基于城市軌道交通智慧車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境的暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究

陳麗涵 彭瑋 王曉霞

【摘 ?要】 地鐵的能源消耗主要來自通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，在整體能耗中占比約30%，在南方地區(qū)更高，甚至達(dá)到45%～50%。在需要空調(diào)供應(yīng)的季節(jié)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗甚至占到地鐵站點(diǎn)總能耗的60%～70%，成為地鐵站內(nèi)的主要耗電設(shè)備。因此，采用合理的通風(fēng)空調(diào)的節(jié)能控制方案是降低地鐵能耗的關(guān)鍵措施。

【關(guān)鍵詞】 通風(fēng)空調(diào)；地鐵車站；節(jié)能控制方案；風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

城市軌道交通是現(xiàn)代城市公共交通的重要組成部分，具有運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)性高等優(yōu)勢(shì)。然而，隨著地鐵線路的擴(kuò)建和客流量的增加，地鐵車站能源消耗問題日益凸顯。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地鐵車站的重要能耗設(shè)備之一，其能源消耗占比較大。因此，開展城市軌道交通智慧車站暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究，對(duì)降低地鐵車站能耗、提高能源利用效率而言具有重要意義。

一、城市軌道交通智慧車站的運(yùn)營(yíng)環(huán)境分析

城市軌道交通智慧車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境具備以下特點(diǎn)：

1. 高客流量：作為城市交通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，城鐵車站每天承載大量乘客。為了滿足這一需求，車站需要提供高效便捷的乘車服務(wù)，包括快速安檢、方便購(gòu)票以及舒適的候車環(huán)境。

2. 高密閉性：為確保乘客舒適度，車站通常采用封閉式設(shè)計(jì)，但這也意味著對(duì)站內(nèi)溫度、濕度的控制更為重要。封閉式設(shè)計(jì)帶來了較高的能耗，為了降低能耗，需要引入智能化設(shè)備進(jìn)行能源管理，并通過提高設(shè)備能效、優(yōu)化車站布局等方式實(shí)現(xiàn)。

3. 高能耗：由于客流量大且密閉性強(qiáng)，車站需要維持恒溫、恒濕的環(huán)境，因此能耗較高。智慧車站應(yīng)采取一系列節(jié)能措施，如使用智能化設(shè)備對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化控制。通過智能化設(shè)備，可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和溫度參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效地運(yùn)行。同時(shí)，引入可再生能源技術(shù)，如太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電，以減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，進(jìn)一步降低能源消耗。

二、暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

針對(duì)城市軌道交通智慧車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境的特點(diǎn)，文章提出了以下暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用：

1. 智能控制技術(shù)：引入先進(jìn)的智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)整。根據(jù)客流量和天氣情況自動(dòng)調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方案，以最大程度降低能耗。

2. 天然能源利用技術(shù)：充分利用站內(nèi)的天然能源，如太陽(yáng)能、地?zé)岬?。例如，利用地源熱泵技術(shù)為車站提供冷暖服務(wù)，并通過太陽(yáng)能集熱器向車站供應(yīng)熱水。

3. 高效設(shè)備與系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)：選用高效、低耗的暖通空調(diào)設(shè)備，如高效壓縮機(jī)、低阻高效過濾器等。同時(shí)，通過降低系統(tǒng)阻力、提高熱交換效率等措施對(duì)暖通系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4. 冷凝水回收再利用技術(shù)：將空調(diào)系統(tǒng)的冷凝水回收并處理后，用于車站內(nèi)環(huán)境的加濕、冷卻等需求。這既節(jié)約了水資源，又降低了能耗。

5. 能量回收技術(shù)：運(yùn)用專門的排風(fēng)能量回收裝置，如高效的全熱交換器，捕獲排風(fēng)中蘊(yùn)含的能量，并將其轉(zhuǎn)化為可再利用的資源。

6. 能源管理智能化平臺(tái)：實(shí)行對(duì)站內(nèi)各類設(shè)備能耗的實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)分析。借助先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)能源管理的智能化與高效化，提升能源利用效率。

三、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例

以某地鐵線路為例，本研究詳細(xì)介紹了風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。該系統(tǒng)通過集成空調(diào)水系統(tǒng)、大系統(tǒng)和小系統(tǒng)等被控對(duì)象，采用主動(dòng)尋優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的全面智能化控制和管理?？照{(diào)水系統(tǒng)采用冷凍水變頻控制策略，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整冷凍泵的運(yùn)行頻率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。同時(shí)，系統(tǒng)還配備了溫濕度感應(yīng)器、CO2感應(yīng)器等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車站內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，為智能控制提供數(shù)據(jù)支持。

（一）空調(diào)水系統(tǒng)

1. 冷凍水變頻控制策略

通過實(shí)施冷凍水的變頻調(diào)節(jié)，能夠精準(zhǔn)控制供回水壓差值，使得風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷變化進(jìn)行靈活調(diào)整。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，確保冷凍水的穩(wěn)定供應(yīng)。這種調(diào)節(jié)方式不僅提高了能源利用效率，還確保了空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和舒適環(huán)境的營(yíng)造。

以前述地鐵線為例，系統(tǒng)內(nèi)的冷凍水泵采用變頻變流控制的方式。這種控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷和冷凍水循環(huán)狀態(tài)的全面監(jiān)控，為系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行和節(jié)能管理提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2. 冷凍水變頻控制方式

每臺(tái)冷凍水泵均搭載變頻器，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速。結(jié)合采用固定溫度差控制策略和最低壓差保護(hù)控制策略，效果顯著。

（1）采用PID控制策略（如圖1所示），通過安裝在冷凍供回水管路表面的溫度傳感器來調(diào)節(jié)冷凍水泵的頻率，實(shí)時(shí)測(cè)量管路水溫，并計(jì)算管路水溫與設(shè)定值的差異。根據(jù)PID操作策略，確保在變頻控制調(diào)節(jié)過程中顯示的轉(zhuǎn)速滿足系統(tǒng)所需的溫度差。

（2）通過安裝在冷凍水供回水管道上的壓力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量管道的實(shí)際壓力，并據(jù)此計(jì)算出供回水之間的壓差。這個(gè)計(jì)算出的壓差會(huì)與預(yù)設(shè)的壓差值進(jìn)行比較（以樣板站為例，默認(rèn)設(shè)置為0.2bar，但可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況在后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行靈活調(diào)整）。一旦實(shí)際測(cè)得的壓差低于設(shè)定的壓差，系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)PID操作，通過智能算法調(diào)節(jié)冷凍水泵的運(yùn)行頻率，以增加水流量，確保供回水之間的壓差維持在設(shè)定范圍內(nèi)。通過這樣的智能化調(diào)節(jié)，不僅能夠確保冷凍水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

（二）冷水機(jī)組控制策略

1. 控制冷水機(jī)組的策略

（1）當(dāng)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)接收到開機(jī)指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間較短的機(jī)組，以確保機(jī)組間的平衡使用和延長(zhǎng)機(jī)組壽命。

（2）待首臺(tái)螺桿機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)并經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后，系統(tǒng)將檢測(cè)冷水機(jī)組的容量百分率。若當(dāng)前負(fù)荷率百分比超過預(yù)設(shè)的加機(jī)閾值，并且冷凍水總供水溫度持續(xù)超過設(shè)定值達(dá)20分鐘（該時(shí)間可調(diào)），系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)另一臺(tái)冷水機(jī)組，以滿足更高的冷卻需求。

（3）當(dāng)兩臺(tái)冷水機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)它們的當(dāng)前容量百分比進(jìn)行延時(shí)檢測(cè)。如果兩臺(tái)機(jī)組的平均負(fù)荷率百分比低于預(yù)設(shè)的減機(jī)閾值，并且這種低負(fù)荷狀態(tài)持續(xù)達(dá)10分鐘（該時(shí)間可調(diào)），系統(tǒng)將減少一臺(tái)冷水機(jī)組的運(yùn)行，以節(jié)省能源和減少不必要的磨損。

（4）當(dāng)冷水機(jī)組數(shù)量減少至僅剩一臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)將停止進(jìn)一步的減載操作，以確保至少有一臺(tái)機(jī)組在運(yùn)行，維持基本的冷卻需求。

（5）在末端冷卻需求較低，僅有一臺(tái)冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)，若該機(jī)組負(fù)荷降至25%并處于減載待機(jī)狀態(tài)，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)將接收到冷水機(jī)組的待機(jī)信號(hào)。此時(shí)，系統(tǒng)將保持冷水泵的運(yùn)行，以維持冷水管內(nèi)的水流循環(huán)。當(dāng)冷水管溫度升高至需要加載時(shí)，冷水機(jī)組將自動(dòng)加載并開機(jī)，隨后風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)將繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在相同工況下，凍水出水溫度在同等工況下每提高1攝氏度，機(jī)組可節(jié)能約3%。啟用冷水機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)室外溫濕度智能重置2臺(tái)冷水機(jī)組出水溫度。設(shè)定邏輯如下：

（1）冷水機(jī)組出水溫度隨室外溫度變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同環(huán)境需求。

（2）系統(tǒng)根據(jù)末端冷負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整冷水機(jī)組出水溫度，確保精準(zhǔn)滿足冷卻需求。

（3）通過主動(dòng)尋優(yōu)控制邏輯，系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)冷水機(jī)組出水溫度，實(shí)現(xiàn)最佳能效。

2. 空調(diào)大系統(tǒng)控制策略

根據(jù)回風(fēng)溫度調(diào)節(jié)大系統(tǒng)空調(diào)箱頻率，按空調(diào)箱體送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)大系統(tǒng)二通閥。通過兩個(gè)不同傳感器消除系統(tǒng)干擾，利用兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量和水量。根據(jù)室外氣候值大小及末端負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)大系統(tǒng)。

全新風(fēng)模式下大系統(tǒng)空調(diào)箱早上開啟晚上關(guān)閉，小系統(tǒng)空調(diào)箱24小時(shí)全開。在通風(fēng)模式下，大系統(tǒng)空調(diào)箱體頻率（變頻變風(fēng)量）按相關(guān)規(guī)則控制，小新風(fēng)模式下用回風(fēng)溫度做反饋控制表冷閥開度，全新風(fēng)模式下用站廳/站臺(tái)平均溫度做反饋控制表冷閥開度，通風(fēng)模式下表冷閥全關(guān)。

3. 空調(diào)小系統(tǒng)控制策略

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制，負(fù)荷上升時(shí)優(yōu)先調(diào)節(jié)二通閥開度，達(dá)最大后調(diào)送風(fēng)機(jī)頻率；負(fù)荷降低時(shí)則先調(diào)送風(fēng)機(jī)頻率至最低，再調(diào)二通閥開度，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

小系統(tǒng)的回風(fēng)溫度設(shè)定值和送風(fēng)溫度設(shè)定值是根據(jù)室外氣量的大小和負(fù)荷預(yù)測(cè)模型動(dòng)態(tài)調(diào)整的，以保證小系統(tǒng)的冷量輸出與終端需求相匹配。

4. 主動(dòng)尋優(yōu)控制策略

通過預(yù)測(cè)地鐵站人流量變化，建立遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。相較于傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該模型預(yù)測(cè)誤差降低了約10%，這一模型不僅提高了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，還有助于地鐵站優(yōu)化運(yùn)營(yíng)管理和提升乘客體驗(yàn)。分析室內(nèi)熱源和新風(fēng)負(fù)荷影響因素，得出人員冷負(fù)荷、滲透風(fēng)冷負(fù)荷、設(shè)備冷負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷計(jì)算模型，以預(yù)測(cè)人流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)車站冷負(fù)荷結(jié)果。結(jié)果表明，室內(nèi)熱源冷負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷均不斷波動(dòng)，其高峰和低谷冷負(fù)荷之差較大，不能忽視其波動(dòng)。分析地鐵站空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)換熱過程，分別以變風(fēng)量和定風(fēng)量運(yùn)行模式進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，在平常時(shí)段變風(fēng)量運(yùn)行模式比定風(fēng)量運(yùn)行模式更節(jié)能，而在高峰時(shí)段，定風(fēng)量運(yùn)行模式比變風(fēng)量運(yùn)行模式更節(jié)能。主動(dòng)尋優(yōu)系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵站空調(diào)系統(tǒng)控制時(shí)，該控制策略具有較好的溫度跟蹤性能，且在保證溫度效果的前提下，與實(shí)際系統(tǒng)相比，能源節(jié)省約12%。

四、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)與BAS控制系統(tǒng)的比較

（一）區(qū)別

1. 模式表發(fā)布的區(qū)別

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)天氣情況自動(dòng)判斷最適合的運(yùn)行模式，并在4、5、9、10月間多次切換模式，這種操作邏輯可充分利用室外低焓空氣，降低冷水機(jī)組的負(fù)荷率。而BAS控制系統(tǒng)在固定的月份（4月份）切換到全新風(fēng)模式，并在固定的月份（6月份）切換到小新風(fēng)模式，然后在固定的月份（10月份）切換到全新風(fēng)模式，最后在固定的月份（11月份）切換到通風(fēng)模式。

2. 冷凍水供水溫度控制的區(qū)別

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)定冷凍水機(jī)組冷凍水出水溫度，根據(jù)末端空調(diào)冷負(fù)荷需求和室外焓值變化，在7℃～12℃之間變化，提高冷凍水機(jī)組運(yùn)行。而BAS控制系統(tǒng)冷水機(jī)組冷凍水出水溫度長(zhǎng)期保持在7℃。

3. 末端風(fēng)量及變水量變化

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制方案，優(yōu)先調(diào)節(jié)電動(dòng)二通閥在末端負(fù)荷上升時(shí)的開度水量，末端負(fù)荷下降時(shí)優(yōu)先降低風(fēng)機(jī)頻率，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)風(fēng)機(jī)耗電少，系統(tǒng)整體能效更高。而BAS控制系統(tǒng)中，空調(diào)風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)設(shè)定值運(yùn)行，與末端冷負(fù)荷變化無直接關(guān)聯(lián)。

（二）結(jié)論

通過對(duì)軌道交通智慧站點(diǎn)運(yùn)營(yíng)環(huán)境中暖通節(jié)能技術(shù)的全面總結(jié)和深入探討，發(fā)現(xiàn)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)BAS控制系統(tǒng)相比，表現(xiàn)出更加突出的節(jié)能效果和更高的運(yùn)營(yíng)效率。這為城市軌道交通地下車站的暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展提供了極具參考價(jià)值的方向和策略。

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