摘要 從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量的不斷增長(zhǎng)過(guò)程中，社會(huì)發(fā)展與能耗之間的矛盾愈發(fā)顯著，基于此，“資源節(jié)約型”社會(huì)的建設(shè)，成為當(dāng)前階段國(guó)家建設(shè)重點(diǎn)考量的內(nèi)容，其中，關(guān)于城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的選擇、應(yīng)用，也需重點(diǎn)關(guān)注“節(jié)能降耗技術(shù)”的融入。該文針對(duì)城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)，作出深入探討與研究，旨在推進(jìn)我國(guó)社會(huì)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 城市軌道交通；通風(fēng)空調(diào)設(shè)備；節(jié)能技術(shù)

中圖分類號(hào) U231.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）14-0001-03

0 引言

在當(dāng)前城軌交通可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展以及城軌交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的形勢(shì)下，城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)新突破、升級(jí)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)由城軌大國(guó)向城軌強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的目標(biāo)。截至2023年12月31日，中國(guó)共有53個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路290條，運(yùn)營(yíng)里程9 584 km，車(chē)站5609座。其中，高鐵線路占比達(dá)到40.7%，地鐵線路占比為38.6%，有軌電車(chē)線路占比為10.7%，磁懸浮線路占比為2.8%，其余為其他類型的城市軌道交通線路，軌道運(yùn)營(yíng)規(guī)模逐年攀升[1]。為更好地保障軌道運(yùn)營(yíng)安全，推進(jìn)智能化與節(jié)能低碳，降低既有維修模式運(yùn)維成本，針對(duì)城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)，展開(kāi)全面、深入研究勢(shì)在必行。

1 城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備能耗現(xiàn)狀

在我國(guó)城市軌道交通建設(shè)、發(fā)展的過(guò)程中，發(fā)展建設(shè)規(guī)模、發(fā)展推進(jìn)速度在全世界范圍內(nèi)均顯示出顯著優(yōu)勢(shì)。而伴隨近年來(lái)多項(xiàng)政策的推動(dòng)，我國(guó)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)路線也呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尤其是地鐵運(yùn)營(yíng)路線的建設(shè)更是展現(xiàn)出迅猛的勢(shì)頭。國(guó)家以地鐵線路建設(shè)為城市軌道交通建設(shè)的主要方向，與其他路線構(gòu)成協(xié)調(diào)發(fā)展、共存統(tǒng)一的模式。在此大背景下，城市軌道交通的總能耗、能耗占比等也會(huì)出現(xiàn)一定變化。當(dāng)前階段的社會(huì)發(fā)展中，城軌交通能耗占全國(guó)總能耗電的1.7‰、約為94億千瓦時(shí)。在溫室氣體排放方面，其總體排放量也能夠達(dá)到14%。據(jù)相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2023年，全國(guó)城市軌道交通全年總耗電量約227.9億度，二氧化碳排放量約1935萬(wàn)噸。根據(jù)對(duì)地鐵的用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析，能耗和用電量均主要分布在列車(chē)牽引用電和車(chē)站內(nèi)各種動(dòng)力設(shè)備用電，包括通風(fēng)設(shè)備、自動(dòng)扶梯、照明、控制設(shè)備等方面。在車(chē)站所有機(jī)電設(shè)備中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占總能耗的70%左右，由于站內(nèi)外的溫差較大，導(dǎo)致冷凍水泵、冷卻水泵、空調(diào)等環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，往往造成了大量能源的消耗。因此通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能潛力很大，更是節(jié)能工作的方向[2]。

2 城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)探討

2.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成及其節(jié)能潛力

2.1.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成

城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要分為通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)兩種。該系統(tǒng)主要發(fā)揮的作用體現(xiàn)在保證地鐵內(nèi)部空氣環(huán)境質(zhì)量、溫濕度、氣流組織、氣流速度壓力變化以及噪聲等因素均能滿足人員生理及心理?xiàng)l件要求，同時(shí)滿足設(shè)備正常運(yùn)行需求。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)中管路最多，占用面積最大的系統(tǒng)之一，根據(jù)使用場(chǎng)所、標(biāo)準(zhǔn)的不同可分為車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)，而車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，也正是地鐵站內(nèi)的舒適來(lái)源，同時(shí)為車(chē)站公共區(qū)、設(shè)備管理用房等提供必要的通風(fēng)及空調(diào)作用[3]。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)功能龐大，不僅為乘客提供往返于地面至列車(chē)的過(guò)渡性舒適的環(huán)境，還保證了設(shè)備正常運(yùn)行所需環(huán)境。此外，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，還可以進(jìn)行合理的氣流組織，及時(shí)排煙，誘導(dǎo)乘客疏散。

2.1.2 系統(tǒng)節(jié)能潛力

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置的復(fù)雜程度提升、節(jié)能性要求不斷提高，民眾對(duì)于現(xiàn)有軌道交通通風(fēng)空調(diào)的綠色節(jié)能方面也更加重視。而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為城市軌道交通工程提供舒適安全環(huán)境的同時(shí)，其能耗水平約占整個(gè)地鐵車(chē)站用能的40%，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大。在軌道交通傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，車(chē)站內(nèi)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)多按最不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果導(dǎo)致通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在大多數(shù)時(shí)間里僅在部分負(fù)荷下運(yùn)行，出現(xiàn)大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)過(guò)程中，可結(jié)合運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需求的不同，實(shí)現(xiàn)更加靈巧的設(shè)計(jì)，如：（1）優(yōu)化送、排風(fēng)系統(tǒng)，在適當(dāng)工況下，利用單送或單排產(chǎn)生的站內(nèi)風(fēng)壓，實(shí)現(xiàn)空氣流動(dòng)，降低設(shè)備運(yùn)行能耗；（2）通過(guò)可調(diào)站臺(tái)門(mén)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)在過(guò)渡季充分利用自然冷源達(dá)到新風(fēng)引入與自然降溫雙重目標(biāo)；（3）給地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)加裝并不斷升級(jí)智能大腦，即智能化節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)環(huán)境、運(yùn)行模式、可再生能源以及節(jié)能減排控制策略等諸多方面內(nèi)容的整合，并將節(jié)能與運(yùn)營(yíng)實(shí)際融合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整體提升地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效低耗的目的。

2.2 通風(fēng)空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)分析

在城市軌道交通的運(yùn)行發(fā)展中，想要推進(jìn)其未來(lái)發(fā)展的穩(wěn)定、綠色、可持續(xù)，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處的目標(biāo)，達(dá)成真正意義上的節(jié)能、降耗、減排。就需注重“節(jié)能降耗”理念在城市軌道交通運(yùn)行全過(guò)程的貫徹落實(shí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通各線路運(yùn)行能源損耗的精準(zhǔn)把控[4]。而對(duì)其通風(fēng)空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)的探討，也是推進(jìn)城市軌道交通節(jié)能降耗發(fā)展目標(biāo)迅速實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.2.1 引入全鏈路智能聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)及能耗模型

（1）全鏈路智能聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)：在設(shè)備選型固定的情況下，實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗主要方式在于對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的合理調(diào)控。在地鐵通風(fēng)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)中，引入全鏈路智能聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)從末端站內(nèi)負(fù)荷與冷凍水熱交換到冷卻塔把熱量散發(fā)至室外空氣中全部環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控，最大限度上提升系統(tǒng)的整體能效水平，降低系統(tǒng)能耗，從而達(dá)到節(jié)能目的。節(jié)能控制系統(tǒng)包含節(jié)能工作站和節(jié)能控制器，通過(guò)車(chē)站原有環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與指令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)控。系統(tǒng)具備接口支持廣、數(shù)據(jù)接入量大、擴(kuò)展便利、投資小、實(shí)施難度低等優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)可根據(jù)需要將數(shù)據(jù)上送至中心節(jié)能系統(tǒng)，對(duì)全線通風(fēng)空調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，優(yōu)化車(chē)站級(jí)控制系統(tǒng)模型。

整個(gè)系統(tǒng)模型的構(gòu)建，采用全鏈路聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，協(xié)調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)水系統(tǒng)之間冷量平衡，避免出現(xiàn)冷量供大于求或供不應(yīng)求等情況，使末端負(fù)荷與冷量供應(yīng)相匹配，做到按需供冷。核心是根據(jù)預(yù)期負(fù)荷確定合適的冷凍出水溫度及空調(diào)送風(fēng)溫度，結(jié)合冷凍水到末端作用延時(shí)，提前調(diào)整冷量輸出，減少控制滯后，提高系統(tǒng)整體能效。系統(tǒng)根據(jù)送回風(fēng)溫差及室內(nèi)溫度露點(diǎn)調(diào)整送風(fēng)溫度，避免結(jié)露；根據(jù)混風(fēng)露點(diǎn)滿足濕度要求的前提下盡量提高出水溫度，優(yōu)化系統(tǒng)效率。全鏈路系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

而通風(fēng)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)采用負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)，節(jié)能控制系統(tǒng)將歷史信息傳輸給負(fù)荷預(yù)測(cè)功能模塊，由負(fù)荷預(yù)測(cè)功能模塊結(jié)合歷史信息和實(shí)測(cè)信息（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）計(jì)算并輸出預(yù)測(cè)負(fù)荷值?？刂破鞲鶕?jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷值提前發(fā)出控制指令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行提前控制。使系統(tǒng)提供的冷量與負(fù)荷需求的冷量相匹配，最大限度地減小偏差。

①車(chē)站空調(diào)通風(fēng)大系統(tǒng)控制模型具有大干擾、高度非線性、不確定性、大滯后的特性，控制模型單純采用反饋控制，容易造成振蕩。節(jié)能控制系統(tǒng)通過(guò)采用基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的前饋控制環(huán)節(jié)，改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式，提高通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式與環(huán)境負(fù)荷變化的最大限度匹配，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

②節(jié)能控制系統(tǒng)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至負(fù)荷預(yù)測(cè)功能塊進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)作為下次負(fù)荷預(yù)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)。

③根據(jù)反饋的實(shí)測(cè)負(fù)荷（車(chē)站實(shí)際負(fù)荷量）對(duì)預(yù)測(cè)負(fù)荷值進(jìn)行修正，依次循環(huán)，在線滾動(dòng)運(yùn)行。預(yù)測(cè)控制的滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正始終建立在實(shí)際控制過(guò)程的基礎(chǔ)上，能夠有效地克服控制系統(tǒng)中模型不精確、非線性和時(shí)變等不確定性的影響。

除此之外，通風(fēng)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)具備冷水主機(jī)優(yōu)化控制功能。系統(tǒng)根據(jù)室外新風(fēng)溫濕度等參數(shù)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)判斷，冷水機(jī)組的加、減載由節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)冷負(fù)荷的變化進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)合各臺(tái)機(jī)組的能效分布情況，來(lái)確定當(dāng)前負(fù)荷率下，出水溫度等參數(shù)的最佳值，或確定當(dāng)前負(fù)荷率下，應(yīng)選擇某一臺(tái)或某幾臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能控制。當(dāng)冷凍供回水溫差變化為正向趨勢(shì)，預(yù)測(cè)負(fù)荷大于當(dāng)前單臺(tái)機(jī)組最大制冷量時(shí)，增開(kāi)一臺(tái)能效高的機(jī)組；當(dāng)溫差變化為反向趨勢(shì)，剩余機(jī)組制冷量能滿足預(yù)測(cè)負(fù)荷需求，則卸載能效較低的機(jī)組。在對(duì)機(jī)組進(jìn)行加減載控制同時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況自定義設(shè)置啟停機(jī)保護(hù)最小時(shí)間間隔，減少對(duì)機(jī)組的沖擊，保障機(jī)組使用壽命。

（2）能耗模型：在引入能耗模型，構(gòu)建節(jié)能控制系統(tǒng)的過(guò)程中，需重點(diǎn)關(guān)注以下三點(diǎn)：

①系統(tǒng)架構(gòu)：采用小型工控機(jī)與多系統(tǒng)交互的系統(tǒng)框架創(chuàng)新。通過(guò)工控機(jī)與BAS、能源管理、綜合監(jiān)控進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。不需要對(duì)原控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行改造，不用占用機(jī)房面積，對(duì)BAS/FAS/能源管理等系統(tǒng)運(yùn)行幾乎不產(chǎn)生影響。該方案能夠以最低的成本和最小的影響，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)BAS控制轉(zhuǎn)變到節(jié)能系統(tǒng)控制。

②運(yùn)維模式：采用基于陪伴式專家系統(tǒng)的創(chuàng)新運(yùn)維模式。通過(guò)提供運(yùn)行數(shù)據(jù)的全面分析、診斷服務(wù)，由專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員提供數(shù)據(jù)分析周報(bào)/月報(bào)，不斷追蹤運(yùn)行變化，優(yōu)化調(diào)整關(guān)鍵控制參數(shù)，解決了傳統(tǒng)控制方案數(shù)據(jù)無(wú)人分析、控制方案適應(yīng)性差的問(wèn)題。

③控制方法：采用基于大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的負(fù)荷和能耗模型實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和能耗管控。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行能耗/負(fù)荷超過(guò)約束指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提醒，排查原因，調(diào)整和優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行不偏離合理節(jié)能運(yùn)行指標(biāo)。

2.2.2 貫徹人工智能，動(dòng)態(tài)階梯溫控

基于客流預(yù)測(cè)的負(fù)荷預(yù)測(cè)算法，采用人工智能算法和建模仿真技術(shù)，精確預(yù)測(cè)出地鐵站內(nèi)未來(lái)1 h內(nèi)的冷負(fù)荷需求；在滿足乘客舒適度的前提下，利用整體尋優(yōu)的全局優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)水聯(lián)調(diào)、最優(yōu)匹配運(yùn)行，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗30%以上。同時(shí)需注意，目前，地鐵空調(diào)系統(tǒng)的出入口、通道、站廳、站臺(tái)等不同區(qū)域的控制溫度相同[5]。夏天，當(dāng)乘客從炎熱的室外進(jìn)入冰氣很足的站廳，感受極不舒服，也不利于身體健康，并且能耗大?；诖?，可將地鐵車(chē)站出入口、通道、站廳、站臺(tái)等不同功能區(qū)域按照人員停留時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)分區(qū)，根據(jù)不同舒適等級(jí)確定溫度控制目標(biāo)。然后節(jié)能控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集室外溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室外溫度變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整車(chē)站內(nèi)部不同區(qū)域階梯式溫度目標(biāo)，如室外溫度35℃時(shí)，站廳溫度可設(shè)置為30℃，站臺(tái)溫度可設(shè)置為28℃。這種階梯溫控的模式既保障了舒適度，又大大降低了能耗。

2.2.3 注重通風(fēng)型站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用列車(chē)活塞風(fēng)對(duì)區(qū)間隧道和車(chē)站公共區(qū)通風(fēng)換氣是最節(jié)能的通風(fēng)手段，如何有序地組織活塞通風(fēng)，既滿足系統(tǒng)使用功能要求，又能有效降低車(chē)站建設(shè)難度，保證站內(nèi)空氣品質(zhì)，是所需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。智能可調(diào)通風(fēng)型站臺(tái)門(mén)系統(tǒng)在傳統(tǒng)的屏蔽門(mén)上部與固定門(mén)下部加裝可開(kāi)啟和關(guān)閉的百葉，通過(guò)調(diào)整百葉的啟、閉實(shí)現(xiàn)不同模式的切換。在其實(shí)際應(yīng)用中，不同季節(jié)會(huì)展現(xiàn)出不同的運(yùn)行模式及作用，具體如表1所示。

3 結(jié)論

綜上所述，為滿足社會(huì)發(fā)展的低碳節(jié)能需求，各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都需結(jié)合自身發(fā)展現(xiàn)狀，趨向低碳、高效、節(jié)能方向發(fā)展，城市軌道交通的建設(shè)也不例外。而城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，直接關(guān)系到整個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的低碳、節(jié)能發(fā)展。該文從城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備能耗現(xiàn)狀、城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備節(jié)能技術(shù)探討兩個(gè)角度出發(fā)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)并闡述了城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)設(shè)備有效節(jié)能的重要意義，并為其節(jié)能技術(shù)踐行提出了針對(duì)性建議，以期為促進(jìn)我國(guó)城市軌道交通事業(yè)建設(shè)的穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展提供一定參考。

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收稿日期：2024-02-22

作者簡(jiǎn)介：汪濤（1988—），男，本科，助理工程師，研究方向：地鐵通風(fēng)空調(diào)。