肖賓杰，黃亮亮

（隧道股份上海城建設(shè)計(jì)集團(tuán)，上海市 200125）

根據(jù)上海軌道交通運(yùn)營線路的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，軌道交通地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個(gè)車站總用電量的50%～60%，在運(yùn)營成本中占比較大[1，2]。為貫徹國家有關(guān)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的法規(guī)和政策，考慮提高空調(diào)的能源利用效率，優(yōu)化和改善夏熱冬冷地區(qū)軌道交通車站熱環(huán)境制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是地鐵節(jié)能的重要措施。

上海軌道交通17號(hào)線是中心城向青浦區(qū)輻射的放射線，是貫穿青浦區(qū)東西客運(yùn)走廊的通道。線路全長約35.343 km。根據(jù)現(xiàn)有車站情況，單一車站年耗電量約130萬kWh，全線實(shí)施節(jié)能控制的預(yù)期節(jié)能效果顯著。

1 節(jié)能需求分析

夏熱冬冷地區(qū)主要指長江中下游及周圍區(qū)域，夏季悶熱，冬季濕冷，氣溫日較差小，地鐵系統(tǒng)需夏季防熱、通風(fēng)降溫，冬季通風(fēng)換氣。地鐵作為城市公共交通骨干網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)超過50%的交通疏導(dǎo)作用，同時(shí)是耗電大戶，其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)耗電量占車站用電的30%～40%，節(jié)能措施顯得尤為重要。

暖通空調(diào)容量設(shè)計(jì)按照地鐵運(yùn)行遠(yuǎn)期最大負(fù)荷需求選擇，實(shí)際運(yùn)營中負(fù)荷率低于50%的運(yùn)行小時(shí)數(shù)占全部運(yùn)行時(shí)間40%以上，若通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)容量運(yùn)行，必將造成很大能源浪費(fèi)。目前，國內(nèi)大部分地鐵車站暖通空調(diào)系統(tǒng)還沒有全部采用節(jié)能控制技術(shù)，分析地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)功能需求，在保障地鐵環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可有效降低其能耗[4，5]。

地鐵車站立足以最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，提供一個(gè)投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間。上海地處夏熱冬冷區(qū)域，基于現(xiàn)狀及運(yùn)營和管理需求，車站在冬季保證換氣通風(fēng)；夏季需要制冷和通風(fēng)。

就能耗而言，地鐵暖通耗能達(dá)到總用能40%以上，以上海7號(hào)線嵐皋路站為例，空調(diào)季節(jié)車站暖通空調(diào)設(shè)備的月耗電量達(dá)到180 210 kWh，5個(gè)月空調(diào)季耗電量達(dá)到901 050 kWh；7個(gè)月通風(fēng)季節(jié)的通風(fēng)設(shè)備用能為396 480 kWh；根據(jù)該項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，單一車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)耗電量月為130萬kWh[1-3]；結(jié)合地區(qū)氣候特點(diǎn)，研究車站制冷系統(tǒng)節(jié)能非常必要和迫切。若節(jié)能率提升10%，單個(gè)車站即可全年節(jié)能13萬kWh，按照上海現(xiàn)有395座車站測算，全年節(jié)能5 135萬kWh，因此如何減少通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗具有突出意義，也是是軌道交通節(jié)能工作亟需解決的核心問題。

2 匯金路站通風(fēng)空調(diào)節(jié)能控制要求

2.1 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

匯金路站是17號(hào)線單體建筑面積規(guī)模最大的車站，呈東西走向布設(shè)于盈港東路下方，騎跨盈港東路與匯金路交叉路口，緊鄰青浦新城東片大社區(qū)。車站為地下一層側(cè)式車站，側(cè)站臺(tái)寬度7 m，中心里程SK17+995.310。車站總長度為471 m，總建筑面積26 263 m2，設(shè)4個(gè)出入口及4組風(fēng)亭，見圖1。

圖1 匯金路站平面圖

城市軌道交通的車站包括地下車站及高架車站，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于地下車站的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)，以匯金路站為例包括車站站廳、站臺(tái)公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)及防排煙系統(tǒng)（大系統(tǒng)）；車站車行區(qū)隧道通風(fēng)及防排煙系統(tǒng)，簡稱排熱系統(tǒng)；機(jī)電設(shè)備用房和人員管理用房的通風(fēng)空調(diào)及防排煙系統(tǒng)（小系統(tǒng)）；空調(diào)水系統(tǒng)（水系統(tǒng)）。大系統(tǒng)通常采用全空氣一次回風(fēng)中央空調(diào)系統(tǒng)，冷源通常采用螺桿式冷水機(jī)組。高架車站公共區(qū)一般自然通風(fēng)，設(shè)備管理用房空調(diào)通常采用變制冷劑流量的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)組成圖

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，匯金路站采用的典型屏蔽門制式地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包含區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站軌行區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)、車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）、設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、制冷空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)。區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)由4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)（TVF）組成，用于隧道區(qū)間通風(fēng)、排煙。車站軌行區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)包含2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)（UOF），列車停站排除列車制動(dòng)和空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的余熱；火災(zāi)時(shí)配合TVF風(fēng)機(jī)用于排除隧道內(nèi)煙氣和控制煙氣流向。車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是一次回風(fēng)雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，車站左右兩端對(duì)稱布置，包括組合式空調(diào)箱，回排風(fēng)機(jī)和小新風(fēng)機(jī)組成。正常運(yùn)營時(shí)提供舒適環(huán)境的公共空間；當(dāng)車站站廳或者站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，排除煙氣。設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)分為空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)、排煙系統(tǒng)兩大類。制冷空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)兩大部分組成。為車站空調(diào)箱提供空調(diào)冷凍水，滿足空調(diào)季各種工況的冷負(fù)荷要求。

以上系統(tǒng)中的冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、空調(diào)箱、送排風(fēng)機(jī)等設(shè)備的總耗電量非常大，是時(shí)變動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，受季節(jié)、天氣、環(huán)境條件、客流量增減等多因素影響，始終波動(dòng)變化。

2.2 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能需求

地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備按照遠(yuǎn)期負(fù)荷選擇與實(shí)際負(fù)荷不匹配；地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的各系統(tǒng)還沒有整合成一個(gè)系統(tǒng)協(xié)同最優(yōu)化運(yùn)行。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，除了設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以外，其它各系統(tǒng)的設(shè)備容量都是按30年后遠(yuǎn)期最大客流計(jì)算選定，留有一定的余量。由于車站的負(fù)荷受早、晚高峰客流、室外氣溫等因素影響很大，一天的最大冷負(fù)荷的出現(xiàn)時(shí)間較短，車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間在低負(fù)荷運(yùn)行。制冷季節(jié)空調(diào)冷負(fù)荷多數(shù)時(shí)間比設(shè)計(jì)負(fù)荷低，供冷期間內(nèi)負(fù)荷率小于50%的運(yùn)行小時(shí)數(shù)一般約占全部運(yùn)行時(shí)間的40%以上，車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大。

地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能，要求充分分析車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)不同工況下運(yùn)行模式，依據(jù)室外溫度和焓值，調(diào)整風(fēng)機(jī)和閥門運(yùn)行狀態(tài)。雖然地鐵站通風(fēng)空調(diào)各系統(tǒng)各自實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，但是各系統(tǒng)之間并沒有真正實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)聯(lián)調(diào)，整個(gè)地鐵站通風(fēng)空調(diào)的運(yùn)行還需要專業(yè)人員統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行。車站制冷空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能采用群控；公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變頻控制，水系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)沒有建立協(xié)同聯(lián)動(dòng)關(guān)系，不能實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。尋找“風(fēng)—水”系統(tǒng)的匹配和協(xié)同控制方法，有望提升節(jié)能率。

3 匯金路站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)方案

通過已有節(jié)能改造車站的能量消耗分析；需從用能管理、節(jié)能控制、設(shè)備節(jié)能等三個(gè)角度，分析和考慮軌道交通車站的制冷系統(tǒng)節(jié)能，見圖3。

圖3 節(jié)能優(yōu)化分析圖

節(jié)能管理應(yīng)提供實(shí)時(shí)能耗的信息和關(guān)鍵能和指標(biāo)；節(jié)能控制利用天氣、客流、突發(fā)情況實(shí)時(shí)調(diào)整，采取主動(dòng)負(fù)荷預(yù)測；基于風(fēng)水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，實(shí)時(shí)優(yōu)化以最小化過剩供給，并動(dòng)態(tài)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行效率。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

上海市軌道交通17號(hào)線項(xiàng)目公司根據(jù)申通地鐵集團(tuán)要求，全線地下車站需要設(shè)置“風(fēng)—水”聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，匯金路站車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)“風(fēng)-水”聯(lián)動(dòng)智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了“集中管理、分散控制”的控制思想，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖4，采集實(shí)時(shí)設(shè)備能效數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)建模，自動(dòng)更新，真實(shí)反映現(xiàn)場能耗狀況并實(shí)時(shí)控制并優(yōu)化確定設(shè)計(jì)方案：

“風(fēng)-水”聯(lián)動(dòng)控制平臺(tái)與變流量智能控制子系統(tǒng)、各變風(fēng)量智能控制子系統(tǒng)、軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)智能控制節(jié)能子系統(tǒng)之間互相協(xié)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

同時(shí)，各控制子系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)控制子系統(tǒng)應(yīng)擁有一個(gè)獨(dú)立的中央控制器，可在現(xiàn)場控制柜上實(shí)現(xiàn)本地邏輯連鎖及保護(hù)控制，控制動(dòng)作的執(zhí)行分散到各個(gè)控制柜上執(zhí)行，可有效避免因通信中斷、管理平臺(tái)失效等因素而造成系統(tǒng)控制失效的問題。

圖4 制冷控制系統(tǒng)圖

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是的風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)互相影響，由于室內(nèi)溫度控制對(duì)象是復(fù)雜的大滯后溫度對(duì)象，建模和精確控制困難。但通過控制各末端組合式空調(diào)換熱器的冷凍水閥可建立兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，以能量分配平衡的動(dòng)態(tài)水力平衡控制冷水機(jī)組，見圖5。

圖5 “風(fēng)-水”協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)框圖[1]

中央空調(diào)主機(jī)運(yùn)行效率隨冷卻水流量的增加、冷卻水溫度的降低而提高，而冷卻水流量的增加、冷卻水溫度的降低勢必需要冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)消耗更多的電量，主機(jī)與冷卻水泵、冷卻風(fēng)機(jī)能耗成上開口拋物線，拋物線的最低點(diǎn)為主機(jī)與冷卻系統(tǒng)能耗最低點(diǎn)，優(yōu)化冷卻水流量、溫度目標(biāo)，可提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。風(fēng)水耦合控制設(shè)計(jì)方案見圖6。

圖6 風(fēng)水耦合控制設(shè)計(jì)方案

在系統(tǒng)末端控制中，大風(fēng)量小流量、小風(fēng)量大流量均能實(shí)現(xiàn)既定的負(fù)荷目標(biāo)，以系統(tǒng)總能耗為目標(biāo)。若末端負(fù)荷升高，系統(tǒng)回風(fēng)溫度會(huì)高于目標(biāo)設(shè)定值，需增大風(fēng)量和水量，可采用加大的不同風(fēng)量或水量的不同工況，通過分析不同工況下的能耗狀況，以功耗最低的組合為目標(biāo)。

通過對(duì)系統(tǒng)各種工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)的采集、計(jì)算并記錄處理機(jī)組的輸出能量，結(jié)合系統(tǒng)特性、循環(huán)周期、歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)測未來時(shí)刻系統(tǒng)的負(fù)荷，從而確定制冷量和送風(fēng)量大小，從而使負(fù)荷需求與冷量供給的聯(lián)動(dòng)，實(shí)時(shí)確保供端與需端的最佳匹配，減少產(chǎn)生的冷量浪費(fèi)。通過回風(fēng)溫濕度，計(jì)算負(fù)荷區(qū)域露點(diǎn)溫度，用于設(shè)定送風(fēng)溫度，保證送風(fēng)溫度在負(fù)荷區(qū)域露點(diǎn)溫度之上，不產(chǎn)生凝露，降低風(fēng)機(jī)能耗。根據(jù)混風(fēng)露點(diǎn)溫度，計(jì)算表冷器入口溫度最佳值，用于重設(shè)冷水機(jī)組出水溫度，在保證環(huán)境濕度要求邊界條件下，最大限度降低潛熱消耗，冷水機(jī)組出水溫度綜合考慮冷水機(jī)組的效率及空調(diào)箱風(fēng)機(jī)的效率達(dá)到最佳平衡，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)。

同時(shí)，火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制提高車站安全性；控制系統(tǒng)預(yù)留火災(zāi)報(bào)警接入接口，并設(shè)置火災(zāi)模式，當(dāng)車站任何一個(gè)地方發(fā)生火災(zāi)，控制系統(tǒng)切換至火災(zāi)模式，并根據(jù)既定策略對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備發(fā)出動(dòng)作指令。結(jié)合火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制和節(jié)能控制的節(jié)能自動(dòng)化控制設(shè)備見圖7。

圖7 節(jié)能自動(dòng)化控制設(shè)備

設(shè)置能效管控平臺(tái)（見圖8）可對(duì)多個(gè)地鐵站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測和管理，管理人員可在能效管控平臺(tái)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，當(dāng)一個(gè)車站某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，會(huì)在滾動(dòng)報(bào)警窗內(nèi)進(jìn)行報(bào)警，提示管理人員。全面獲取和分析全過程節(jié)能狀態(tài)信息和故障信息，利用手機(jī)APP，提高數(shù)據(jù)利用效率和便捷性。

圖8 全過程能效管控平臺(tái)展示圖

4 節(jié)能控制效果

針對(duì)溫度控制對(duì)象大滯后及建模困難特點(diǎn)，基于負(fù)荷預(yù)測的模糊控制、基于系統(tǒng)效率最佳的冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化控制實(shí)施后，系統(tǒng)就制冷控制的參數(shù)做優(yōu)化處理，利用風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)協(xié)同控制的節(jié)能自動(dòng)化控制、全過程能效管控平臺(tái)，經(jīng)進(jìn)化改進(jìn)算法，在系統(tǒng)試運(yùn)行階段運(yùn)行良好。

節(jié)能測試對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備，采用本次活動(dòng)措施后的節(jié)能控制和未采用節(jié)能措施（定流量、定風(fēng)量方式運(yùn)行）的能耗進(jìn)行對(duì)比測試。在空調(diào)負(fù)荷基本相同，外部氣候條件相近條件下，將采用本次活動(dòng)措施后的節(jié)能控制(對(duì)應(yīng)變流量能耗)和未采用節(jié)能措施的定流量、定風(fēng)量模式交替運(yùn)行相同的天數(shù)，分別對(duì)能耗進(jìn)行測試、記錄和對(duì)比，得到節(jié)能率。

在調(diào)試階段，對(duì)一組冷水機(jī)組通過對(duì)比測試，未采用節(jié)能措施的定流量、定風(fēng)量模式月耗電量和節(jié)能模式的統(tǒng)計(jì)分析，采用專業(yè)化的節(jié)能優(yōu)化控制模型，自動(dòng)跟蹤負(fù)荷變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍水、冷卻水流量、大系統(tǒng)風(fēng)量，保持系統(tǒng)高效運(yùn)行，最大限度挖掘節(jié)能空間，初期統(tǒng)計(jì)節(jié)能率為32%，達(dá)到較好節(jié)能效果，降低了車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗成本，提高系統(tǒng)長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

節(jié)能減排是全社會(huì)關(guān)注的關(guān)鍵問題，對(duì)軌道交通用能占比達(dá)到40～50%的暖通空調(diào)系統(tǒng)開展節(jié)能設(shè)計(jì)攻關(guān)意義突出。本文在已有的上海市軌道交通節(jié)能改造基礎(chǔ)上，以匯金路站為例開展節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果已成功應(yīng)用于上海軌道交通17號(hào)線全線，取得了較好的效果，基于控制理論的風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)聯(lián)控自動(dòng)化節(jié)能控制，克服了因客流引起的負(fù)荷變化、環(huán)境溫濕度變化、設(shè)備影響等多種干擾因素，對(duì)有較大遲滯的溫度對(duì)象實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，以基于負(fù)荷預(yù)測及反饋控制理論為核心的自動(dòng)化節(jié)能控制方案可推廣至其他新建線路。