦法與措施，完善設備運行的管理臺帳。再者，從運行維護中提升節(jié)能空間，如根據(jù)?GB 19210-2003《空調(diào)通風系統(tǒng)清洗規(guī)范》定期實施空調(diào)設備及風管的清洗維護，確保換熱效率，保障空氣品質(zhì)；實施站內(nèi)溫度節(jié)能設定，夏季站廳不高于30℃，站臺不高于?29℃；優(yōu)化運行時間，在過渡季節(jié)合理采用全新風運行，減少冷機開機能耗。節(jié)能改造中對冷卻水系統(tǒng)增加了水處理設備，降低了因產(chǎn)生污垢、腐蝕、銹渣和微生物繁殖所產(chǎn)生的生物污泥而造成管道堵塞、制冷量下降、浪費電能的風險；另外對空調(diào)換熱器的定期清洗明顯降低了空調(diào)通風系統(tǒng)的阻力，增加空調(diào)風量，減小表冷器的傳熱熱阻、提高換熱系數(shù)，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，有較顯著的經(jīng)濟效益。與此同時還安裝了環(huán)控設備計量電表，采用電能分項計量管理，可準確、及時了解各機電設備的能耗狀況，從而發(fā)現(xiàn)可能存在的能耗漏洞，使節(jié)能改造對癥展開，并使各種節(jié)能措施的實施效果得以客觀的反映和評價及時發(fā)現(xiàn)糾正用電浪費現(xiàn)象，為節(jié)能考核提供數(shù)據(jù)，通過量化指標，提高維護人員自覺性，提高節(jié)能管理水平。

5?節(jié)能改善途徑

從前文1號線節(jié)能措施現(xiàn)狀調(diào)查中我們可以發(fā)現(xiàn)，目前節(jié)能手段大多只集中于系統(tǒng)的各組成部分或單體設備上，很少涉及各個部分組合后系統(tǒng)的整體節(jié)能運行效果，往往造成各種設備在各自節(jié)能策略下運行而綜合模式不一定是最節(jié)能的運轉(zhuǎn)態(tài)勢。因此，優(yōu)化系統(tǒng)運行模式、合理調(diào)配設備是環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能改善的一種有效途徑。

5.1?環(huán)控系統(tǒng)方面

按照系統(tǒng)劃分車站通風空調(diào)系統(tǒng)包括大系統(tǒng)（公共區(qū)空調(diào)通風系統(tǒng)），小系統(tǒng)（設備及管理用房空調(diào)通風系統(tǒng)），水系統(tǒng)（空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)）。

在夏季對新風的處理方式以及迂回風道參與模式是影響大系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵因素。解放軍理工大學工程兵工程學院 朱培根教授以南京地鐵1號線環(huán)控系統(tǒng)為研究對象，通過理論研究及計算機模擬方式量化出了表2?夏季空調(diào)機組小新風與無新風的用電比較數(shù)據(jù)及表3?全年開迂回風道與空調(diào)季開迂回風道、冬季、過渡季關(guān)迂回風道用電量比較數(shù)據(jù)。表2結(jié)果顯示，空調(diào)季空調(diào)機組如采用無新風運行模式，地鐵通風空調(diào)能耗只在近期能耗明顯減少，而初期和遠期對能耗影響不大，反映出，只要夏季空調(diào)機組新風口進風量不超過2萬m3/h，即小新風運營，環(huán)控能耗不會增加，但對站臺來說，空氣質(zhì)量明顯改善，建議可以采用小新風運行模式。

從表3?可以看出，1?號線采用空調(diào)季開迂回風道，過渡季、冬季關(guān)迂回風道的運營模式后，初期每年節(jié)省用電量為?28.28（萬kWh），近期每年節(jié)省用電量為?112.42（萬?kWh），但遠期不節(jié)能，故遠期應全年開迂回風道。

根據(jù)上述分析可以看出只要對大系統(tǒng)模式略加改變，即可取得不錯的節(jié)電效果。

小系統(tǒng)主要為車站設備及管理用房服務，設計一般為雙風機系統(tǒng)，理論上在過渡季節(jié)可以通過采用引入室外全新風方式對通信、信號等一些與行車關(guān)系密切且對溫度要求高的設備房進行降溫冷卻。但在實際運行過程中，一方面設計因?qū)痈?、管線布置等條件限制，新風管設計偏小，難以保證足夠的全新風量；另一方面送風量、排風量很難匹配，設備房間一般都采用氣體滅火保護方式，相對比較密閉，如果排風量不夠，房間內(nèi)壓力偏高，將影響新風送入房間，冷卻效果較差，結(jié)果在過渡季節(jié)仍需開制冷設備，造成了能源的浪費。小系統(tǒng)不合理的用能還表現(xiàn)在夏季，運營結(jié)束后，冷機、水泵、冷卻塔、風機所有配套設備還需繼續(xù)運行，僅為部分設備房提供空調(diào)，以確保其運行溫、濕度的要求，這樣運轉(zhuǎn)模式勢必造成系統(tǒng)利用效率低，無端浪費了能源。目前，有些兄弟地鐵對小系統(tǒng)進行了優(yōu)化，采用了多聯(lián)機系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有容量匹配靈活、設計安裝簡單、運轉(zhuǎn)可靠等特點。如果在關(guān)鍵設備用房備用一套多聯(lián)機，則可以解決夏季夜間既有系統(tǒng)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省能源，提高可靠性。另外冷卻塔供冷技術(shù)對于解決以顯熱負荷為主的設備房間冷卻問題也是一個不錯的選擇，它是在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)基礎上增設部分管路和設備，當室外濕球溫度低到某個值以下時，關(guān)閉制冷機組，以流經(jīng)冷卻塔的循環(huán)冷卻水直接或間接向空調(diào)系統(tǒng)供冷，提供空調(diào)所需的冷量，達到節(jié)能目的。

空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)節(jié)主要分為量調(diào)節(jié)與質(zhì)調(diào)節(jié)，所謂量調(diào)節(jié)，簡單的說就是冷凍水系統(tǒng)變流量、冷卻水系統(tǒng)變流量，其主要著眼于水系統(tǒng)的輸送能耗上的節(jié)約。地鐵空調(diào)水系統(tǒng)相對簡單，筆者認為量調(diào)節(jié)不太適宜地鐵空調(diào)水系統(tǒng)。變水溫調(diào)節(jié)是一種簡單的水溫質(zhì)調(diào)節(jié)模式，以某臺118 kW水冷整體式冷水機組為例進行計算。在冷卻水進水溫度為?30℃、出水溫度為?35℃時，該機組在不同冷水出水溫度時的性能見表4。

從表?4?可以看出，提高冷凍水出口溫度，可以提高機組性能。冷凍水出口溫度越高，COP?值越大,?即所耗的電能越少，經(jīng)濟性越好。冷水機組采用變水溫質(zhì)調(diào)節(jié)方法在不同負荷率時的節(jié)能效果見表5?。

從技術(shù)上看，變冷凍水出水溫度調(diào)節(jié)操作簡單，調(diào)節(jié)方便。1號線水系統(tǒng)如采用變冷水機組出水溫度的控制模式將在部分負荷時產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

5.2?車站設備監(jiān)控系統(tǒng)方面

環(huán)控系統(tǒng)的模式節(jié)能運行與車站設備監(jiān)控系統(tǒng)提供的控制策略是分不開的。環(huán)控系統(tǒng)的控制特點是被監(jiān)控的設備多，控制變量多并且往往相互關(guān)聯(lián)相互影響，其中某個控制變量的改變與調(diào)整，不僅影響該變量所在的局部能耗，而且還將影響整個系統(tǒng)的能耗。

1號線?BAS?系統(tǒng)，目前應用的節(jié)能控制方法多局限于局部優(yōu)化方案，多數(shù)為基于?PID?的控制策略，?PID?對這些參數(shù)的控制分立化，如溫度回路、濕度回路、流量回路等等，各信息之間不存在相互關(guān)聯(lián)，造成控制上獨立分散的弊端。系統(tǒng)盡管采用了先進的控制設備，盡管采用了一些諸如變風量等面向局部區(qū)域調(diào)節(jié)和控制的設計，其控制層次仍然只是獨立的、單設備與單區(qū)域的控制調(diào)節(jié)，并沒有進行系統(tǒng)的全局協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)實現(xiàn)大多也沒有充分利用數(shù)字網(wǎng)絡化的分布式或集散式智能控制設備的功能。管理層計算機與現(xiàn)場控制器之間只是單一的控制設定和運行監(jiān)視關(guān)系，缺乏跟隨負荷變化的隨動控制能力，缺乏協(xié)調(diào)級的控制策略。環(huán)控系統(tǒng)控制從工業(yè)過程控制領(lǐng)域看屬于較為緩慢的實時過程，以目前控制器的性能和計算機網(wǎng)絡控制技術(shù)水平，完全有可能從控制器的上級管理層次上實現(xiàn)全局的智能控制，從而利用現(xiàn)有的自控系統(tǒng)從全局的角度改善環(huán)控系統(tǒng)的動態(tài)性能；通過系統(tǒng)參數(shù)信息化技術(shù)，對設備的能耗進行檢測，利用能量管理系統(tǒng)進行能耗分析，獲得能源使用狀況，結(jié)合系統(tǒng)的運行模式給出能量使用的合理性分析，并據(jù)此給出相應的優(yōu)化運行指導意見，調(diào)整系統(tǒng)的運行策略，從而有利于地鐵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制，便于提高設備能效，減少浪費。

6?結(jié)論

6.1?環(huán)控系統(tǒng)的能耗在地鐵能耗中占有相當大的比例，節(jié)能潛力較大，節(jié)能不僅著眼于局部能耗，更應考慮系統(tǒng)能耗。

6.2?環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能需要從設計、設備采購、施工調(diào)試、運營管理等諸方面統(tǒng)籌考慮，優(yōu)化節(jié)能運行模式，提高設備能源利用效率。