地鐵車站環(huán)境熱舒適與通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能策略研究進(jìn)展

曾逸婷,趙 蕾

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安 710055)

引言

目前，我國正處于城市軌道交通高速發(fā)展時(shí)期，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2017年底，已有33個(gè)城市引入了地鐵系統(tǒng)，總里程達(dá)到了4 706 km[1]。預(yù)計(jì)到2020年，總里程數(shù)將達(dá)到8 000 km，總投資達(dá)2萬億元人民幣[2]。要充分發(fā)揮地鐵系統(tǒng)的運(yùn)力，必須關(guān)注地鐵車站及其內(nèi)部環(huán)境的舒適度、系統(tǒng)的安全性和節(jié)能性等，使其成為城市居民便捷、舒適安全和綠色節(jié)能的交通工具。地鐵車站屬于半開式空間，與室外環(huán)境相對隔絕，僅通過進(jìn)出站口和通風(fēng)豎井與室外環(huán)境相連。由于站內(nèi)存在照明、廣告牌、設(shè)備等熱源，且隧道內(nèi)列車的運(yùn)行和站內(nèi)乘客的呼吸與活動(dòng)等均會(huì)在地鐵站內(nèi)產(chǎn)生大量有害氣體和余熱以及顆粒污染物[3-6]。若地鐵站中不設(shè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，則難以保證站內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，空氣品質(zhì)會(huì)惡化。因此，地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為城市居民享有舒適的地鐵站內(nèi)候車環(huán)境提供了重要保障。

然而，地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗巨大，約占車站總能耗的40%以上，僅次于列車牽引系統(tǒng)[7-8]。北京地鐵2015年的能耗高達(dá)14億kW·h，相當(dāng)于73萬戶家庭1年的用電量，而其中35%的能耗用于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)[9]。要降低地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，就必須在保證車站舒適的前提下針對該系統(tǒng)采取合理可行的節(jié)能方案。為此，首先對比了各國地鐵站站內(nèi)環(huán)境的調(diào)研結(jié)果，對影響地鐵車站熱舒適的各主要因素進(jìn)行了分析；簡述了地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行現(xiàn)狀，指出有待改進(jìn)之處，并總結(jié)了地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能相關(guān)研究的進(jìn)展，探討了所應(yīng)采取的節(jié)能措施和節(jié)能潛力。

1 國內(nèi)外地鐵車站熱環(huán)境及舒適性分析

1976年美國運(yùn)輸部根據(jù)熱應(yīng)力指標(biāo)和ASHRAE的熱舒適實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了相對熱流指標(biāo)RWI(Relative Warmth Index)和熱損失率HDR(Heat Deficit Rate)[10]，可用于評價(jià)地鐵的熱舒適狀況，指出人們在地鐵環(huán)境內(nèi)的感覺是沿運(yùn)動(dòng)方向在不同環(huán)境中移動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)感覺。各國普遍以此來確定地鐵站環(huán)控設(shè)計(jì)溫度。

表1給出了國內(nèi)外研究者針對現(xiàn)有地鐵車站環(huán)境狀況的實(shí)測與調(diào)研數(shù)據(jù)和結(jié)果。可見，不同地區(qū)地鐵車站環(huán)境差別較大，甚至同一地鐵站不同運(yùn)行時(shí)段的站內(nèi)環(huán)境舒適性也存在較大差異[11]。以下分析不同因素對車站環(huán)境舒適性的影響特征。

表1 國內(nèi)外地鐵車站熱環(huán)境實(shí)測結(jié)果匯總

室外氣象條件變化對地鐵車站內(nèi)的環(huán)境影響較大，Misawa K.等[12]對東京某地鐵站熱環(huán)境的實(shí)測和問卷調(diào)查結(jié)果表明，站廳熱環(huán)境隨室外氣象狀況而變，且受太陽輻射的影響，靠近地面的出入口附近溫度明顯高于車站內(nèi)部。乘客對站內(nèi)環(huán)境舒適性的滿意程度與其所處的熱環(huán)境狀況密切相關(guān)。為改善車站熱環(huán)境，須同時(shí)考慮室外氣象變化以及車站熱環(huán)境參數(shù)的空間分布情況。

此外，地鐵車站的結(jié)構(gòu)、新舊程度等對乘客的滿意度也有一定影響。與淺層地鐵站相比，由出入口進(jìn)入深層地鐵站內(nèi)部的滲透風(fēng)量較少，站內(nèi)溫度分布更均勻，舒適性明顯較高；淺層地鐵車站更容易受到室外環(huán)境變化的影響[13-15]。新建地鐵站對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的改進(jìn)及其整潔的外觀均會(huì)使乘客的主觀感覺得到改善，對其熱舒適性的滿意度普遍高于舊車站[13，16]。

由于地鐵車站是乘客由地面進(jìn)入到車廂的過渡環(huán)境，沿程環(huán)境參數(shù)的變化幅度也會(huì)影響到人體的主觀熱舒適感。已有文獻(xiàn)[13，17]表明，站內(nèi)乘客多處于步行狀態(tài)，對環(huán)境的期望較低，整個(gè)乘車過程人體并未達(dá)到熱中性，乘客對地鐵站內(nèi)溫度變化的敏感程度降低，舒適的溫度范圍較廣。辛偉寧等[18]從動(dòng)態(tài)熱感覺的角度對廣州某地鐵站進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在12：00～19：00，乘客由室外進(jìn)入地鐵站廳過程中的RWI值變化量較大，會(huì)使乘客產(chǎn)生突然變冷的不適感，且系統(tǒng)能耗高。若站臺RWI值大于站廳，乘客進(jìn)站過程中則會(huì)感受到環(huán)境惡化。因此，為了保證乘客候車環(huán)境的舒適性并降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，建議根據(jù)室外環(huán)境溫度的變化調(diào)整車站站廳站臺的設(shè)定溫度。

綜上，車站所在地的氣象參數(shù)、車站結(jié)構(gòu)和新舊程度以及沿進(jìn)出站路線的環(huán)境參數(shù)變化幅度都是影響車站舒適性的主要因素。地鐵站內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的取值范圍可寬于傳統(tǒng)建筑，主要提供給乘客較為平緩的過渡環(huán)境即可。因此必須按照合理的舒適指標(biāo)對地鐵車站內(nèi)的舒適性狀況做出正確的評估，為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行策略的制定提供有效依據(jù)。

2 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀與節(jié)能研究

2.1 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)營現(xiàn)狀

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)秋冬季普遍采用通風(fēng)模式運(yùn)行，不進(jìn)行供暖；在夏季室外環(huán)境不滿足通風(fēng)要求的情況下，開啟空調(diào)系統(tǒng)。目前國內(nèi)地鐵車站內(nèi)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是按照《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)[20]確定站廳站臺空調(diào)設(shè)計(jì)溫度，根據(jù)遠(yuǎn)期高峰時(shí)段客流計(jì)算車站空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行設(shè)備選型。并普遍采用一次回風(fēng)定風(fēng)量空氣處理過程，水系統(tǒng)通常采用主機(jī)定流量、末端變流量運(yùn)行方式[21]。而實(shí)際中，車站空調(diào)負(fù)荷受客流和室外氣象參數(shù)等影響而較大幅度波動(dòng)[22]，且列車的長期運(yùn)行會(huì)使周圍土壤溫度升高，造成遠(yuǎn)期高峰時(shí)段負(fù)荷遠(yuǎn)大于初、近期負(fù)荷。按照遠(yuǎn)期高峰時(shí)段負(fù)荷設(shè)計(jì)選型確定的空調(diào)機(jī)組，供冷能力在大部分時(shí)間段內(nèi)都遠(yuǎn)大于實(shí)際需求，易使地鐵站內(nèi)溫度明顯低于其設(shè)計(jì)值；而且，空調(diào)設(shè)備會(huì)長期處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)效能降低而造成能源浪費(fèi)[23-24]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，北京森林公園南門站冷機(jī)出力僅占額定出力的40%[25]。

綜上，目前地鐵車站的空調(diào)設(shè)備未根據(jù)實(shí)際地鐵站內(nèi)的負(fù)荷變化情況及時(shí)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致運(yùn)行效能低，能耗浪費(fèi)大。然而，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控仍有較大的改進(jìn)空間。下面，就國內(nèi)外已針對地鐵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控所開展的研究加以總結(jié)、分析。

2.2 地鐵站環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能研究進(jìn)展及優(yōu)化方向

2.2.1 地鐵站運(yùn)行控制溫度優(yōu)化

目前，有不少研究根據(jù)相對熱指標(biāo)確定車站內(nèi)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行溫度，以保證車站內(nèi)的舒適度[26-28]。段飛等[26]通過計(jì)算徐州地鐵站設(shè)計(jì)工況下乘客乘車過程的RWI值，認(rèn)為該站所采用的設(shè)計(jì)溫度值未能滿足乘客進(jìn)出地鐵站的熱舒適要求，并給出更符合乘客舒適需求的設(shè)計(jì)溫度。朱培根等[27]對比了問卷結(jié)果和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，得到了RWI指標(biāo)值，指出單純地以RWI靜態(tài)值來評價(jià)地鐵站舒適性存在誤差，需要考慮乘客進(jìn)入地鐵站內(nèi)的動(dòng)態(tài)過程，根據(jù)室外氣象參數(shù)的變化情況修正車站各環(huán)控單元的設(shè)定溫度，結(jié)合環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)確定動(dòng)態(tài)控制方案。尹奎超等[28]以RWI指標(biāo)作為衡量地鐵站內(nèi)人員是否舒適的標(biāo)準(zhǔn)，對天津地鐵站的空調(diào)運(yùn)行溫度進(jìn)行了探討，得出不同室外溫度下地鐵站廳、站臺的空調(diào)運(yùn)行控制溫度。辛偉寧等[18]以西安市某典型設(shè)計(jì)日為例，確定了西安地鐵車站一天中逐時(shí)的站廳站臺運(yùn)行目標(biāo)溫度，并計(jì)算逐時(shí)送風(fēng)量從而確定風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式。

這些研究提出評價(jià)地鐵車站熱舒適情況必須與乘客進(jìn)入地鐵車站的動(dòng)態(tài)過程相結(jié)合的觀點(diǎn)；應(yīng)根據(jù)地鐵站結(jié)構(gòu)特性和站外逐時(shí)氣象情況，在滿足乘客舒適的基礎(chǔ)上制定合理的車站運(yùn)行溫度，減少其運(yùn)行能耗。

2.2.2 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷受室外環(huán)境及客流的影響變化很大，傳統(tǒng)的定頻系統(tǒng)無法滿足該運(yùn)行特點(diǎn)。不少研究在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)引入變頻技術(shù)，并分析其可行性和節(jié)能潛力[29-31]，所采用的運(yùn)行調(diào)控方案主要有閉環(huán)控制方案、時(shí)間序列控制方案和基于預(yù)測模型的模糊控制方案。

其中，閉環(huán)控制方案[32-33]主要利用PID方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，需在車站、送回風(fēng)管等處布置溫濕度傳感器，根據(jù)檢測值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行判斷，發(fā)出相關(guān)控制指令給組合式空調(diào)器、回排風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組的變頻控制器，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)[34]。該控制方案簡單，已在西安[35]、南京[36]、北京地鐵復(fù)八號線[37]等線路中得到應(yīng)用，但仍存在系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，實(shí)施難度較大等問題，車站負(fù)荷波動(dòng)較快時(shí)還可能會(huì)使變頻裝置不斷進(jìn)行變頻操作，容易導(dǎo)致設(shè)備故障[34-38]。

時(shí)間序列控制方案[39-40]主要是根據(jù)地鐵車站的負(fù)荷和室外氣象參數(shù)的變化規(guī)律對地鐵運(yùn)營時(shí)段進(jìn)行分段，每個(gè)時(shí)段采用固定的風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。雖控制邏輯關(guān)系簡單，易實(shí)施[34]，但實(shí)際運(yùn)行中空調(diào)系統(tǒng)并未根據(jù)室外氣象參數(shù)和客流的變化做出及時(shí)調(diào)整，所提供的冷量不能完全滿足實(shí)際的負(fù)荷變化需求，無法最大限度發(fā)揮變頻技術(shù)的優(yōu)勢。

歐洲2011年實(shí)施的SEAM4US地鐵項(xiàng)目[41-42]，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法對車站歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到預(yù)測模型，基于所建模型對地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。運(yùn)用到巴塞羅那地鐵站后通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗減少了30%。該方案基于大量系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在一定程度上保證了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。但是模型建立過程中數(shù)學(xué)處理過程復(fù)雜，物理意義不明確，目前仍無法在其他地鐵車站中廣泛應(yīng)用。

為了保證通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能穩(wěn)定且節(jié)能運(yùn)行，今后的研究可結(jié)合這3種運(yùn)行方案的優(yōu)缺點(diǎn)，通過物理過程分析建立合理的空調(diào)負(fù)荷、控制參數(shù)等預(yù)測模型，結(jié)合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方案的改進(jìn)和優(yōu)化。

國內(nèi)外關(guān)于地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控狀況的研究表明，有必要結(jié)合地鐵車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和站外逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，提出滿足乘客過渡性熱舒適需求的車站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行溫度；并基于地鐵站的負(fù)荷變化特點(diǎn)，對空調(diào)系統(tǒng)引入變頻技術(shù)，通過物理過程分析建立合理的預(yù)測模型，優(yōu)化系統(tǒng)變頻運(yùn)行方案，以最大程度發(fā)揮變頻技術(shù)的優(yōu)勢。下面，就空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測模型的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

2.3 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測方法的研究進(jìn)展

地鐵車站空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測是空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制的關(guān)鍵技術(shù)，也是地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的必由之路。雖然目前有不少軟件(如SES和STESS)可用于模擬分析地鐵車站內(nèi)的設(shè)計(jì)空調(diào)負(fù)荷與能耗情況，但其建模工作量大，很難適應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷的預(yù)測[43]。室外氣象條件、客流量以及站廳和站臺動(dòng)態(tài)目標(biāo)溫度等因素均會(huì)影響車站空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷，因此如何通過獲取相關(guān)信息、準(zhǔn)確進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測值得進(jìn)一步研究。

1990年代起，黑箱模型(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))被應(yīng)用于空調(diào)負(fù)荷預(yù)測。一些研究者[44-48]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、參數(shù)回歸法、時(shí)間序列法等經(jīng)典預(yù)測方法對不同類型建筑的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)于其他預(yù)測方法。李瓊[49]、楊嘉[50]、Abdullatif[51]、徐今強(qiáng)等[52]采用RBF和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測，顯示出了更好的收斂速度和泛化能力。Jovanovic[53]將多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測供熱負(fù)荷，預(yù)測精度優(yōu)于單一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

事實(shí)證明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能有效進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷預(yù)測，但是目前對于地鐵車站這種特殊運(yùn)行環(huán)境的應(yīng)用甚少。不同于一般建筑，地鐵車站受到的外部擾動(dòng)因素更多，因此需要輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練的相關(guān)參數(shù)更多。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的參數(shù)能被精準(zhǔn)預(yù)測，如氣象預(yù)報(bào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)逐時(shí)化，溫度、降雨量、氣壓、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)能被及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測；檢票系統(tǒng)為預(yù)測客流量提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方式對地鐵車站歷史客流數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)也可獲得準(zhǔn)確的客流預(yù)測模型[54-55]。這些技術(shù)的不斷發(fā)展也給負(fù)荷預(yù)測模型的建立提供了足夠的技術(shù)支撐。

綜上，信息技術(shù)的不斷發(fā)展為負(fù)荷預(yù)測提供了更多精確的數(shù)據(jù)，但仍需通過合理選取影響因素、優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方式，進(jìn)一步探究地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法，提高負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確度，為進(jìn)一步優(yōu)化地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控策略奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)信息化技術(shù)在地鐵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理中的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能、舒適運(yùn)行。

3 結(jié)語

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占地鐵總能耗比例較大。實(shí)際運(yùn)營中，車站內(nèi)環(huán)境受眾多因素影響，如工作日與節(jié)假日車站客流規(guī)律不一致，當(dāng)車站周圍有重大活動(dòng)時(shí)，會(huì)造成車站短時(shí)間內(nèi)客流猛增；當(dāng)室外環(huán)境條件變化時(shí)，乘客進(jìn)入地鐵站感到舒適時(shí)的環(huán)境條件也不同。若通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)未能根據(jù)這些因素的變化相應(yīng)地調(diào)整其運(yùn)行狀況，則不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)，而且易引起乘客對車站內(nèi)環(huán)境的不適感。

本文整理了不同國家地區(qū)對不同類型地鐵車站的實(shí)地調(diào)研結(jié)果，分析了相關(guān)因素對地鐵車站熱環(huán)境的影響特征，為地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化提供指導(dǎo)。提出地鐵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控溫度應(yīng)結(jié)合車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和室外氣象情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以滿足乘客過渡熱舒適的需求。變頻技術(shù)與合理的運(yùn)行方案相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。有必要結(jié)合閉環(huán)控制方案、時(shí)間序列控制方案和基于預(yù)測模型的模糊控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步探究最佳控制方案，以最大程度發(fā)揮變頻技術(shù)的優(yōu)勢，達(dá)到節(jié)能效果。今后，仍需根據(jù)實(shí)際地鐵車站客流、室外氣象和設(shè)備運(yùn)行等多方面的數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立空調(diào)負(fù)荷預(yù)測模型，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更優(yōu)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行調(diào)控。