基于地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)能管理方式探討

劉 啟 汪 侃 陳 輝

(1.成都地鐵運(yùn)營有限公司，610081，成都;2.上海寶信軟件股份有限公司，201900，上海∥第一作者，工程師)

地鐵具有高運(yùn)能、低噪音、占地小、快捷、安全舒適等特點(diǎn)，是目前解決城市交通擁擠問題的首選。但其每天高達(dá)數(shù)十萬千瓦時(shí)的電能消耗也是運(yùn)營單位所必須面對(duì)的問題。因此，地鐵節(jié)能技術(shù)日益受到人們的重視，并隨之而發(fā)展。對(duì)于新建線路而言，從設(shè)計(jì)源頭開始就應(yīng)該重視節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，從較多的實(shí)際案例中發(fā)現(xiàn)運(yùn)營模式也對(duì)地鐵能耗有較大的影響，也能應(yīng)用在對(duì)既有線路的節(jié)能改造方案中。本文通過對(duì)比部分地鐵的實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，分析了運(yùn)營模式對(duì)地鐵能耗的影響，并為地鐵節(jié)能提供切實(shí)可行的方案來有效降低軌道交通系統(tǒng)的能耗。

1 能耗現(xiàn)狀

以成都地鐵1號(hào)線為例，其日能耗數(shù)據(jù)如表1所示;再以廣州地鐵1號(hào)線為例，其日能耗數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 成都地鐵1號(hào)線日能耗數(shù)據(jù) kWh

表2 廣州地鐵1號(hào)線能耗數(shù)據(jù) kWh

依據(jù)表1和表2，計(jì)算出能耗百分比如表3所示。由表3可知，能耗主要分布在列車牽引用電和動(dòng)力照明用電上，其占地鐵總能耗的85% ～95%。其中，動(dòng)力及照明用電占總能耗的60%左右，屬于地鐵節(jié)能工作的重點(diǎn)。

表3 地鐵能耗百分比 %

2 地鐵運(yùn)營模式對(duì)能耗的影響分析

車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為車站環(huán)境調(diào)節(jié)的設(shè)施，在日常運(yùn)營中擔(dān)負(fù)重要的角色，同時(shí)也占用了動(dòng)力及照明總能耗中較大的份額。因此，本文將針對(duì)日常運(yùn)營中能耗較高且與運(yùn)營模式密切相關(guān)的隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方式和大、小系統(tǒng)(含冷水系統(tǒng))空調(diào)季節(jié)工況運(yùn)行方式進(jìn)行分析。

2.1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗分析

隧道通風(fēng)系統(tǒng)分為區(qū)間隧道活塞風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)(兼排煙系統(tǒng))和車站范圍內(nèi)、屏蔽門外站臺(tái)下排熱和車行道頂部排熱系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)兼排煙、阻塞工況通風(fēng)和早晚換氣、排除空氣異味、改善空氣質(zhì)量等功能。區(qū)間隧道活塞風(fēng)通風(fēng)主要是依靠列車正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)與室外空氣進(jìn)行置換，排除區(qū)間隧道內(nèi)的余熱、余濕。而機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)則通過在車站兩端設(shè)置隧道風(fēng)機(jī)來輔助送排風(fēng)。

正常情況下，國內(nèi)地鐵一般在每日運(yùn)營前一段時(shí)間和運(yùn)營結(jié)束后一段時(shí)間(通常為0.5 h至1 h)啟動(dòng)全線的隧道風(fēng)機(jī)，作早晚清潔通風(fēng)用，以排除空氣異味、改善空氣質(zhì)量。但從已開通的地鐵線路運(yùn)營情況來看，對(duì)此部分能耗尚存在如下異議。

1)對(duì)早晚間隧道通風(fēng):對(duì)于早間通風(fēng)，鑒于夜間停運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致隧道區(qū)間內(nèi)壁出現(xiàn)凝露、腐蝕性濕氣加重等現(xiàn)象，通過隧道風(fēng)機(jī)將此類氣體排出，不僅能夠保證空氣質(zhì)量，還能夠降低區(qū)間內(nèi)機(jī)電設(shè)備的腐蝕性損耗。地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范也要求隧道區(qū)間的二氧化碳濃度不應(yīng)該超過1.5‰。但目前運(yùn)營線路所設(shè)置的通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)還缺乏相關(guān)依據(jù)。對(duì)于晚間通風(fēng)，鑒于列車經(jīng)過近一天的運(yùn)行，隧道區(qū)間因活塞風(fēng)而持續(xù)保持與外部的空氣置換，此外夜間停運(yùn)期間，不存在客流，因此晚間通風(fēng)的意義完全小于其所占用的能耗。

2)對(duì)全線隧道通風(fēng)站點(diǎn):一般當(dāng)隧道區(qū)間內(nèi)列車運(yùn)行數(shù)量超過一定的數(shù)值時(shí)，地鐵運(yùn)營方會(huì)開啟全線的隧道通風(fēng)系統(tǒng)，以保障列車內(nèi)的空氣質(zhì)量，確保乘客的舒適度不受影響。但事實(shí)上列車在隧道中高速行駛所形成的活塞風(fēng)量能夠在一定程度上緩解隧道區(qū)間內(nèi)空氣的停滯情況，且每條地鐵線路的每座車站縱深都不一致，因此，若按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行隧道通風(fēng)系統(tǒng)工況，難免存在不合理的現(xiàn)象。

2.2 空調(diào)季節(jié)運(yùn)營耗能分析

目前，國內(nèi)大陸地區(qū)地鐵將全年分為空調(diào)季節(jié)工況運(yùn)行和非空調(diào)季節(jié)工況運(yùn)行2大類，且一般每年的5月份至10月份為空調(diào)季節(jié)。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于地下車站通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的描述:“當(dāng)車站采用通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，站內(nèi)夏季的空氣計(jì)算溫度不宜高于室外空氣計(jì)算溫度5℃，且不應(yīng)超過30℃;當(dāng)采用空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，站廳的空氣計(jì)算溫度比空調(diào)室外計(jì)算干球溫度低2～3℃，且不應(yīng)高于30℃”。但在日常運(yùn)營中，為了保證在運(yùn)營期間不降低乘客的舒適度，即使在非炎熱的季節(jié)時(shí)，也沿用空調(diào)季節(jié)工況運(yùn)行，因此，此部分也存在較為不合理的能耗浪費(fèi)。

此外，在空調(diào)季節(jié)車站內(nèi)氣溫上升主要由人體散熱及照明等設(shè)備散熱所致，對(duì)于一些總體客流量較小的車站僅僅上下班高峰期才會(huì)出現(xiàn)較大的客流，若全線按照統(tǒng)一的大系統(tǒng)工況模式運(yùn)行，也存在較為不合理的現(xiàn)象。

2.3 其它設(shè)備能耗分析

2.3.1 電扶梯

根據(jù)目前設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，電扶梯采用變頻調(diào)速控制，無人情況下電扶梯以50%以下低速運(yùn)行，有人情況下以50%～100%的速度運(yùn)行。此種狀態(tài)也存在較為不合理的現(xiàn)象:

1)正常運(yùn)營期間，有人情況下電扶梯以50%～100%的速度運(yùn)行，因此當(dāng)乘客數(shù)量為1人和數(shù)量為50人時(shí)，電扶梯能耗一樣;

2)在無人情況下，電扶梯以50%以下低速運(yùn)行，則浪費(fèi)了變頻調(diào)速功能，且導(dǎo)致能源浪費(fèi);

3)全線客流并不平均，按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的話，會(huì)造成全線各站電扶梯能耗比一樣的結(jié)果。

對(duì)于電梯而言，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下兩種現(xiàn)象:一是乘客較多或者滿員時(shí)轎箱下降;二是乘客比較少或者沒有乘客時(shí)轎箱上升。這兩種現(xiàn)象都屬于能源浪費(fèi)，因此電梯的運(yùn)行方式也存在不合理的現(xiàn)象。

2.3.2 照明

照明系統(tǒng)可分為智能照明、廣告照明和區(qū)間疏散照明等3種。智能照明及廣告照明主要在運(yùn)營期間開啟，但運(yùn)營期間的智能照明及廣告照明的開啟模式存在著一定的節(jié)能空間。目前，智能照明及廣告照明均設(shè)置有全開、半開及1/4開的模式，因此，若根據(jù)車站內(nèi)部本身的光照度來決定開啟的模式，則可節(jié)約部分能耗。至于運(yùn)營期間始終開著的區(qū)間疏散照明，完全與運(yùn)營無關(guān)，也是一種不合理的現(xiàn)象。

3 運(yùn)營模式優(yōu)化策略

通過上述分析，可明確目前運(yùn)營模式中所存在的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，現(xiàn)利用地鐵的綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能，提出相對(duì)應(yīng)的節(jié)能策略來優(yōu)化運(yùn)營模式，可在不降低運(yùn)營質(zhì)量的前提下降低不合理的能耗。

3.1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行模式的優(yōu)化

對(duì)于早間通風(fēng)，考慮到開啟完畢后將直接開始全天的運(yùn)營，因此其通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)完全可以按照隧道區(qū)間內(nèi)氣體全部置換一次的時(shí)間來執(zhí)行。即，通過估算全線隧道區(qū)間的空間總體積及單位時(shí)間內(nèi)全線隧道風(fēng)機(jī)的總排風(fēng)量，來計(jì)算隧道風(fēng)機(jī)每天早間通風(fēng)前需要運(yùn)行的時(shí)間。以成都地鐵1號(hào)線為例，計(jì)算得知全線隧道區(qū)間內(nèi)的空氣全部置換一次的時(shí)間約10 min，假定以之前設(shè)置30 min隧道通風(fēng)時(shí)間來作對(duì)比，則可降低隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)20 min。假設(shè)地鐵隧道風(fēng)機(jī)單臺(tái)功率為90 kW，則可計(jì)算出成都地鐵1號(hào)線早間68臺(tái)風(fēng)機(jī)節(jié)省的能耗為2040 kWh。

對(duì)于晚間通風(fēng)，考慮到停運(yùn)之后僅部分調(diào)試車輛通行，因此全線繼續(xù)開啟隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行0.5 h的意義不大，屬于可優(yōu)化范疇。仍以成都地鐵1號(hào)線為例，為此可降低能耗3060 kWh。

綜上所述，全線僅每日早晚間通風(fēng)一項(xiàng)通過優(yōu)化就可節(jié)能5100 kWh。

此外，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)建有屏蔽門系統(tǒng)的車站隧道區(qū)間，其溫度不應(yīng)該超過40℃;國內(nèi)部分設(shè)計(jì)部門所制定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求隧道區(qū)間的二氧化碳濃度不應(yīng)該超過1.5‰。因此，可由地鐵的綜合監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隧道區(qū)間溫濕度和二氧化碳濃度來判斷是否需要啟動(dòng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)。通過這種方式可以完全融合阻塞工況通風(fēng)和早晚換氣通風(fēng)。根據(jù)綜合監(jiān)控系統(tǒng)采集的隧道區(qū)間平均溫度和二氧化碳平均濃度，經(jīng)過運(yùn)算可確定全線哪些站點(diǎn)需要開啟隧道通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)隧道區(qū)間內(nèi)環(huán)境改善至符合要求后，再實(shí)時(shí)關(guān)閉隧道風(fēng)機(jī)。這樣就可兼顧運(yùn)營質(zhì)量及節(jié)能措施，從而降低因不合理的規(guī)章制度帶來的能耗浪費(fèi)。

3.2 空調(diào)季節(jié)運(yùn)營模式的優(yōu)化

目前，國內(nèi)大陸地區(qū)對(duì)于空調(diào)季節(jié)的劃分尚無明確的界限，一般設(shè)定為每年的5月份至10月份。但每個(gè)城市地理位置存在差異，因此，每條地鐵需要根據(jù)自身全年平均溫度來劃分空調(diào)季節(jié)。與此同時(shí)，空調(diào)季節(jié)的縮短會(huì)引起因天氣反常而導(dǎo)致的乘客舒適度下降，所以在縮短空調(diào)季節(jié)的同時(shí)，需要借助綜合監(jiān)控系統(tǒng)來保證地鐵環(huán)境舒適度不會(huì)下降。在乘客舒適度不被降低的前提下，空調(diào)季節(jié)的縮短所帶來最直接的效果便是此期間冷水系統(tǒng)的節(jié)能。此外，可通過車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)啟停優(yōu)化控制、焓值優(yōu)化控制等方式來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車站節(jié)能。

3.2.1 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)啟停優(yōu)化控制

車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的過早啟動(dòng)和過遲停止，均會(huì)延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間從而增大能耗值。因此，需要對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的啟停控制進(jìn)行優(yōu)化，即進(jìn)行最優(yōu)啟停控制(如圖1所示)。由于空調(diào)系統(tǒng)冷慣性特性，在地鐵每日運(yùn)營開始之前需提前啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，使車站預(yù)冷，以保證地鐵正式運(yùn)營時(shí)車站溫度處于要求范圍。同理，在地鐵運(yùn)營停止之前停止空調(diào)系統(tǒng)，利用其冷慣性來保證車站內(nèi)溫度不會(huì)很快變化，使車站溫度在地鐵停運(yùn)前維持在要求的范圍內(nèi)。

目前，國內(nèi)大陸地區(qū)地鐵基本都在當(dāng)天最早時(shí)間開啟車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。通過圖1可知，最優(yōu)啟動(dòng)時(shí)間為地鐵開始運(yùn)營前的一個(gè)預(yù)冷期，而最優(yōu)停止時(shí)間也不是當(dāng)天的地鐵運(yùn)營結(jié)束時(shí)間，而是利用冷慣性提前停止。通過優(yōu)化啟停控制來實(shí)現(xiàn)預(yù)冷能耗的節(jié)省。由于推遲啟動(dòng)和提前停止空調(diào)設(shè)備運(yùn)營，縮短了其運(yùn)行時(shí)間而節(jié)省了動(dòng)力耗電，在滿足車站溫度控制需求的前提下可節(jié)約通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

圖1 車站空調(diào)系統(tǒng)最優(yōu)啟停示意圖

對(duì)于預(yù)冷期的確定，可利用地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的公共區(qū)溫濕度傳感器趨勢(shì)圖來初步估算，為更準(zhǔn)確地計(jì)算預(yù)冷期，可利用公共區(qū)內(nèi)外溫度之差及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)制冷功率來作進(jìn)一步核算。

3.2.2 車站空氣焓值的優(yōu)化控制

人體感覺最舒適的溫度為21～24℃，但一般情況下，車站內(nèi)與室外溫度維持一定的溫差即能保證乘客進(jìn)入車站時(shí)感覺舒適，因此可通過動(dòng)態(tài)地設(shè)定車站空氣的焓值，即以車站室外的溫度參數(shù)和車站內(nèi)的冷負(fù)荷需求來修改車站空氣焓值的設(shè)定。這樣，可在不降低乘客舒適度的前提下節(jié)省不必要的能耗。

對(duì)于車站供冷來說，提高車站空氣焓值設(shè)定是最直接和最有效的節(jié)能方法。因此，車站的空氣焓值設(shè)定代表了車站冷負(fù)荷的大小。目前，地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的空氣焓值控制一般采用溫度越限觸發(fā)，如圖2所示。

圖2 車站空氣焓值控制示意圖

當(dāng)室外溫度超過車站空氣焓值設(shè)定值之后，即啟動(dòng)車站供冷。從圖2中也可看出，一旦溫度越限，則供冷設(shè)備立即運(yùn)行，因此，優(yōu)化動(dòng)態(tài)焓值設(shè)定后(如圖3所示)，可始終保持室內(nèi)外的溫差處于一個(gè)固定值，而動(dòng)態(tài)地提高車站供冷的觸發(fā)條件，從而降低能耗。

圖3 車站空氣焓值優(yōu)化控制示意圖

此外，車站冷負(fù)荷主要包括列車運(yùn)行散熱負(fù)荷、列車活塞風(fēng)負(fù)荷、乘客負(fù)荷、新風(fēng)空氣負(fù)荷、車站設(shè)備及照明負(fù)荷，以及由車站墻面吸放熱所增減的負(fù)荷。當(dāng)車站設(shè)置站臺(tái)屏蔽門之后，列車活塞風(fēng)負(fù)荷對(duì)車站的影響幾乎可以忽略，而列車運(yùn)行散熱負(fù)荷僅在列車到站和在屏蔽門打開到關(guān)閉的短時(shí)間內(nèi)有所影響。故對(duì)車站的溫度影響不大，通過車站溫度的調(diào)節(jié)，可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。車站設(shè)備及照明負(fù)荷及由車站墻面吸放熱所增減的負(fù)荷都相對(duì)比較固定。而乘客負(fù)荷變化較大，并且新風(fēng)空氣負(fù)荷也是隨著乘客負(fù)荷的增加而增加，這也為車站溫度的調(diào)節(jié)提供了一定的依據(jù)。

3.3 其它設(shè)備的運(yùn)營優(yōu)化

3.3.1 電扶梯節(jié)能

自動(dòng)扶梯和電梯是公共場(chǎng)所運(yùn)送乘客的最典型設(shè)備。自動(dòng)扶梯在無人搭乘時(shí)仍然在工作。通過對(duì)成都地鐵運(yùn)營狀況的分析可知，自動(dòng)扶梯和電梯用電量占車站機(jī)電設(shè)備總用電量的10%左右。

據(jù)實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，除幾個(gè)乘客比較集中站點(diǎn)的自動(dòng)扶梯乘客使用率比較高外，有相當(dāng)部分站點(diǎn)出入口自動(dòng)扶梯等的使用率都比較低，對(duì)于這部分自動(dòng)扶梯，可以考慮一直以50%的速度運(yùn)行，以節(jié)約能耗。

針對(duì)電梯設(shè)備，可以選擇加裝電能回饋器的電梯品牌。電梯能源回饋器的節(jié)能效益是相當(dāng)高的。中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)對(duì)某電梯產(chǎn)品進(jìn)行過能耗測(cè)試:工況為100%載荷(滿載)時(shí)往返10次的耗電量，用電能回饋技術(shù)前耗電0.852 kWh，應(yīng)用電能回饋技術(shù)后耗電0.472 kWh，節(jié)電率超過44%;工況為0%載荷(空載)時(shí)往返10次的耗電量，用電能回饋技術(shù)前耗電0.748 kWh，應(yīng)用電能回饋技術(shù)后耗電0.486 kWh，節(jié)電率超過 35%。

3.3.2 照明節(jié)能

照明系統(tǒng)占車站動(dòng)力照明系統(tǒng)用電量的16%。其可以從以下幾方面考慮節(jié)能:

1)對(duì)于公共區(qū)照明系統(tǒng)，可以采取時(shí)間表控制等方式來對(duì)燈具開啟時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到減少照明系統(tǒng)能耗的目的。例如，當(dāng)列車停運(yùn)后可以自動(dòng)開啟1/4模式，只開啟1/4的站臺(tái)、站廳照明。按列車運(yùn)營17 h算，可以節(jié)約大約30%的電量。

2)對(duì)于廣告照明，也可采取時(shí)間表控制的方式對(duì)燈具開啟時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到減少照明系統(tǒng)能耗的目的。在列車停運(yùn)后即可關(guān)閉所有的廣告照明。

3)區(qū)間工作照明可以在列車運(yùn)營時(shí)間關(guān)閉，相比全天候開啟工作照明的方式可節(jié)約能耗。

4 結(jié)語

城市軌道交通不僅能提供高效、優(yōu)質(zhì)的公交出行服務(wù)，而且是一種集約化的交通方式，能節(jié)約能源和土地資源，在改善城市環(huán)境、緩解交通擁擠等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。但由于城市軌道交通系統(tǒng)十分復(fù)雜，涉及到多個(gè)專業(yè)，規(guī)范能耗評(píng)價(jià)體系的建立是發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于國內(nèi)已運(yùn)營的近70條城市軌道交通線路來說，設(shè)備節(jié)能技術(shù)的確能夠降低一定的能耗，但同時(shí)需要一定的投資成本。因此，通過優(yōu)化運(yùn)營模式的無成本節(jié)約能耗的方式，應(yīng)當(dāng)作為城市軌道交通節(jié)能的首選。

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