張世勇，張國(guó)華

（1.北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京100000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 人文經(jīng)管學(xué)院，北京100000）

城市軌道（地鐵）作為一個(gè)城市的標(biāo)志性公共基礎(chǔ)建筑，憑借著強(qiáng)大的人員分流能力，在城市交通中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，已成為各大中城市重點(diǎn)發(fā)展的對(duì)象。但地鐵也因高耗能的特點(diǎn)，成為人們最迫切希望改觀的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。盡快找到大幅降低地鐵運(yùn)行能耗的方法，并加以推廣應(yīng)用，已成為保持軌道交通健康可持續(xù)發(fā)展道路上必須解決的課題之一。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵中的重要設(shè)備系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著對(duì)地下空間的空氣溫度、濕度、空氣流速和空氣品質(zhì)進(jìn)行控制的任務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗約為地下線能耗的30%以上，僅次于車輛牽引用電能耗，節(jié)能潛力相對(duì)較大。

本文通過(guò)對(duì)既有地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，在對(duì)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，得出通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)最佳節(jié)能運(yùn)行方式，并在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊，為地鐵節(jié)能運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)和控制手段。

1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式

地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一般按既定的運(yùn)行時(shí)間表自動(dòng)執(zhí)行，運(yùn)行模式一般分為空調(diào)小新風(fēng)、空調(diào)全新風(fēng)、過(guò)渡季通風(fēng)和冬季通風(fēng)等，分別對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、表冷器、冷水系統(tǒng)等設(shè)備的開閉組合，送/回排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率為設(shè)定頻率。設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試方案

此次測(cè)試主要針對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)的風(fēng)系統(tǒng)，測(cè)試車站采用集成閉式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，車站空調(diào)系統(tǒng)送/回排風(fēng)機(jī)兼任區(qū)間隧道事故風(fēng)機(jī)，送風(fēng)道內(nèi)設(shè)置可電動(dòng)開啟型表冷器和空氣過(guò)濾器，送/回排風(fēng)機(jī)均為20#可逆轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)，并設(shè)置了變頻調(diào)速裝置。

表1 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行典型模式

2.1.1 耗電量測(cè)試

耗電量測(cè)試是通過(guò)加裝智能型電表實(shí)現(xiàn)的。在車站送/排風(fēng)機(jī)的變頻控制柜內(nèi)加裝PM1200型電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表，并在電力監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)。

2.1.2 車站公共區(qū)環(huán)境溫濕度測(cè)試

車站公共區(qū)環(huán)境溫濕度測(cè)試通過(guò)加裝溫濕度自記儀實(shí)現(xiàn)，在送/排風(fēng)道、車站公共區(qū)共安裝了10臺(tái)RR002型溫、濕度記錄儀，記錄的溫濕度數(shù)值可定期通過(guò)USB接口導(dǎo)出，并可與BAS系統(tǒng)的記錄進(jìn)行對(duì)比。

2.2 測(cè)試結(jié)果簡(jiǎn)述

2.2.1 耗電量測(cè)試結(jié)果

本測(cè)試是在1月份某天夜間地鐵停運(yùn)后開始的，根據(jù)測(cè)試方案，通過(guò)BAS系統(tǒng)分別按不同運(yùn)行模式開啟風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、表冷器，并使風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行頻率下工作，得到各模式下、各頻率下的風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率數(shù)據(jù)；并增加兩種模式作為對(duì)比方案，分別是送風(fēng)機(jī)送風(fēng)、出入口自然排風(fēng)和排風(fēng)機(jī)排風(fēng)、出入口自然進(jìn)風(fēng)，同時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)在不同頻率下工作，進(jìn)行耗電量測(cè)試。鑒于篇幅，表2僅列出30 Hz下各模式風(fēng)機(jī)的功率測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 風(fēng)機(jī)功率測(cè)試數(shù)據(jù)表

2.2.2 溫濕度測(cè)試結(jié)果

測(cè)試車站公共區(qū)站臺(tái)層和站廳層的冬季某日的溫濕度曲線如圖1、圖2所示，由于測(cè)試是在冬季進(jìn)行的，待其他季節(jié)再進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試和分析。

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.3.1 耗電量測(cè)試數(shù)據(jù)分析

從表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)機(jī)采用變頻后，確實(shí)能夠收到良好的節(jié)能效果，對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，相同運(yùn)行頻率、不同運(yùn)行模式下的實(shí)際運(yùn)行功率有所差別。

對(duì)比全新風(fēng)（通風(fēng)）模式、送風(fēng)（單送，通風(fēng)）和排風(fēng)（單排，通風(fēng)）模式的測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其送/排風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率有所差別，但差別很小，考慮到其中的記錄誤差，可以認(rèn)為由于出入口的面積較大，公共區(qū)采用機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的方式與采用機(jī)械排風(fēng)、出入口自然進(jìn)風(fēng)或者機(jī)械送風(fēng)、出入口自然排風(fēng)兩種方式產(chǎn)生的實(shí)際通風(fēng)量差別不大。所以，采用后兩種單排、單送的方式替代送、排的方式是很好的節(jié)能選擇，而由于排風(fēng)機(jī)的功率比送風(fēng)機(jī)的功率有較大幅度的下降，所以，機(jī)械排風(fēng)、出入口自然進(jìn)風(fēng)的方式是最為節(jié)能的方式。

2.3.2 溫濕度測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖1、圖2可以看出，地鐵車站具有較為明顯的早、晚高峰特點(diǎn)，尤以早高峰溫度上升較為明顯。但是，由于現(xiàn)階段冬季日間通風(fēng)時(shí)間為10:00～18:00，故在日間平峰時(shí)段內(nèi)，站廳溫度受到機(jī)械通風(fēng)及列車活塞風(fēng)效應(yīng)的影響較大，室外低溫空氣的引入會(huì)造成站廳溫度偏低的情況，日間局部時(shí)段出現(xiàn)接近5℃的低溫。而此時(shí)站臺(tái)因有一定的人員發(fā)熱及列車等設(shè)備發(fā)熱，受到室外低溫空氣的影響較小，日間站臺(tái)溫度基本維持在12℃～14℃。

2.4 節(jié)能分析

采用機(jī)械排風(fēng)的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，就是室外空氣不經(jīng)過(guò)濾直接進(jìn)入地鐵，會(huì)帶進(jìn)一部分的灰塵，但瑕不掩瑜，相對(duì)于機(jī)械送、機(jī)械排，其節(jié)能幅度達(dá)到驚人的60%，所以，春季和秋季可以考慮采用機(jī)械排、自然進(jìn)風(fēng)的方式，如果擔(dān)心灰塵的問(wèn)題，亦可采用機(jī)械送、自然排的方式，也能達(dá)到40%左右的節(jié)能率。

對(duì)于冬季，測(cè)試數(shù)據(jù)體現(xiàn)站廳、站臺(tái)溫度差距較大，說(shuō)明列車運(yùn)行活塞風(fēng)對(duì)站廳的影響較大且站廳層的發(fā)熱量較小，采用機(jī)械送風(fēng)、自然排風(fēng)的方式能夠一定程度上抵消活塞風(fēng)引入的室外空氣，站臺(tái)層的熱量也會(huì)進(jìn)入站廳層，對(duì)縮小差距有很大好處。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間上，早高峰和晚高峰進(jìn)行通風(fēng)較好，其他時(shí)段采用閉式運(yùn)行[1]。

3 空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊的實(shí)現(xiàn)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）廣泛應(yīng)用于地鐵環(huán)境監(jiān)控。通過(guò)BAS控制地鐵車站及區(qū)間的環(huán)境監(jiān)控和其他機(jī)電設(shè)備，使其安全、高效、協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證地鐵車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適，產(chǎn)生最佳的節(jié)能效果，并在突發(fā)事件(如火災(zāi))時(shí)指揮環(huán)控設(shè)備轉(zhuǎn)向特定模式，為地鐵乘車環(huán)境提供安全保證[2-3]。

目前，地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按照設(shè)定的模式運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了能夠在提供舒適環(huán)境前提下，達(dá)到節(jié)能效果，在前期測(cè)試分析的基礎(chǔ)上，在BAS系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊。

空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊利用實(shí)時(shí)采集的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，在滿足給定約束條件的前提下，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，生成達(dá)到目標(biāo)的最優(yōu)運(yùn)行方案，并通過(guò)BAS系統(tǒng)的控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在開環(huán)控制模式下，可以對(duì)運(yùn)行方案進(jìn)行人工調(diào)整。

空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊的工作原理如圖3所示。

智能控制模塊的核心為方案優(yōu)化引擎，其輸入信息包括：

（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)：安裝在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控裝置采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括設(shè)備的功耗、累計(jì)用電量、啟停狀態(tài)、站內(nèi)外溫濕度和空氣質(zhì)量等信息。這些數(shù)據(jù)反映設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)和站內(nèi)外的環(huán)境，是導(dǎo)出控制方案的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

（2）預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)：包括天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、客流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等。在給定運(yùn)行模式的情況下，未來(lái)的天氣和客流狀況可對(duì)車站內(nèi)部的環(huán)境產(chǎn)生重要的影響；

（3）數(shù)據(jù)處理：對(duì)實(shí)時(shí)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，使之適合方案優(yōu)化引擎的需要；

（4）運(yùn)行規(guī)則：是預(yù)先設(shè)定的設(shè)備運(yùn)行方式的集合。包括按時(shí)間、溫度、濕度、空氣質(zhì)量，并根據(jù)前期測(cè)試分析結(jié)果而制定的設(shè)備運(yùn)行方式；

（5）約束條件：必須遵守的前提條件，如空調(diào)設(shè)備的最大輸出功率、變頻器的變頻能力、供電線路的額定負(fù)荷等；

（6）控制目標(biāo)：實(shí)施控制后所期望的目標(biāo)，如現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、能耗等；

（7）方案優(yōu)化引擎：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，在限定的約束條件下，按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行規(guī)則，生成最接近控制目標(biāo)的控制方案[4]；

（8）運(yùn)行方案：系統(tǒng)中所有設(shè)備的運(yùn)行方案集合；

（9）人工干預(yù)：在開環(huán)控制模式下，由人工對(duì)生成的運(yùn)行方案進(jìn)行修改，或直接進(jìn)行人工控制；

（10）控制輸出：按照運(yùn)行方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

通過(guò)優(yōu)化分析計(jì)算，方案優(yōu)化引擎生成最優(yōu)的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案，如表3所示。

表3 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案示例

智能控制模塊的應(yīng)用能夠避免地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以單一的模式運(yùn)行，使空調(diào)系統(tǒng)既能提供舒適的空間環(huán)境，又能最大限度地提高節(jié)能效果。

通過(guò)以上的分析可知，城市軌道交通節(jié)能降耗的發(fā)展主要取決于兩個(gè)因素，一是實(shí)驗(yàn)、研發(fā)領(lǐng)域是否可以取得突破；二是推廣應(yīng)用新型節(jié)能成果是否順利。但是要想實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，最終還得歸結(jié)于管理層面，只有創(chuàng)造了良好的創(chuàng)新條件、規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及適宜的推廣流程，才是最終實(shí)現(xiàn)成功的前提。

[1]張?jiān)骑w.自動(dòng)控制系統(tǒng)在地鐵環(huán)境控制中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2011(1)：67-72.

[2]張發(fā)明，王穎.北京地鐵10號(hào)線綜合監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J].城市軌道交通研究，2009(1)：71-74.

[3]董云路.中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)分析[J].山西建筑，2009，35(22)：244-255.

[4]蔣騰旭.智能優(yōu)化算法概述[C].電腦知識(shí)與技術(shù)，2007(8)：507-508，530.