張振海 田小芳 蔣建煒 李涵驍 蔣哲人

1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心 2.北京市地鐵運(yùn)營有限公司3.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 4.同方節(jié)能工程技術(shù)有限公司

1 研究內(nèi)容和方法

本文首先構(gòu)建了軌道交通綠色站點(diǎn)內(nèi)涵體系；其次對綠色站點(diǎn)的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究與分析；再次探討了軌道交通站點(diǎn)重點(diǎn)的能源、資源節(jié)約技術(shù)；最后以北京地鐵8號線為主，在全路網(wǎng)多個站點(diǎn)，對包括通風(fēng)空調(diào)能源管理與在線診斷技術(shù)、中央空調(diào)全自動清洗技術(shù)在內(nèi)的多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了示范應(yīng)用，如下圖。

2 主要研究成果

2.1 軌道交通綠色站點(diǎn)理念及內(nèi)容

軌道交通綠色站點(diǎn)就是在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營等階段要考慮綠色技術(shù)，在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗、生態(tài)平衡、人文景觀、安全舒適等問題上達(dá)到人與自然和諧、具有良好的可持續(xù)發(fā)展的軌道交通站點(diǎn)。

圖 城軌交通車站環(huán)境安全策略研究路線

軌道交通綠色站點(diǎn)以節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)為價值尺度，運(yùn)用各種技術(shù)手段，在確保安全、快捷、高效的條件下，減小能源消耗以及對環(huán)境的負(fù)面影響，同時有良好的經(jīng)濟(jì)效果和可持續(xù)發(fā)展能力。主要考慮在城市軌道交通全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)高效、安全地運(yùn)載乘客的同時，減少對環(huán)境的污染，為乘客提供舒適、健康、便捷的乘車體驗(yàn)。

軌道交通綠色站點(diǎn)內(nèi)涵體系包括：能源資源節(jié)約策略與措施，環(huán)境治理策略與措施。能源資源節(jié)約策略與措施從節(jié)地、節(jié)電、節(jié)水方面，通過采取相關(guān)技術(shù)及設(shè)備措施，實(shí)現(xiàn)節(jié)能；環(huán)境治理策略與措施從空氣質(zhì)量檢測、通風(fēng)模式優(yōu)化等方面，通過采取相關(guān)技術(shù)及設(shè)備措施，使站點(diǎn)環(huán)境友好，提升舒適度。

2.2 軌道交通站點(diǎn)照明系統(tǒng)能耗

根據(jù)《城市軌道交通照明》（GBT 16275-2008）要求，當(dāng)被測房間或場所實(shí)測照度值滿足照度標(biāo)準(zhǔn)時，其照明功率密度實(shí)測值（LPDc）站臺和出入口不應(yīng)大于9.0、站廳不應(yīng)大于10.0。而目前車站的照明模式多分為全開和節(jié)能兩種模式，以森林公園南門站為例，實(shí)測的功率密度，見表1。

表1 不同照明模式下實(shí)測的森林公園南門站各區(qū)域照明密度

針對照明系統(tǒng)的能耗，本項(xiàng)目重點(diǎn)比較了LED燈（15號線）與熒光燈（5號線）2015～2016年的能耗情況，從中發(fā)現(xiàn)：在滿足設(shè)計照度的情況下，合理分配照明適度，切換照明模式可有效的降低功率密度，同時節(jié)約能源；經(jīng)過照明節(jié)能改造、燈具以LED節(jié)能燈為主的車站，其照明系統(tǒng)的折算功率密度比沒有經(jīng)過節(jié)能改造、燈具以傳統(tǒng)日光燈為主的車站的照明系統(tǒng)折算功率密度要低很多，即經(jīng)過LED節(jié)能燈具改造的車站照明系統(tǒng)能源利用效率更高。

此外本研究還對8號線各站照明系統(tǒng)模式表按照運(yùn)營節(jié)能要求進(jìn)行了修改，主要為BAS系統(tǒng)PLC程序修改和ISCS工作站模式對照表的修改，修改完成后運(yùn)營人員可隨意對全站照明回路各個照明模塊的開啟/關(guān)閉情況進(jìn)行組合，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.3 軌道交通站點(diǎn)電扶梯系統(tǒng)能耗

本研究在車站內(nèi)電扶梯系統(tǒng)全年耗能趨勢分析的基礎(chǔ)上，以每天的運(yùn)營時間為一個計量周期，對早高峰、平峰以及晚高峰三個時間段內(nèi)不同驅(qū)動和提升高度的上、下行扶梯分別進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)電扶梯的能耗與實(shí)際客運(yùn)量有直接的正比關(guān)系，而與運(yùn)行方向（上、下行）關(guān)系不大。

2.4 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能重點(diǎn)在于結(jié)合地鐵車站熱環(huán)境的特點(diǎn)對設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化的控制和運(yùn)行。在地鐵車站熱環(huán)境的研究方面，已有相關(guān)研究對其進(jìn)行了論述：朱培根、朱穎心等提出了水力網(wǎng)絡(luò)流動不穩(wěn)定過程的算法，以及分析長期不穩(wěn)定傳熱的特征值法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS[1]。對于活塞風(fēng)對站臺的影響，李先庭用CFD方法（計算流體力學(xué)）進(jìn)行了數(shù)值模擬[2]，李曉鋒則用示蹤氣體實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)際測試[3-4]，江泳等學(xué)者研究了車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略[5]。上述研究為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能奠定了良好基礎(chǔ)。然而，隨著地鐵建設(shè)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了新的站臺形式（全屏蔽、半屏蔽），空調(diào)需求發(fā)生了改變，既有研究成果已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的需求，在車站冷負(fù)荷構(gòu)成、空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)模擬、高魯棒性控制策略等方向上亟待研究，并需要在此基礎(chǔ)上提出能夠適應(yīng)車站現(xiàn)狀的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行策略。

本研究采集了2015和2016年北京地鐵1號線、2號線和10號線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)平均單位面積年耗電量，發(fā)現(xiàn)采用空調(diào)制式比機(jī)械通風(fēng)制式的要節(jié)能，見表2。

表2 不同制式的通風(fēng)空調(diào)能耗比較

為了實(shí)現(xiàn)對車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的精細(xì)化能源管理，項(xiàng)目組開發(fā)了通風(fēng)空調(diào)能源管理與在線診斷系統(tǒng)，在森林公園南門站搭建了能源管理與在線診斷系統(tǒng)的自控體系的硬件架構(gòu)，充分利用了該站通風(fēng)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備，并對其進(jìn)行了系統(tǒng)升級改造，同時完善了傳感器采集范圍。從而可以采集到更加全面的數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷，保證數(shù)據(jù)傳輸有效、準(zhǔn)確，控制更加精細(xì)化?，F(xiàn)場運(yùn)維人員對影響能耗的問題進(jìn)行了針對性的處理，之后系統(tǒng)的能效水平得到了明顯提升。

2.5 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)水研究

本研究首先收集了2016年北京地鐵除4號線和14號線以外其它線路的水資源消耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計范圍內(nèi)約80%的車站用水量高于175L/（萬人次·d），約20%的車站超過了419L/（萬人次·d），平均車站每萬人次每日用水量252.50L/（萬人次·d）。約80%的車站用水量高于11.3m3/（站·d），約20%的車站超過了29.5m3/（站·d），平均車站每日用水量21.11m3/（站·d）。車站的水資源消耗多集中在夏天空調(diào)季，其中的主要原因是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用水所致，而衛(wèi)生間用水在各個季節(jié)變化不是很明顯。

由于每座地下車站均設(shè)置了中央空調(diào)系統(tǒng)，中央空調(diào)系統(tǒng)采取的是循環(huán)冷卻水降溫方式，中央空調(diào)水系統(tǒng)在運(yùn)行時需要做水質(zhì)處理、定時排污、監(jiān)測水樣等工作，循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)管理的好壞對制冷設(shè)備的工作狀態(tài)、效率影響較大，與空調(diào)系統(tǒng)能耗、水耗相關(guān)性極大，為提高水質(zhì)處理管理的水平，尋求適用于地鐵現(xiàn)狀的水質(zhì)處理方式，本研究以北京地鐵三條線路的10座車站為點(diǎn)，于2017年空調(diào)季對八種水處理技術(shù)（旁流過濾+在線吸垢析、旁流過濾+HT交變電場、旁流過濾+BTS自動膠球清洗機(jī)、旁流過濾+電解全效綜合處理、旁流過濾+電化學(xué)析垢裝置、旁流過濾+電子除垢系統(tǒng)、旁流電解析垢器、熒蹤迅彩智控水處理裝置）集中進(jìn)行了試驗(yàn)。

我們對處理前后水質(zhì)水樣的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)、氯離子含量、總硬度、總堿度和總磷等做了對比分析。結(jié)合采集的10座車站處理前后冷凝器同部位銅管內(nèi)壁照片，發(fā)現(xiàn)：適用于軌道交通地下車站空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)處理的方案應(yīng)是一套組合方案：旁流過濾+電解法水處理+膠球清洗裝置組合應(yīng)用較為理想；傳統(tǒng)的旁流過濾+加藥控制方案應(yīng)為最穩(wěn)定的方案，該方案應(yīng)增加膠球清洗裝置，同時應(yīng)采用指示劑標(biāo)定控制水系統(tǒng)藥劑濃度，以獲得最優(yōu)的水質(zhì)處理、腐蝕控制、菌澡控制效果。

2.6 車站室內(nèi)空氣質(zhì)量測試

本研究根據(jù)北京地鐵的站點(diǎn)特征、站點(diǎn)類型、線路的服役時長等因素，綜合了季節(jié)、氣候和天氣狀況等條件，選取了換乘站鼓樓大街和南鑼鼓巷、普通站森林公園南門、半地上換乘站霍營等四座車站，測量了PM10、PM2.5、NO2等污染物含量，分析了車站室內(nèi)空氣質(zhì)量與車站室外天氣狀況、屏蔽門的有無和客流量大小之間的關(guān)系。

通過車站室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)：軌道站點(diǎn)內(nèi)部空氣質(zhì)量以輕度污染及以上為主；軌道站點(diǎn)內(nèi)部空氣質(zhì)量受到外部空氣質(zhì)量、屏蔽門高度、客流、通風(fēng)模式等影響；軌道站點(diǎn)內(nèi)部自生污染以PM10為主，內(nèi)循環(huán)有利于將外界的污染物隔離在外，但是不利于自生的污染物的擴(kuò)散；全封閉式屏蔽門有利于將軌道站點(diǎn)自生的污染控制在內(nèi)；顆粒物濃度與客流量呈良好的正相關(guān)性。

3 結(jié)論

本研究通過文獻(xiàn)資料和現(xiàn)場咨詢調(diào)研，梳理了軌道交通行業(yè)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用、能源和資源管理現(xiàn)狀，

在總結(jié)政策、規(guī)章制度及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，形成了軌道交通綠色站點(diǎn)內(nèi)涵體系。分析了軌道交通站點(diǎn)現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)節(jié)能效果，評估了既有設(shè)備及運(yùn)行策略能效水平，研究了節(jié)能新技術(shù)、節(jié)能信息化管理措施，形成了軌道交通站點(diǎn)節(jié)能技術(shù)改善策略方案，開展了關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用及效果研究，并進(jìn)行了軌道交通站點(diǎn)內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量水平分析。特別是在機(jī)電設(shè)備方面，本研究以北京地鐵機(jī)電系統(tǒng)為研究對象，重點(diǎn)研究地鐵車站的節(jié)能解決方案，包括通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，研究如何通過節(jié)能改造和自控優(yōu)化實(shí)現(xiàn)地鐵車站的節(jié)能減排。本研究既包含對既有節(jié)能技術(shù)的調(diào)研、對比、分析和綜合，也包括新技術(shù)的研發(fā)和試用，在保證車站功能需求的前提下，大幅降低車站運(yùn)行能耗，對實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能減排具有重要作用。