从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思

2014年4月北京如果给我一张白纸从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思刘伊江提纲REPORTCONTENTS一、前言二、为什么隧道要早晚通风？三、为什么车站隧道横向通风？四、为什么永远是全空气系统？五、为什么永远是双风机？六、为什么永远是定新风量运行？七、为什么永远是上送上回？八、为什么永远设那么多风阀？九、为什么永远是一次泵定流量？十、为什么做集中供冷？十一、如果给我一张白纸从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思如果给我一张白纸一、前言一、前言一、前言为什么googleprojectglass、IPhone之类的东西不会在中国诞生？为什么这些东西却总在中国生产？Somemenseethingsastheyareandask“why”.Idreamthingsthatneverwereandsay“WHYNOT”.“老祖宗定下的规矩不能改”。一、前言哪条线用过？一成不变的设计方案一、前言隧道风机早、晚通风站台范围设排热风机，全年运行双风机一次回风全空气系统上送上回气流组织2台螺杆式冷水机组，布置于车控室一端一次泵定流量系统地面布置冷却塔困难时做集中供冷一、前言典型地下两层岛式站台车站，车站建筑面积10000m2，空调面积4000～5000m2，通风空调机房面积1500m2，冷量1000kW，总装机容量（电机功率之和）1000kW，概算价900～1000万元，通风空调系统冬季日均耗电量1000～3000kW·h/日，夏季日均耗电量6000～8000kW·h/日。地铁民建空调面积占建筑面积比例40%～50%70%暖通机房面积比例12%～15%3%～6%风、水系统装机容量比例2：1（扣除隧道通风部分1：1）1：3～1：4造价指标（单位制冷量）9～10元/W2～3元/W造价指标（单位建筑面积）900～1000元/m2300～500元/m2全年能耗指标160～250kW·h/m280～150kW·h/m2一、前言重风轻水；大系统不“大”，小系统不“小”隧道通风大系统小系统水系统合计机房面积m28003003001201520装机容量kW42018055332987全年能耗kW·h1126282050106894068606201867666成都地铁某典型车站一、前言运行时间负荷特点大致负荷（kW）大系统18h/空调季余湿负荷大且随季节变化明显，潜热比重大且随客流变化明显，ε线较平缓600新风比高，通常达30%小系统18h/空调季管理类用房ε线较平缓5024h/全年设备类用房显热为主，ε线很陡负载时发热量大，空载时发热量小350水系统24h/全年冬季夜间可能因负荷过小无法开机或频繁启停Σ=1000地下车站空调系统特点一、前言只有这些解决方案吗？这些是最优方案吗？能不能换些思路、换些角度？从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思如果给我一张白纸二、为什么隧道要早晚通风？二、关于早、晚通风隧道风机是事故风机，为避免长期闲置，早、晚运行15～30min每半个月或一个月运行一次每站每年节电约52000～55000kW·h从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思如果给我一张白纸三、为什么车站隧道横向通风？三、关于横向通风三、关于横向通风设计初衷：及时排除车载空调冷凝器散热列车制动电阻散热轮轨摩擦散热三、关于横向通风轨顶风道须待盾构过站后才能施工，二次浇筑，施工麻烦，影响土建工期轨底风道往往与供电系统的环网电缆廊道冲突排热风机本身能耗很高（37～45kW/台，每天18h运行）形成车站段隧道负压，屏蔽门开启时段站台冷风流失，空调负荷增大屏蔽门关闭时段由活塞风道吸入外界热空气，隧道温度反而上升深圳、重庆从未开启运行北京地铁隧道温升三、关于横向通风地下水季节变化明显，受降水影响大，水位西北高东南低成都平原区地下水具有明显的季节变化特征，潜水位一般从4、5月开始上升至8月下旬，最高峰出现在7～8月。最低在1～3月、12月中交替出现，动态曲线上峰谷起伏，动态变化明显。地下水埋深：枯水期2～4m，洪季1～3m，年变幅1～3m。成都市雨量充沛（多年平均降雨量947mm，年降雨日达140天），构成了地下水的主要补给源。区内地下水还接受NW方向的侧向径流补给，地下水流向为NW流向SE。－－摘自成都3号线《岩土工程勘察报告》本报告段从北往南在地铁受影响深度范围内主要揭露了3层地下水，第一层为上层滞水，仅部分地段揭露，第二层为潜水，第三层为潜水～承压水。第一层：上层滞水，含水层为细中砂④4层，静止水位埋深10.40～13.8m，绝对标高28.60～35.44m。（方案一、二所涉及的菖蒲河和前门盖板河，由于现有资料的局限性，其对地下水的影响，需要在后期初勘和详勘中进一步调查）。第二层：潜水，含水层为粉土⑥2层、卵石⑤9层，静止水位埋深17.80～19.56m，绝对标高24.50～28.04m。主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和向下越流的方式排泄，该层水与上层滞水有一定的水力联系。第三层水：潜水～承压水，主要含水层为粉细砂⑧4层、卵石⑧9层，静止水位埋深23.5～24.92m，绝对标高18.9～21.94m。主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和向下越流的方式排泄。－－摘自北京8号线《岩土工程勘察报告》三、关于横向通风地面线地下水位线地下3～5m地面线地下水位线地下15～20m成都北京成都、深圳等城市的地铁隧道基本“泡”在水中，且地下水流速不低三、关于横向通风取消轨顶风道，利用活塞效应纵向通风。如必须机械通风，可利用车站两端隧道风机对车站段隧道纵向通风。（能管2km的区间隧道，为什么不能管200m的车站隧道？）按成都气象条件计算，每站每年节电约280000～370000kW·h折衷方案：根据感温光纤实测车站段隧道温度变频运行从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思如果给我一张白纸四、为什么永远是全空气系统？四、关于全空气系统“狭长”的空间特性决定了输配能耗所占比例高，尽量降低输配能耗也应该成为地铁暖通节能的重点方向冷源输配能耗冷源制备能耗四、关于全空气系统“狭长”的空间特性是地铁车站从“娘胎”里带来的，很多问题都由此特点引发冷水机房空调机房设备管理用房区空调机房公共区水泵供冷半径150～200m全空气系统一次输配能耗高风系统“折返跑”，二次输配能耗高无法避免可以避免150～200m四、关于全空气系统为兼顾过渡季及非空调季，传统的地铁公共区通常采用全空气系统二次输配能耗高“折返跑”四、关于全空气系统站台站厅冷却水泵冷冻水泵冷却塔设备管理用房设备管理用房设备管理用房设备管理用房“单向流动”水管途经公共区时“就地”取冷，无“空跑”风管附件少，末端阻力小四、关于全空气系统ρ水＝1000kg/m3C水＝4.187kJ/kg·℃相同体积、相同变化温度，水的载热能力是空气的3454倍换言之：输送相同的热量，所需的水量远小于风量（按体积计）ρ空气＝1.2kg/m3C空气＝1.01kJ/kg·℃ρ水C水ρ空气C空气＝3454四、关于全空气系统从热湿处理的原理看：全空气系统和空气-水系统没有区别从能量输配的角度看：空气-水系统将空气处理设备化整为零，就地处理（减小处理设备与被处理空间的距离），可最大限度地减少二次输配能耗。另一方面，空气-水系统末端设备不需设置挡水段、消声段，阀门、弯头、三通等管件少，阻力进一步减小从工程实施的角度看：全空气系统占用土建面积大（地下工程10000元/m2），对层高要求高，设备（含暖通专业本身以及动照、BAS）初投资高从运行能耗的角度看：全空气系统的优势在于过渡季和通风季站台站厅冷却水泵冷冻水泵冷却塔设备管理用房设备管理用房设备管理用房设备管理用房四、关于全空气系统说明：上表中“机房面积”项仅计及空调机房，未含隧道风机房、冷水机房、风道；土建投资的差异综合考虑面积、结构净高、基坑深度减小及圬工量减少等因素；暖通投资的差异包括空气处理末端设备、风阀、管材等；动照投资的差异包括4面MCC柜及相关电缆、桥架、配电箱等；BAS投资的差异主要为控制点数（I/O模块）的变化。土建机电投资（万元）机房面积（m2）层高投资（万元）暖通动照BAS空气-水系统2004m/层--700----全空气系统4004.5m/层＋400900＋100＋30Δ＋200＋1m＋400＋200＋100＋30Σ＋730万元/站以B型车6辆编组典型地下两层车站为例四、关于全空气系统运行能耗对比分析设备电机功率轴功率数量运行天数日运行时间年能耗kWkW台天/年hkW·h/年空气-水系统柜式风机盘管2.22161201869120柜式新风盘管4.03212960合计82080全空气系统组合式空调柜3025212018108000回排风机2220286400合计194400差值112320kW·h/年节能率58%上表按成都气象条件估算，仅计及大系统，未计小系统。设备用房同样可以做空气-水系统，保证水管不进电气房间即可。由前述各子系统全年能耗饼图可知，小系统因运行时间远比大系统长，采用空气-水系统在空调季的节能空间更大。四、关于全空气系统空调季越长（广州、深圳约10.5个月），全空气系统越“不划算”为了每年1.5个月用通风节能，不惜浪费10.5个月的风机能耗空气-水系统下，冬季用冷却塔供冷，南方未必就是禁区运行能耗对比分析全空气系统空气-水系统冷源制备能耗（冷水机）空调季相同过渡季小大通风季小大一次输配能耗（水泵）空调季相同过渡季相同通风季相同二次输配能耗（风机）空调季大小过渡季大小通风季大小四、关于全空气系统广州地铁一号线坑口站（地面站，水冷柜机）广州地铁二号线江南西站（暗挖站）广州地铁五号线西村站、小北站（暗挖站）广州地铁六号线一德路站（暗挖站）广州地铁八号线凤凰新村站（暗挖站）北京地铁1号线、2号线2008年改造深圳地铁3号线塘坑站（半地下站）成都地铁3号线高升桥站、磨子桥站、军区总医院站主动选用空气-水系统的很少。不采用全空气系统，似乎是一种“被逼无奈”的选择。要么是地面站，要么是暗挖站，要么是改造项目，总之都是“非主流”。成都3号线的这三个站是因为做“复合式通风”，通风季利用活塞效应对车站通风。反对者通常会强调噪声问题、检修问题、漏水问题，但恐怕骨子里的问题还是“以前没这么做过”、“老祖宗定的规矩要做全空气系统”。四、关于全空气系统广州地铁一号线坑口站（水冷柜机）无需冷水机房，无需空调机房，输配能耗最小四、关于全空气系统四、关于全空气系统四、关于全空气系统从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思如果给我一张白纸五、为什么永远是双风机？五、关于双风机《采暖通风与空调调节设计规范》(GB50019-2003)《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB50736-2012)五、关于双风机冷水机房空调机房设备管理用房区空调机房公共区楼扶梯孔洞一墙之隔楼扶梯孔洞即便做全空气系统，空调机房能否集中布置在非车控室一端？即便分两端布置，非车控室一端能否不设回/排风机？即便做回/排风机，能否做集中回风，回风机压头不必由最远端风口计算？即便做双风机，能否只是“回风机”，而不是“回/排风机”？（过渡季、通风季有必要“排”吗）？五、关于双风机过渡季及通风季关停回风机，按成都气象条件计算，每站每年节电80000～150000kW·h五、关于双风机空调机房平时有必要机械通风吗？（空调机房其实并不那么“封闭”）即便机械通风有必要设一送一排两台风机吗？（新风道墙上开孔即可补风，换气扇也可）只要设了风机，压头不写个300～500Pa不好意思从系统节能角度对轨道交通通风空调若干习惯作法的反思如果给我一张白纸六、为什么永远是定新风量运行？六、关于新风量很多城市、线路不仅是双风机，甚至做三风机系统—为了保证定新风量运行，专门设置空调新风机六、关于新风量《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005)ONNN'NC厅台新风负荷室内负荷由于新风比高，大系统新风负荷甚至占到总负荷的1/3。采用新风需求控制按成都气象条件计算，每站每年节电13～18×1