浅谈上海地铁车站环控系统的能耗症结及应对措施
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摘 要：上海城市轨道交通已逐步跨入超大型网络阶段，截至2017年底路网日均客流均在千万人次以上，目前上海地铁部分线路车站设施设备早已超负荷运转，大修改造已是迫在眉睫。本文以典型车站为抓手，从环控系统能耗现状出發，通过现场实测、理论分析指出车站能耗症结共性及应对措施，以期为其它类似车站的设计、运营、维护及后期改造提供参考。
关键词：上海轨道交通 环控系统 能耗 制冷量
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0031-02
以节能减排为切入点，从地铁环控能耗高占比，早期车站的环控设备运行年限及大修改造项目正逐年增长现状，引出环控能耗症结分析及解决的必要性。借此展开下文的叙述。
1 项目概况
1.1 二号线南京东路车站概况
本研究分析依托二号线南京东路车站做为典型标准车站，共有四个出入口，东西走向的车站站厅供冷面积约3000m2，车站站台供冷面积约3000m2（2000m2+1000m2轨行区）。
东上行站台风口面积1.615m2，东下行站台风口面积2.16m2，东冷却阻尼风口面积1.28m2，东上行站厅风口面积0.945m2，东下行站厅风口面积0.945m2;西上行站台风口面积2.07m2，西下行站台风口面积2.07m2，西冷却阻尼风口面积1.4m2，西上行站厅风口面积1.008m2，西下行站厅风口面积0.945m2;其中东冷却阻尼风口占总风口面积的18%，西冷却阻尼风口占总风口面积的19%。
1.2 车站空调通风系统问题分析
南京东路车站是轨道交通二号线环控系统的典型，可以代表轨道交通二号线龙阳路至中山公园各车站。2011年上排热风管改造前，车站制冷面积约5000㎡，冷机总装机冷量2412kW，考虑冷却阻尼风在内，冷机配比大于应需制冷量。上排热风管改造后，根据目前空调面积6000m2粗算（参考文献，按单位面积负荷150W/m2～220W/m2计算可得所需冷量900～1320kW），1720kW的设计制冷量应有富余，但在冷却阻尼未取消前以及各项不利因素的存在前提下，实际夏季空调工况下车站出现供冷量不足情况，具体分析如下。
原因1：空调箱年限过长，空调箱实际风量低于设计风量的70%。
通常情况下，新空调箱（新表冷器）的出风温度一般为20℃，站厅、站台的设计温度为29℃。当室外温度大于35℃时，站厅站台出风口温度一般不应大于24℃，风量不小于设计风量的90%。由于目前空调箱设备已使用15年有余，再者风的渗漏、风道的阻力，实际风量不到设计风量的70%。
原因2：冷冻机组制冷能力不足。
实际现场测试风口出风口平均温度为24.5℃，冷冻水温度、新风温度、回风温度等都是造成出风温度高的原因。新风温度一般比较恒定，但冷冻水温度与回风温度之间就存在了一个“此长彼高”的现象，直到达到一个平衡值。
原因3：系统匹配程度不高，应考虑水泵、冷却塔风机、及空调末端设备与冷机和空调箱的耦合联动，即目前主推的风水联动。
在制冷主机中，COP（EER）值和IPL监测是反映主机制冷效率的重要参数，能随时掌握机组运行状态，也是反映能耗高低的一个主要参数，COP越高则在相同制冷量下主机越节能，反之则耗能。
原因4：冷却塔初期设计上限过低，不利于系统的有效运行。
冷却塔的性能好坏直接影响制冷系统，通常在室外标准湿球温度下，无论怎么调节流量以及风扇速度，它都会有一个散热的上限值，冷却塔散热能力的下降，将直接导致主机制冷能力的下降。
原因5：水泵设计流量配比过大，导致不必要的能耗。
冷却水泵是提供主机与冷却塔换热的动力设备，虽说冷却水的流量越大，则主机换热效果越明显，但这是以增加冷却泵功耗以及冷却塔设计容量为代价的。
原因6：回排风机对空调送风量的影响导致不必要的焓降。
回排风机能力一旦下降，必然造成车站送风量下降的连锁反应，从而使得送风速度下降，最终将冷量浪费在不必要的焓降上。
原因7：设备本身的磨损量增加。
首先是压缩机部件的磨损后冷水机组整体性能下降5%～10%;其次是冷凝器和蒸发器的内管壁结垢直接导致传热系数及性能的下降，从而降低了冷水机组的制冷效率，下降“贡献值”约为整体COP的10%左右。
原因8：列车散热完全依靠车站制冷系统及地下吸热。
上排热风管改造以后，列车散热完全依靠车站制冷系统及地下吸热，平均每列列车的空调功率为240kW，假设列车空调COP=2.2，则列车空调发热量约为768kW，列车平均进站至离站时间40s，列车间隔3min，粗略计算约170kW需要车站制冷系统消化，占单台冷水机组制冷量的20%。
原因9：车站站厅冷冻水管路冷量损失。
车站设备用房为东、西两端，冷水机组位于东端设备用房，西端空调箱的冷冻水须通过车站管道由东向西经过站厅输送，经过测量，冷冻水东、西端温差最高时达到0.7℃，最低时达到0.3℃，平均能耗损失达到105kW，占单台冷水机组制冷量的12%。其主要原因可能在保温材料保温性能的丧失、管道内壁粗糙度上升造成摩擦力上升等。 原因10：冷却阻尼风的被动消耗。
冷却阻尼风的存在，2号线设计时考虑了隧道冷屏障的冷却作用，但在实际使用中，冷却阻尼风大量的被消耗在了地下蓄热、风压缩、列车空调及電机的冷却上或直接排放，其浪费量不小。
2 应对措施
要最优化空调制冷系统，将制冷量、耗电量比达到最优状态，应从下列几个方面着手。
措施1：做好维护保养工作。
①冷水机组内部的保养工作，常规保养下，冷水机组整体效率每年可能下降5%～10%，冷水机组的设计使用寿命为15年，一般超过15年的机组认为是不经济的，并不一定机组不能使用了。各类合理有效的保养可以延长冷水机组的使用寿命及提高制冷效率，主要有冷水机组更换冷冻油的周期，一般不宜超过6000h或1自然年，油品的下降在上文已经谈及对机组的影响，并且适当的添加剂等技术介入或许也对冷水机组的效率有益;水质的控制也是比较重要的，通过控制水质pH值、Ca、Mg离子浓度甚至水质软化技术可以控制该类因素对冷水机组的效率影响;再次选用表面张力更大的，适合不同温度压缩机的“抗压”冷冻油可以减少压缩机的磨损。但是这些措施不会短期内实现其经济效益。
②冷却塔换热点：主要对冷却翅片（填料）的清洗和布水的均匀。
③空调箱换热点：空调箱过滤网和表冷器的清洗，应每周一次，主要防止表冷器翅片的倒伏，表冷器铜管内壁每年进行一次高压水反向冲洗，清洗污泥等。
④冷凝、蒸发换热点：冷水机组冷凝器和蒸发器铜管内壁的化学清洗（水处理）及机械清洗（通悦）每年至少各一次。
措施2：冷冻水高温差低流量供冷。
调整冷冻水系统的流量，尽量避免大流量、小温差情况出现，“大流量小温差”不仅增加了水泵自身的能耗，而且因为水流流速过高可能无谓地增加了冷量的消耗。
措施3：调整东西空调箱流量比。
措施4：安装二通阀。
在分水器、集水器处应根据实际情况安装两通阀，当冷冻水需求量过小，或者冷负载过小时，可以通过两通阀的打开回流冷冻水，降低冷水机组负载，节约冷量。
措施5：注重保温棉的更换维护。
站厅内各保温层应选用耐用，不易老化的保温棉，且保温层与空气必须阻隔，防止保温棉吸水，目前较多新造线路由于保温棉不隔绝空气以及保温棉与金属支架接触等原因，保温棉内水分含量超过，已经不具有保温作用;保温棉有其实际使用寿命，具体在此次研究中尚未涉及，应根据保温棉的实际使用寿命按时更换，根据上述研究因保温不当造成的冷量损失就占单台机组制冷量的12%（105kW），约计电费26元/h（只计冷水机组耗电量，未计附属设备的耗电量）;DN300水管保温层更换约60元/m，换言之，2h20min的能耗费用就可以更换1米的保温层，以江苏路为例，600m的冷冻水管道的保温更换，相当于3个月即可因冷量损失的下降而收回成本。此外还包括冷水机组蒸发器的保温、送、排风管保温等。
措施6：不再开启冷却阻尼。
现有环控工况下，不必再开启冷却阻尼风阀，列车本身的活塞风就能将车站风带入隧道，即使冷却阻尼风的存在，也阻止不了活塞风的贯通，关闭冷却阻尼风，并且打开车站活塞风阀，使隧道与室外换气比浪峰车站冷量来冷却隧道更有效。但考虑到目前阻尼风阀设计为防火阀，因此风阀的动作可能会引起中央监控信号。
措施7：整体变频耦合控制。
对车站环控系统进行优化控制，环控系统运行由车站站台、站厅的温度和湿度等参数决定，通过空调扇风机变频和风量控制（含新风），冷却冷冻水泵的变频和流量控制，冷却塔风机的转速控制，决定冷水机组的运行负荷，达到最佳舒适度情况下的节能经济运行。
3 结语
环控系统集合了多类设备，目前市面上绝大多数的节能项目，都是在各个点设备挖掘其潜在的空间，但往往忽略了各类辅助设备，如管道、冷凝器、表冷器等，既然是制冷，这类设备对系统的影响其实是最大的，在提供冷量的环境无法改变的情况下，研究环控制冷设备就当从换热点开始，发散到各个设备。对于上述比较常见的环控系统，如果通过合理的管理、使用、保养，可以节约用电，而且还可以提高设备总体效率及使用寿命。
参考文献
[1] 李昊翔，吴喜平，于连广.地铁屏蔽门环控系统制冷机组能耗计算及选型比较[J].建筑节能，2010（12）：2.
[2] 边志美，贺江波，吴喜平.地铁屏蔽门环控系统的能耗分析[J].上海节能，2006（2）：16-17.
[3] 刘瑞峰.浅谈地铁环控系统的噪声控制[J].安装，2015（2）：21-23.
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