宋吉鵬

(青島地鐵集團有限公司運營分公司，266100，青島 ∥ 工程師)

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等機電設(shè)備運行費用在地鐵運營成本中占比相當(dāng)大，其運行能耗約占地鐵總能耗的1/3～1/2[1-3]，尤其在線路運營初期，此占比甚至?xí)^1/2。在運營服務(wù)時間內(nèi)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等機電設(shè)備的運行時間及運行模式，既會直接影響地鐵運營時的乘車環(huán)境，又會直接影響其用電負(fù)荷。而機電設(shè)備運行時間表是地鐵控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)中用于編制所轄線路各站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(包括車站大系統(tǒng)、車站小系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng))、照明系統(tǒng)運行時間及執(zhí)行模式的功能模塊。因此，能否制定科學(xué)、合理、精細(xì)的機電設(shè)備運行時間表，不僅事關(guān)機電設(shè)備的智能運行情況，而且還會間接影響地鐵運營時的服務(wù)水平和節(jié)能效果。目前國內(nèi)鮮有對機電設(shè)備運行時間表的研究，本文將以青島地鐵2號線為例，根據(jù)線路運營初期的實際情況，闡述機電設(shè)備運行時間表的優(yōu)化制定過程。

1 原機電設(shè)備運行時間表簡介

青島地鐵2號線機電設(shè)備運行時間表主要是根據(jù)青島市年平均氣溫變化趨勢、單日氣溫變化特征及日出日落時間，并結(jié)合線路運營時間等來制定的。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行時間表的制定，首先是根據(jù)青島市年平均氣溫變化趨勢將其運行季劃分為空調(diào)季、過渡季和冬季3個時段，然后再根據(jù)各運行季時段單日氣溫的變化特征及線路運營時間，制定其詳細(xì)的運行時間表[4]。照明系統(tǒng)的運行時間表則是直接根據(jù)日出日落時間及線路運營時間來制定的。青島地鐵2號線優(yōu)化前的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)運行時間表分別如表1、表2所示。

表1 青島地鐵2號線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行時間表

表2 青島地鐵2號線照明系統(tǒng)運行時間表

2 精細(xì)化機電設(shè)備運行時間表制定

精細(xì)化機電設(shè)備運行時間表是以車站為單位、以各車站的首末班車時間為基本依據(jù)，結(jié)合相關(guān)通風(fēng)時間計算結(jié)果等制定的。其制定原則為“滿足運營服務(wù)需求，盡量減少電能浪費”。本文詳細(xì)闡述青島地鐵2號線地鐵照明系統(tǒng)、車站大系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表的制定策略。

2.1 車站首末班車時間統(tǒng)計及歸類

以青島地鐵2019年某號運作命令為依據(jù)，統(tǒng)計2號線東段各車站的首末班車時間。部分統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 青島地鐵2號線東段部分車站2019年首末班車時間統(tǒng)計

由表3可見，由于上下行列車相向而行，首班車最早到站時間為李村公園站，最遲到站時間為高雄路站；末班車最早離站時間為高雄路站，最遲離站時間為李村公園站。相鄰車站首末班車到站時間間隔，即列車在區(qū)間的運行時間，其范圍在1～5 min之間，大部分到站時間間隔為2 min。鑒于此，地鐵機電設(shè)備運行時間表精細(xì)化制定的最小時間段應(yīng)以2 min間隔起。考慮到車站的相關(guān)運作情況及設(shè)計制定的便利性，本文以10 min間隔為最小時間段來制定?；谏鲜隹紤]，2號線列車最早到站時間按06:00、06:10、06:20、06:30來設(shè)計制定，最遲離站時間按23:10、23:20、23:30、23:40來設(shè)計制定。各站列車最早到站時間和最遲離站時間統(tǒng)計歸類分別如表4、表5所示。

表4 青島地鐵2號線各站的列車最早到站時間統(tǒng)計歸類

表5 青島地鐵2號線各站的列車最遲離站時間統(tǒng)計歸類

2.2 照明系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表制定

通過查閱青島市的日出日落時刻得出，2號線東段所有車站所在區(qū)域的日出日落時刻相差不超過1 min。此外通過觀察得出，天氣良好的情況下，天亮?xí)r刻比日出時刻通常早25 min，天黑時刻比日落時刻通常晚25 min；日出前10 min和日落后10 min，天空亮度均可滿足乘客進出站的亮度需求。同時為給站內(nèi)人員提供巡查車站相關(guān)照明設(shè)備設(shè)施時間和運營前/后準(zhǔn)備時間，需提前/延后約30 min開啟/關(guān)閉車站照明。綜合以上所有要求和條件，并結(jié)合各站列車最早到站時間和最遲離站時間統(tǒng)計歸類表，精細(xì)化制定了照明系統(tǒng)運行時間表。其中冬天某個典型時間段的照明系統(tǒng)運行時間如表6所示。

由表6與表2相比較可知，車站照明關(guān)閉時間(即夜間停運模式時間)比之前延長10 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min的車站分別有2個、2個、2個、4個、5個、1個，合計總延長關(guān)閉時間為730 min，相當(dāng)于每天節(jié)省了一個車站三分之二的照明能耗。

表6 青島地鐵2號線冬天(1月1日至2月5日)某個典型時間段的照明系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表

2.3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表制定

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運行時間與車站環(huán)境密切相關(guān)，需著重考慮車站的空氣新鮮度和舒適度，下面就車站大系統(tǒng)和隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行時間表的精細(xì)化制定進行分別介紹。

2.3.1 車站大系統(tǒng)

2.3.1.1 車站公共區(qū)一次換氣時間計算

2號線典型車站的大系統(tǒng)采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，由空調(diào)新風(fēng)機、組合式空調(diào)機組、回/排風(fēng)機、排煙風(fēng)機等設(shè)備以及相關(guān)的輔助設(shè)備組成。有關(guān)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)為：組合式空調(diào)機組(AHU)A、B端各1臺，風(fēng)機風(fēng)量為65 000 m3/h，功率為22 kW；回/排風(fēng)機(RAF-101、201)A、B端各1臺，風(fēng)機風(fēng)量為48 000 m3/h，功率為15 kW。

通過查閱設(shè)計資料得知，2號線某車站站廳層公共區(qū)面積為1 651 m2，站臺層公共區(qū)面積為1 205 m2；另一車站站廳層公共區(qū)面積為1 592.4 m2，站臺層公共區(qū)面積為956 m2。為考慮通風(fēng)余量，將每個站的站廳層公共區(qū)面積按1 700 m2計算，站臺層公共區(qū)面積按1 250 m2計算。層高按裝修高度計算，其中站廳層層高為3.3 m，站臺層層高為3.0 m。據(jù)此計算車站公共區(qū)空間體積V公共區(qū)=9 360 m3，考慮到通風(fēng)余量，將車站公共區(qū)空間按9 500 m3計算。車站大系統(tǒng)正常運行時，送風(fēng)量明顯大于排風(fēng)量，故按送風(fēng)量計算換氣時間。車站大系統(tǒng)風(fēng)機50 Hz頻率運行時，按送風(fēng)量Q送計算一次換氣時間t=V公共區(qū)/Q送=263.1 s，約4.4 min；車站大系統(tǒng)風(fēng)機30 Hz頻率運行時，則t=438.5 s，約7.3 min。因此，風(fēng)機按50 Hz頻率運行時，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需5 min，若計算風(fēng)道存風(fēng)量，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需6 min；風(fēng)機按30 Hz頻率運行時，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需8 min，若計算風(fēng)道存風(fēng)量，車站公共區(qū)換一次新風(fēng)大約需9 min。

2.3.1.2 車站大系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表

在過渡季階段，應(yīng)保證剛開始運營時能完成一次換氣，因此大系統(tǒng)須在首班車到站前10 min開啟通風(fēng)，運營結(jié)束后停止通風(fēng)即可；在空調(diào)季階段，7:00左右人流量開始進入高峰期，根據(jù)青島氣候特點,6:30之前保持正常通風(fēng)、6:30之后開啟冷水機組即可[5]，運營結(jié)束時提前10 min關(guān)停冷水機組即可；在冬季階段,可以采取間歇性通風(fēng)的方式，所有車站在早晚高峰時段及中午時段(7:00-9:00、12:00-15:00、17:00-19:00)運行通風(fēng)模式，其余時間運行停運模式。據(jù)此制定的大系統(tǒng)精細(xì)化運行時間如表7所示。

表7 青島地鐵2號線車站大系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表

由表7與表1相比較可知，車站大系統(tǒng)停運時間比之前延長10 min、20 min、30 min、40 min的車站分別有2個、4個、5個、1個，縮短10 min、20 min的車站分別各有2個，合計總延長停運時間為230 min，相當(dāng)于每天節(jié)省了1個車站四分之一的大系統(tǒng)運行能耗。

2.3.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)

2.3.2.1 區(qū)間隧道一次換氣時間計算

2號線區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)由隧道風(fēng)機、軌道排風(fēng)機、射流風(fēng)機等設(shè)備以及相關(guān)的輔助設(shè)備組成。其中，軌道排風(fēng)機、射流風(fēng)機不參與早晚隧道通風(fēng)，不納入計算范圍。隧道風(fēng)機的相關(guān)參數(shù)為：隧道風(fēng)機(TVF)A、B端各2臺，風(fēng)機風(fēng)量為60 m3/s，功率為90 kW，可正反轉(zhuǎn)變頻運行。

通過查閱設(shè)計資料得知，某區(qū)間1、區(qū)間2、區(qū)間3、區(qū)間4分別為馬蹄形隧道、圓形隧道、馬蹄形隧道、馬蹄形隧道，半徑分別為2.6 m、2.7 m、2.6 m、2.6 m，區(qū)間長度分別為610 m、915 m、760 m、850 m。為計算方便，區(qū)間隧道橫截面積統(tǒng)一按圓形計算。利用上述參數(shù)進行計算，圓形區(qū)間隧道橫截面積為21.24 m2，馬蹄形區(qū)間隧道橫截面積為22.90 m2，為考慮通風(fēng)余量，將區(qū)間隧道橫截面積近似取值為23 m2。按較長區(qū)間計算區(qū)間隧道空間，選取區(qū)間2以及區(qū)間2至區(qū)間4(連續(xù)3個區(qū)間)進行計算，計算結(jié)果為：區(qū)間2隧道空間體積V區(qū)間2=21 045 m3；區(qū)間2至區(qū)間4隧道空間體積V區(qū)間2～4=61 433 m3。當(dāng)每個車站4臺隧道風(fēng)機正常開啟時，區(qū)間風(fēng)量Q隧基本在57～59 m3/s之間；關(guān)閉連續(xù)2個車站所有隧道風(fēng)機時，此區(qū)間風(fēng)量Q隧1基本在50～55 m3/s之間[5]，取最小區(qū)間風(fēng)量值對上述區(qū)間的一次換氣時間進行計算，結(jié)果為：區(qū)間一次換氣時間t區(qū)間2=V區(qū)間2/Q隧≈369.2 s，約6.2 min；區(qū)間2至區(qū)間4一次換氣時間t區(qū)間2～4=V區(qū)間2～4/Q隧1=1 228.66 s，約20.5 min。由上述計算結(jié)果可知，單個區(qū)間一次換氣可在7 min內(nèi)完成，長區(qū)間(連續(xù)3個區(qū)間)一次換氣時間可在25 min內(nèi)完成。

2.3.2.2 隧道通風(fēng)系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》對區(qū)間隧道早晚通風(fēng)情況并未做具體要求，只明確區(qū)間隧道內(nèi)二氧化碳的日平均濃度應(yīng)小于1.5‰，區(qū)間隧道內(nèi)的溫度應(yīng)在5～40 ℃之間。通過查閱相關(guān)文獻，對隧道通風(fēng)系統(tǒng)早晚通風(fēng)的主要作用總結(jié)如下：利用室外空氣對地鐵隧道進行預(yù)冷卻和通風(fēng)，排除隧道內(nèi)的余熱和相關(guān)污染物；同時還可以檢查隧道風(fēng)機、風(fēng)閥等設(shè)備的運行狀況，確保區(qū)間發(fā)生火災(zāi)、阻塞事故時能及時投用[6]。結(jié)合2號線區(qū)間隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)可得出，在地鐵運營初期隧道通風(fēng)換氣一次即可滿足上述要求。

區(qū)間隧道早晚通風(fēng)的常規(guī)做法是，每個站均開啟所有隧道風(fēng)機，相鄰車站分別采取送風(fēng)、排風(fēng)模式間隔運行，形成推挽式的區(qū)間隧道通風(fēng)，如圖1所示。若考慮節(jié)能或減少噪聲等因素，還可采取隔站開啟隧道風(fēng)機的模式，如圖2所示[6-7]。其缺點是若一個區(qū)間有環(huán)境問題則可能影響到相鄰區(qū)間。隔站開啟模式下，運行與停機的相關(guān)各站應(yīng)在相同間隔時間里依次輪流更換狀態(tài)模式，保證各站在每個周期(通常為一個月)內(nèi)均開機運行過。此外可根據(jù)環(huán)網(wǎng)供電分區(qū)將車站劃分為不同的大組，每個大組里相鄰的兩個車站為一小組，各個小組依次間隔30～60 s開啟隧道風(fēng)機，以減少啟動時的線損。

圖1 地鐵隧道早晚通風(fēng)各站隧道風(fēng)機均開啟的通風(fēng)模式

圖2 地鐵隧道早晚通風(fēng)隧道風(fēng)機隔站開啟的通風(fēng)模式

考慮到青島市靠近海邊，整體濕度較大，地鐵隧道通風(fēng)時間越長，越會加重地鐵隧道相關(guān)設(shè)備的腐蝕程度，因此應(yīng)盡量縮短地鐵隧道通風(fēng)時間(或取消夜間地鐵隧道通風(fēng)，只保留運營前地鐵隧道通風(fēng))。此外，考慮到夏天通風(fēng)時間長會使地鐵隧道內(nèi)溫度上升，冬天通風(fēng)時間長則可能會使地鐵隧道內(nèi)溫度過低，因此在夏冬季節(jié)也應(yīng)適當(dāng)縮短地鐵隧道通風(fēng)時間。據(jù)此制定的精細(xì)化隧道通風(fēng)時間表如表8所示。

由表8與表1相比較可知，隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行時間進行優(yōu)化調(diào)整后，每天可節(jié)省一半以上的隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行能耗，節(jié)能效果顯著。

表8 青島地鐵2號線隧道通風(fēng)系統(tǒng)精細(xì)化運行時間表

3 運行時間表優(yōu)化前后能耗對比分析

以過渡季典型日為例，青島地鐵2號線原時間表與精細(xì)化時間表下的總運營能耗，以及牽引、動力及照明、線損、其他三方面的能耗及占比如表9所示。由表9可知，每天全線在動力及照明方面可節(jié)約能耗約4 000 kWh。實踐證明，運營初期的精細(xì)化時間表運行效果良好，節(jié)能效果明顯。此外，對地鐵運營遠(yuǎn)期時的機電設(shè)備運行時間表還需做持續(xù)的深入研究。

表9 青島地鐵2號線原時間表與精細(xì)化時間表下的單日能耗對比表

4 結(jié)語

機電設(shè)備運行時間表是自動控制技術(shù)在地鐵相關(guān)系統(tǒng)控制中的重要體現(xiàn)，其可替代車站人員每天的重復(fù)開關(guān)操作。制定合理、科學(xué)、精細(xì)的運行時間表，不僅有利于地鐵相關(guān)機電設(shè)備系統(tǒng)的合理運行，還可達(dá)到良好的節(jié)能效果。本文根據(jù)青島地鐵2號線的相關(guān)設(shè)備參數(shù)、車站和隧道空間參數(shù)、運營首末班車時間等，并結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和一次通風(fēng)時間等計算結(jié)果，在滿足運營要求的條件下，制定了精細(xì)化、節(jié)能化的照明系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行時間表。該時間表既可滿足各站的運營需求，又可避免不必要的電能浪費，有效降低全線的照明用電、動力用電等。