地铁通风空调系统节能分析.pdf

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第13卷第5期解放军理工大学学报（自然科学版）V0113No52012年10月JournalofPLAUniversityofScienceandTechnology（NaturalScienceEdition）Oct2012地铁通风空调系统节能分析朱培根1，田义龙1，何志康2，涂江峰1（1解放军理工大学国防工程学院，江苏南京210007；2南京市地下铁道总公司运营分公司，江苏南京210012）摘要：

为减少地铁通风空调系统能耗，合理利用地铁活塞风，在对国内外地铁通风空调系统节能现状分析的基础上，对南京地铁1号线地铁通风空调系统能耗影响因素进行分析，建立了地铁通风空调的物理和数学模型，运用地铁热湿负荷分析模拟软件（STESS），得出了各种运营模式下地铁通风空调能耗曲线，确定了地铁通风空调系统优化运营模式。

近2年的实际运行表明，通风空调系统节能达20，与理论分析模拟相吻合。

关键词：

地铁通风空调；能耗分析；模拟与预测中图分类号：

U231+5文献标识码：

A文章编号：

10093443（2012）05058904Analysisofsavingenergyformetroventilationandair-conditioningsystemZHUPeigenl，TIANYilon91，HEZhikang2，丁UJiangfen91（1CollegeofDefenseEngineering，PLAUnivofSci&Tech，Naming210007，China；2NaNingMetroCompanyLimitedAffiliatedCompanyofOperation，Nanjing210012，China）Abstract：

Toreducetheenergyconsumptionofmetroventilationandairconditioningsystem，andtoensuretherationaluseoftheundergroundairpiston，basedontheanalysisofthestatusofthesavingenergyinmetroventilationandairconditioningsystemathomeandabroad，thefactorsonNanjingMetro1LinemetroventilationandairconditioningsystemenergyconsumptionwereanalyzedThephysicalandmathematicalmodelsofthemetroventilationandairconditioningsystemwereestablishedTheenergyconsumptioncurveofthemetroventilationandairconditioningsysteminavarietyofoperatingmodeswasobtainedbythesimulationsoftware（subwaythermalenvironmentsimulationsoftware，STESS），andthemetroopcratingmodewasoptimizedTheactualmetroventilationandairconditioningsystemenergyconsumptioninthepasttwoyearssavedupto20，consistentwiththetheoreticalanalysisandsimulationKeywords：

metroventilationandairconditioning；energyconsumptionanalysis；simulationandprediction在城市交通运输中，地铁运营耗能巨大，如广州地铁1号线1999年夏季客票的23用于交纳电费，1、2号线2003年的客票收入刚好和能耗费用相抵。

其中，通风空调系统的能耗占了相当大的一部分。

资料表明，通风空调系统的用电量相当于整个地铁运营总能耗的3040。

比如，日本银座线营业里程143km，耗电量为745kWhkm，而用于空调设备的用电量就达到了298kWhkm。

文献1认为地铁通风空调应选用合理的环控系统。

文献收稿日期：

20110301作者简介：

朱培根（1964一），男，副教授；研究方向：

地下工程热湿传递理论与技术；E-mail：

zhupeigen0713163conL2，3认为在空调和机械通风运行期间的能耗在全部的地铁能耗中占相当大的比例，甚至超过了列车的牵引能耗。

巨大的耗能在一定程度上制约了地铁的快速发展。

1地铁空气动力学和热力学模型11物理模型地铁通风空调系统，关注的是气流分布和风量能否满足人员的热舒适性要求以及通风排烟的风量及气流流向。

为提高计算速度，本文简化了地铁通风排烟模型，把地铁通风系统气流流动按一维流动处理，把地铁隧道当量为圆管。

以水力直径为特万方数据590解放军理工大学学报（自然科学版）第13卷征尺寸，故地铁系统的气流流动可看做一维管内流动。

在空调通风过程中风速、温度、浓度的分布是随时间变化的，故为不稳定流。

地铁通风空调系统中常用开式运行活塞通风和开式运行小新风通风（每个地铁站通过风井进入站台的新风量约2万m3h）。

常用通风方案如图1所示67。

燃燃（a）开式运行活塞通风方案（b）小新风开式运行方案（开空调送风机，小新风）图l地铁通风空调系统中的常用通风方案Fig1Normalventilatedplanofmetroventilationandairconditioning地铁隧道壁分2层，内层为围护结构，外界为岩土层，隧道内的空气通过对流换热和热辐射与隧道壁面进行热交换，考虑墙表面温度变化特性，地面下深层土壤的温度按恒温处理，隧道轴向传热由于温度梯度很小，相对隧道径向传热可忽略，故隧道壁传热的物理模型为深埋双层圆管一维不稳定导热。

隧道内气流温度主要受对流、列车表面长波辐射及隧道壁面传热的影响。

12地铁热湿传递影响因素影响地铁热湿传递的因素相当复杂，它与地铁所处的地质条件、埋深、纬度等多种因素有关，是一个非稳态的过程口。

地铁车站及隧道传热传湿模型如图2所示。

围护结构传热传湿车运行及设备发热车站出入口空气交换围护结构传热传湿车站热蚴Jf区间热湿负荷室外新风负荷车站设备及照明发热车站人员散热散湿峒口空气交换列车运行及设备发热r1区间设备及照明发热图2地铁热湿传递模型Fig2Schematicdiagramofheatandmoisturetransfermodelinsubway13地铁汽流数学模型

（1）假定根据网络的结构已知管网关联矩阵A与基本回路矩阵B，矩阵中的各元素定义为：

f1，管段歹与节点i相关，由i点流出；，一一1，管段J与节点i相关，向i点流人；lo，管段J与节点i无关。

f1，管段J在回路k中，与回路同向；b巧一一1，管段J在回路k中，与回路反向；10，管段J不在回路k中。

若网络有咒个管段，m个节点，则矩阵A为（m一1）x7阶，矩阵B为kx咒阶，其中，k一咒一m+l。

（2）非线性微分方程组的建立一维流动的运动方程9：

du。

d口，1a由五十铆夏一，zi磊式中：

口为流体流速；五为流体所受到的质量力；p为压力；p为密度；r为时间变量。

对于特定的某等截面管段i，因dvdx一0，假定压力变化及阻力损耗（或获能）线性分布，则有ddr__r2一厶一去等，式中，L为支路长度。

经推导得：

厶一垒笋一（DiSi1Gj1GiAZipg）piL；，ptLi

（1）式中：

D为支路的阻力损失与获得的能量头（如风机或水泵的压头）；S为支路的阻力系数；G为流体的体积流量；g为重力加速度，9807msz；z为距离；下标i为支路序号。

（3）传热计算及温度求解基本原理假设所研究的区域具有1、2、3类边界条件，且土壤中不存在热源，则有如下导热微分方程：

10c凳一（尬眈rn；A凳一h（t-o，r3；d，z一一A凳一如，九r2；d竹一tt1（r，），r1；tI一一to（r）。

0式中：

为温度；为表面传热系数；C为比热；A为导热系数；t；为外表面温度；r代表位置变量；行为边界的外法线方向；q为热流密度；t。

为边界面初始温度值；t。

为某时刻边界面温度值r0为初始时间变量；1、2、y3分别表示第1、2、3类边界条件；Q为所研究的区域。

万方数据第5期朱培根，等：

地铁通风空调系统节能分析2模拟与分析21通风空调基本运行参数以南京地铁1号线为例，根据其运行方案，运用地铁热温负荷分析模拟软件STESS（subwaytherrealenvironmentsimulationsoftware）进行地铁通风空调系统能耗模拟。

地铁所在城市设计计算参数为：

夏季空调室外计算干球温度为324，湿球温度为269；夏季通风室外计算干球温度为280；冬季通风室外计算干球温度为18。

地铁工程内站厅空调计算干球温度为290，相对湿度为4565；站台空调计算干球温度为280，相对湿度为4565；车厢内空调计算干球温度为270，相对湿度为4565；室外空气全年平均干球温度为153。

22通风空调系统运行方案

（1）原通风空调运行方案原设计方案为：

夜间通风，全年4：

005：

00通风；活塞风道，夏季为闭式，过渡季、冬季为开式；空调机组为小新风通风；迂回风道全年开启；车站送排风形式，夏季为空调，过渡季和冬季开活塞风道，早晚高峰开车站风机机械通风；站台温度设为28。

69月份为空调季，12、1和2月为冬季，其他为过渡季。

（2）最佳通风空调运行方案与原通风空调运行方案相比，最佳通风空调运行方案为：

无夜间通风；活塞风道，夏季为闭式，过渡季、冬季为开式；空调机组，初期和近期有小新风，远期无新风；迂回风道，在初期和近期，空调季开，过渡季和冬季关，在远期，全年开迂回风道；车站送排风形式，夏季为空调，过渡季和冬季开活塞风道，早晚高峰开车站风机机械通风，开风机形式可灵活均衡使用；站台温度设定为28。

510月份为空调季，12、1和2月为冬季，其他为过渡季。

23通风空调模拟结果对整个地铁线进行了初期、近期和远期共计35a的通风空调能耗模拟，地铁热湿环境、岩体温升等环控指标符合规范要求，各年段全线8月份温度分布如图3所示。

图中0808、2008、4008分别代表2008、2020和2040年8月的模拟数据。

3028芝26魁赠2422200Fig310203040506070节点位置图3各年段全线8月份温度分布图ThetemperaturedistributionofeachSectionacrosstheboardinAugust由图3可知，隧道内温度逐年提高，符合地铁设计规范隧道内无空调时最高温度35（有空调时42oC）的要求。

全线全年总能耗最低方案为通风空调最佳方案，经过多方案的计算机模拟比较，最佳方案全线各年及各年段通风空调总用电量模拟情况如表1所示。

表1最佳方案全线各年及各年段通风空调总用电量模拟值Tab1Thebestplanofthewholelineintheyearandtheannualfortotalelectricityconsumptionofventilationandaircondition-ingsegmentanalogvalueGWh3能耗比较分析通过STESS软件模拟，得出原设计方案通风空调能耗，把最佳方案与原设计方案通风空调能耗进行对比，结果如表2所示。

可以看出，最佳方案在初期每年节省用电量08023GWh，近期每年节省用电量20361GWh，远期每年节省用电量07223GWh，35a省电总计462674GWh。

地铁通风空调系统采用计算机模拟得出的最佳方案，可以更合理地控制风机的启停，减少能耗，同时为确保通风空调系统正常、可靠运行提供一定的理论依据和必要的技术措施，课题组对该地铁线通风空调运营方案改变前后一年的实际用万方数据592解放军理工大学学报（自然科学版）第13卷电量作了实测对比，具体数据比较如表3所示，节能效率达225。

表2全线各年及各年段通风空调用电量比较Tab2ThecomparisonofthewholelineintheyearandtheannualforelectricityconsumptionofventilationandairconditioningGWh表3各站通风空调系统用电量比较Tab3ThecomparisonofelectricityconsumptioninventilationandairconditioningsystemsGWh由于南京的电费峰谷分时段费率不同，按照地铁运行时间所占峰谷的时长对电费进行加权平均，南京地铁的电费费率为08元（kWh），南京地铁1号线运用本文的节能方案后一年节约的通风空调L4系统电费为1423万元，具有很大的经济效益。

4结语地铁运营中通风空调系统耗能费用占整个地铁工程运营费的13以上，利用隧道气流运动的物理与数学模型可以对有多种运行模式下的地铁系统环境进行计算机动态模拟，能耗分析。

选择合适的通风方式，不仅改善地铁的运行环境，也减少地铁的通风空调运营成本。

本文对各种通风方案的对比研究及热模拟，找出地铁通风空调合理可靠的环保节能运营方案，为其它地铁线的通风空调运营模式提供了一定的参考依据。

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