基于地鐵環(huán)控能耗數(shù)據(jù)模擬的運營策略分析

王 暉，高俊逸，毛 緯

（1.南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 210012；2.中煤科工集團南京設(shè)計研究院有限公司，江蘇南京 210008）

1 引言

截至2021 年底，中國內(nèi)地累計有50 個城市投運城市軌道交通線路9 206.8 km，其中地鐵7 209.7 km，占比78.3%[1]。地鐵運營耗能巨大，能耗費用超過總運營費用的25%，而環(huán)控能耗占總能耗的1/3～1/2[2]，因此選擇合理的環(huán)控模式有助于節(jié)約地鐵運營費用。本文利用ses 軟件對南京地鐵10 號線隧道開展通風模擬，分別分析初期和遠期在開啟和關(guān)閉隧道排熱風機時，隧道各節(jié)點的風速、風量和溫度參數(shù)的變化及地鐵隧道累年溫升對空調(diào)能耗的影響；同時對各站環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備用電量進行全年逐時的現(xiàn)場測試、收集、統(tǒng)計和分析，建立能耗大數(shù)據(jù)分析模型與評價模型，找出耗電量分布規(guī)律，建立可視連續(xù)地下區(qū)間與車站環(huán)控系統(tǒng)能耗模擬模型，用大數(shù)據(jù)為地鐵能耗提出評價與運營策略。

2 車站分類

地鐵線路和車站形式多樣，有必要對車站以聚類的方式分類。根據(jù)均方根誤差最小原理，從能耗數(shù)據(jù)中選取表征值，不同時段的表征值的擬合曲線可以代表該時段內(nèi)的能耗分布規(guī)律。將能耗規(guī)律相似的車站組成一類，研究其相同的變化規(guī)律。對南京地鐵10 號線車站能耗參數(shù)進行聚類分析，用SQL Server 2012 軟件對平均化后的車站環(huán)控系統(tǒng)空調(diào)季逐日能耗數(shù)據(jù)進行分析處理，得到能耗規(guī)模、能耗規(guī)律、用能特性不同的4 類車站，如表1 所示[3]。車站用能規(guī)模Ⅰ類＞Ⅱ類＞Ⅲ類＞Ⅳ類，Ⅰ類、Ⅲ類和Ⅱ類、Ⅳ類車站能耗規(guī)律不同，前者能耗波動較大[4]。

表1 南京地鐵10 號線車站環(huán)控能耗聚類結(jié)果

3 模擬工況

地鐵區(qū)間隧道內(nèi)空氣流動是三維可壓縮流體非恒定紊流。由于隧道長度遠大于隧道的斷面幾何尺寸，且隧道斷面上氣流速度和壓強分布比較均勻，為簡化計算，將地鐵隧道、車站內(nèi)空氣流動簡化為以當量直徑作為特征尺寸、以斷面上氣流各要素平均值為變量的圓管內(nèi)氣流一維非恒定流動[5]。在ses 軟件模擬輸入隧道及站軌布置、列車營運數(shù)據(jù)、客流資料、隧道外界氣象參數(shù)及土壤熱工特性、列車運行數(shù)據(jù)等。

夏季室外計算參數(shù)采用近20 年夏季地鐵晚高峰負荷時平均每年不保證30 h 的干（濕）球溫度，南京地區(qū)夏季晚高峰室外計算干球溫度為32.4℃，濕球溫度為28.1℃；冬季模擬工況取1 月的日平均溫度為2.2 ℃，晚高峰室外計算相對濕度為65%。列車按最高80 km/h 速度運行，乘客進站時總停留時間4.5 min，乘客出站時總停留時間3 min，乘客在車站區(qū)域人體產(chǎn)熱（全熱）按182 W/人計算。利用ses 軟件對隧道開展通風模擬工作。

4 通風季模擬分析

4.1 車站閉式通風

閉式運行時，所有通風機均不工作，開活塞風井，列車活塞風補充各車站的乘客新風量[6]。根據(jù)乘客停留時間和預(yù)測客流量，按照GB 50157-2013 《地鐵設(shè)計規(guī)范》和車站客流要求計算人均所需新風量理論值[6-7]，利用 ses 軟件對不同時期隧道開展通風模擬。雨山路站不同時期站臺所需新風量理論值與模擬值如表2 所示，將理論值與模擬值相比可知，初期模擬值大于理論值，說明此時車站空調(diào)大系統(tǒng)關(guān)閉新風閥后活塞風帶來的新風量滿足規(guī)范要求；而近期、遠期模擬值小于理論值，說明此時活塞風帶來的新風量低于理論要求的新風量，需要額外補充新風量，此時關(guān)閉新風閥則不能滿足規(guī)范要求。

表2 雨山路站不同時期站臺閉式通風所需新風量數(shù)值

4.2 隧道TEF通風

地鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量部分通過通風釋放到大氣中，約25 %～ 40 %的熱量被周圍的巖土層吸收，致使隧道圍巖溫度不斷上升[8-9]。車站軌行區(qū)排熱風機（TEF）有利于列車頂和站臺附近的空氣散熱，尤其在非空調(diào)季可有效排除車站發(fā)熱量，避免車站超溫。在關(guān)閉排熱風機的情況下，南京地鐵10 號線不同時期的地鐵隧道溫度如圖1所示。由圖可知，初期隧道溫度在21℃波動，最高溫度為30℃，符合GB 50157-2013 《地鐵設(shè)計規(guī)范》要求；近期隧道溫度逼近35℃，考慮隧道環(huán)境和車載空調(diào)運行工況，建議高峰時段適當開啟排熱風機；遠期隧道溫度在31℃波動，最高溫度大于40℃，不符合設(shè)計規(guī)范要求，因此必須開啟排熱風機進行機械排風。

圖1 不同時期地鐵隧道溫度分布圖

近期、遠期上行線排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布分別如圖2、圖3 所示，其中排風量50 m3/s 為排熱風機的全工況狀態(tài)。從圖2、圖3 可以看出，開啟排熱風機后近期隧道空氣整體溫度在24～38 ℃，遠期隧道空氣整體溫度在31～39 ℃；隧道空氣溫度隨著排風量的增加而降低，排熱風機對隧道區(qū)間的溫度影響較大，對站臺空氣溫度影響較小。

圖2 近期上行線排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布

圖3 遠期上行線排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布

4.3 排熱風機模擬運行頻率

根據(jù)近期、遠期排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布以及列車運行產(chǎn)熱量和列車空調(diào)冷凝器隧道內(nèi)散熱情況[10-11]，利用通風計算公式（1）[12]可得到不同時期將列車在區(qū)間的散熱排出隧道所需要的風量，即排熱風機工作風量近期為52 000 m3/h、遠期為70 000 m3/h。車站排熱風機額定風量為126 000～144 000 m3/h。工作風量與額定風量之比即為風機運行頻率與工頻之比，由此可以確定排熱風機不同時期的運行頻率：近期為18～21 Hz，遠期為24～27 Hz。

式（1）中，G為通風量，kg/s；Q為空氣的余熱，kJ/s；c 為空氣的質(zhì)量比熱，1.01 kJ/（kg · ℃）；tp為排出空氣的溫度，℃；t0為進入空氣的溫度，℃。

5 空調(diào)季能耗模擬分析（以第 I 類車站為例）

5.1 逐日能耗值

對空調(diào)能耗進行數(shù)據(jù)擬合與分析，每小時選取1 個能耗值代表1 個月該時刻的動力能耗值，以均方根誤差最小為判據(jù)來確定這個代表值。均方根誤差的表達式為：

式（2）中，Re 為均方根誤差；xi為i日某時刻的動力能耗值；x為Re 最小時的能耗值；n為逐時能耗數(shù)據(jù)個數(shù)。當Re 的值越小，越能代表這組數(shù)據(jù)。

利用均方根誤差的方法，對第Ⅰ類車站各站空調(diào)季逐日能耗取代表值，如圖4 所示。

圖4 第Ⅰ類車站逐日空調(diào)能耗圖（空調(diào)季）

5.2 逐月能耗模型

將各車站逐日能耗求和得到逐月通風空調(diào)能耗，再將同一類車站各站能耗平均得到該類車站逐月通風空調(diào)平均能耗，如圖5 所示。

圖5 第Ⅰ類車站逐月通風空調(diào)平均能耗圖（空調(diào)季）

對各類車站逐月平均能耗進行Matlab 的非線性曲線擬合[13]，得到不同類別的車站能耗擬合公式，如表3所示。其中x為時長，月；y為通風空調(diào)能耗，kW · h。

表3 車站空調(diào)季逐月通風空調(diào)能耗擬合公式

5.3 空調(diào)機組模擬運行頻率

根據(jù)標準車站空調(diào)負荷以及站內(nèi)外空氣狀態(tài)參數(shù)，按一次回風無再熱最大送風溫差方式處理送風，利用風量計算公式（3）[14]可得車站總送風量。

式（3）中，G為車站總送風量，m3/ h；q為車站空調(diào)負荷，kW；h室內(nèi)為車站內(nèi)空氣焓值，kJ/kg；h送風為車站外空氣焓值，kJ/kg。

總送風量減去最小新風量即為空調(diào)機組實際送風量。實際送風量與額定送風量之比即為風機運行頻率與工頻之比（0.82）[15]，因此，風機最高運行頻率為0.82×50 = 41 Hz。根據(jù)不同時段風機運行與峰值運行的能耗比、轉(zhuǎn)速比，可得Ⅰ類車站各年段空調(diào)機組運行頻率如表4 所示。

表4 Ⅰ類車站空調(diào)季逐年空調(diào)機組運行頻率

6 模擬運營策略及節(jié)能分析

以南京地鐵10 號線為例，通過模擬各車站通風系統(tǒng)運行模式和對各車站環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備用電量全年逐時的現(xiàn)場測試、比對和分析，得到環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運行方案如下：①活塞風閥和迂回風道全年開啟；②空調(diào)機組初期風機頻率為19～21 Hz，近期風機頻率為23～31 Hz，遠期風機頻率為35～41 Hz；③TEF 風機初期不開，近期和遠期早晚高峰開，風機頻率分別為18～21 Hz、24～27 Hz。

優(yōu)化環(huán)控系統(tǒng)運行方案后各車站全年通風空調(diào)能耗如表5 所示，模擬方案較原方案每年節(jié)省用電量48.35 萬kW · h，節(jié)能比為10.13%。

表5 全年通風空調(diào)模擬方案能耗值與實際能耗值比較 萬kW · h

7 結(jié)語及建議

通過南京地鐵10 號線車站環(huán)控系統(tǒng)模擬運行方案與實際運行方案能耗對比可知，模擬運行方案優(yōu)于實際運行方案，可以此為依據(jù)修改環(huán)控系統(tǒng)控制程序，以實現(xiàn)在滿足車站舒適度的前提下，設(shè)備更經(jīng)濟節(jié)能地自動運行。優(yōu)化方案還可從以下兩方面入手：一方面是根據(jù)室外氣象、列車運行安排與客流量確定第二日的環(huán)境參數(shù)，制定相應(yīng)的運行模式；另一方面是采用在線測試的方式，根據(jù)室內(nèi)、室外氣象條件的變化參數(shù)使用變頻調(diào)風機轉(zhuǎn)速的方法調(diào)整站內(nèi)設(shè)定值，不斷的修正運行模式。