盧海洋，尹 華?，郭華芳

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006；3.中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 引 言

地鐵憑借其快速、便捷、安全、舒適的技術(shù)優(yōu)勢，成為時(shí)下緩解日趨緊張的交通擁堵問題的最佳途徑，世界各大城市紛紛投入到了地鐵建設(shè)的浪潮。全球有43個(gè)城市的里程數(shù)已經(jīng)超過100 km，其中悉尼高達(dá)961 km，中國的上海和北京分別為617 km和609.8 km[1]。地鐵是許多城市的主要公共交通系統(tǒng)，每天為數(shù)百萬乘客提供服務(wù)。2012年，巴黎地鐵載客近15億人次，倫敦地鐵載客約11億人次，馬德里地鐵載客近7億人次[2]。2017年中國累計(jì)完成客運(yùn)量高達(dá)184.8億人次，其中北京、上海、廣州分別為37.8億、35.4億和28.1億人次。

地鐵網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常復(fù)雜的大規(guī)模公共交通服務(wù)系統(tǒng)，涉及多個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備，處于多層地下空間。地鐵網(wǎng)絡(luò)不僅需要達(dá)到極高的安全性，還必須為乘客提供最好的服務(wù)。為將地下空間轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝?、靈活、安全、舒適和衛(wèi)生的環(huán)境，必須使用大量高精度設(shè)備和系統(tǒng)，這也使得地鐵網(wǎng)絡(luò)成為了重要的能源消費(fèi)者，在區(qū)域?qū)用婢哂邢喈?dāng)大的影響[3]。倫敦地鐵是倫敦最大的電力消費(fèi)者，也是英國十大電力消費(fèi)者之一[4]；2017年中國內(nèi)地累計(jì)有34個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路5 033 km，耗電量122.3億kW·h，占2017年中國用電總量的1.94‰[5-6]。據(jù)規(guī)劃，中國全國軌道交通城市將達(dá)79個(gè)，總里程達(dá)13 385 km。隨著地鐵的不斷擴(kuò)張，其能量消耗在總耗能的比例也將不斷增長[7]。中國未來預(yù)計(jì)將達(dá)400億kW·h，約占未來全國總能耗的5‰[8]。地鐵網(wǎng)絡(luò)能耗中30%～50%的能耗為非牽引能耗[9]。與此同時(shí)，隨著整個(gè)地鐵網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)，例如新增服務(wù)的引進(jìn)，地鐵和廣場及商業(yè)一體化模式的開發(fā)，以及消費(fèi)者期望標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高[10]，都會(huì)導(dǎo)致裝機(jī)電力需求和車站能耗的增加。因此，地鐵車站能耗的節(jié)約迫在眉睫。

地鐵車站耗能系統(tǒng)涉及多種設(shè)備、多個(gè)系統(tǒng)、多個(gè)專業(yè)，各種裝置結(jié)構(gòu)形式多樣，能量轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)日新月異，要全面了解其發(fā)展動(dòng)態(tài)、詳細(xì)闡述并非易事。因此，僅從車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、照明節(jié)能和電梯節(jié)能三個(gè)方面進(jìn)行闡述。探索地鐵車站有效的節(jié)能技術(shù)措施和管理手段，降低運(yùn)行成本，對于城市軌道交通部門來說意義重大。

1 地鐵車站系統(tǒng)及能耗現(xiàn)狀

地鐵車站是乘客乘降、換乘和候車的重要場所，為給乘客提供一個(gè)安全、舒適、衛(wèi)生的環(huán)境，車站一般由供電、通信、信號(hào)、安全門、綜合監(jiān)控、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)售檢票、通風(fēng)空調(diào)、動(dòng)力照明、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)等系統(tǒng)構(gòu)成，主要能源消耗為電耗。按站臺(tái)的形式，車站可分為島式車站、側(cè)式車站和島側(cè)混合式車站三種。地鐵車站按功能可分為出入口、站廳、站臺(tái)、車站設(shè)備管理通用房（強(qiáng)電類用房、弱電類用房、管理房和其他機(jī)電用房）。出入口、通道、站廳、站臺(tái)等公共區(qū)約占地鐵總面積的50%。車站設(shè)備管理通用房通常設(shè)置在站廳/站臺(tái)公共區(qū)的兩端，在地面上還分別設(shè)置風(fēng)亭和冷卻塔（分散供冷）。

車站能耗可分為通風(fēng)空調(diào)、照明、電扶梯和其他能耗（以某城市為例，分別為46%、32%、8%和14%[8]）四種，其中通風(fēng)空調(diào)能耗最大，其次為照明負(fù)荷。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的水冷式壓縮制冷機(jī)和風(fēng)冷式冷卻塔提供冷源，如圖1所示：由于地鐵站公共區(qū)面積較大，通常在其A側(cè)和B側(cè)分別設(shè)置空調(diào)箱；冷凍水由位于A側(cè)的水冷式制冷機(jī)提供；風(fēng)冷式冷卻塔通常放置在地鐵站附近的地面上。按供冷方式可分為集中供冷和分散供冷。地鐵車站供冷面一般包括公共區(qū)（大系統(tǒng)）、管理房和強(qiáng)/弱電用房（小系統(tǒng)）。不同區(qū)域的設(shè)定溫度會(huì)有所差別（站廳 ＜ 29℃，站臺(tái) ＜ 27℃，管理房和弱電房 ＜ 27℃，強(qiáng)電房 ＜ 36℃），新風(fēng)的設(shè)置也不一樣（大系統(tǒng)的新風(fēng)量取人員最小新風(fēng)量、送風(fēng)量的15%、屏蔽門漏風(fēng)量的最大值，小系統(tǒng)的新風(fēng)量為送風(fēng)量的10%）。此外，地鐵車站還需配置車站排煙系統(tǒng)，隧道/軌道排風(fēng)/排煙系統(tǒng)。照明負(fù)荷通常分為三個(gè)等級(jí)：一級(jí)負(fù)荷主要包括事故照明、疏散誘導(dǎo)指示照明等；二級(jí)負(fù)荷主要包括一般照明和各類燈光指示牌；三級(jí)負(fù)荷主要指廣告照明等。不同功能區(qū)照度標(biāo)準(zhǔn)不一樣，根據(jù)GB/T16275-2008《城市軌道交通照明》，車站照度可分為10 lx、100 lx、150 lx、200 lx和300 lx五個(gè)等級(jí)。

圖1 典型的地鐵車站水冷式空調(diào)系統(tǒng)[33]Fig.1 Schematic profile of a typical metro water-cooling centralized air conditioning system

照明負(fù)荷中，環(huán)控設(shè)備區(qū)的照明負(fù)荷最大，約占一、二級(jí)負(fù)荷的53%，其次為廣告照明，約占三級(jí)負(fù)荷的60%[11]。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，大系統(tǒng)空調(diào)箱能耗最大（約43%），其次分別為小系統(tǒng)空調(diào)箱和回排風(fēng)機(jī)?？照{(diào)季節(jié)冷水機(jī)組的能耗最大，約為系統(tǒng)總能耗的50%，其次分別為冷卻水泵、冷凍水泵和空調(diào)箱[12]（圖2）?？照{(diào)的熱負(fù)荷主要來自乘客散熱散濕、出入口熱傳遞、新風(fēng)負(fù)荷、屏蔽門熱傳遞及滲透熱、設(shè)備及照明散熱等[13]。但通風(fēng)空調(diào)易受區(qū)域的影響，如中國華北地區(qū)環(huán)控能耗約占地鐵總能耗的30%[14]，而在華南地區(qū)可高達(dá)50%[15]。

此外，車站能耗還隨著車站建設(shè)年代、面積、客流量、出入口個(gè)數(shù)、是否設(shè)置屏蔽門、是否為高架站、是否為中轉(zhuǎn)站等因素的變化而變化[16-17]。以中國地鐵車站為例，地下車站的年單位面積耗電量平均為152 kW·h/m2，而高架站僅為91 kW·h/m2；非中轉(zhuǎn)車站130 kW·h/m2，中轉(zhuǎn)車站166 kW·h/m2[17]。韓國地鐵車站單位能耗為179 kW·h/m2[16]，巴塞羅那某地鐵車站單位能耗為217 kW·h/m2[9]。國際地鐵協(xié)會(huì)CoMET/Nava研究表明，亞洲城市地鐵運(yùn)營的能耗費(fèi)用占總運(yùn)營成本的比例約為15%～30%，比歐洲（5%）、北美（10%）高，這與其較高的空調(diào)需求有關(guān)[18]。

圖2 非空調(diào)季節(jié)（a）和空調(diào)季節(jié)（b）的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗[12]Fig.2 Energy partition of HVAC subsystem in non-airconditioning times (a)and air-conditioning times (b)

2 地鐵車站節(jié)能現(xiàn)狀

鑒于車站耗能系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性及工藝之間聯(lián)系的緊密性，車站節(jié)能應(yīng)從兩方面考慮：（1）建筑結(jié)構(gòu)的選擇（如車站層數(shù)、通道數(shù)量、是否可以采光等）和設(shè)備工藝的選擇（如空調(diào)水系統(tǒng)與風(fēng)系統(tǒng)是否采用變頻、照明是否采用發(fā)光二極管（light-emitting diode, LED）等；（2）當(dāng)車站的建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備工藝確定后，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備工藝以及車站冷負(fù)荷、客流量等規(guī)律，通過地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)能耗的監(jiān)控與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，以最小的能耗完成地鐵的日常運(yùn)營服務(wù)。而要獲取最小能耗的關(guān)鍵，需從如下三方面著手：車站能耗標(biāo)準(zhǔn)的建立；先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用及綜合采納（及系統(tǒng)優(yōu)化）；能耗大數(shù)據(jù)庫和能源管控平臺(tái)的建立。

2.1 車站能耗標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國內(nèi)城市軌道交通節(jié)能技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，大量新技術(shù)在新建線路中逐步推廣應(yīng)用，但由于缺乏節(jié)能評(píng)價(jià)體系，節(jié)能措施所帶來的收益難以量化，無法提高參與各方的積極性。目前，中國已有的能耗標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)方法包括《建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》、《城市軌道交通用電綜合評(píng)定指標(biāo)》[19]和《城市軌道交通合理用能評(píng)價(jià)方法》[20]。但《建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》不涉及交通樞紐建筑；《城市軌道交通用電綜合評(píng)定指標(biāo)》雖然給出了牽引能耗、車站動(dòng)力照明能耗作為能耗指標(biāo)，并給出了不同氣候區(qū)的參考值，但只關(guān)注整條線路的能耗，而非個(gè)體車站的能耗，而且這些參考值并未涉及面積、出入口個(gè)數(shù)等影響因素；《城市軌道交通合理用能評(píng)價(jià)方法》僅給出了單個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法，未指出如何對車站能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，雖然國際地鐵協(xié)會(huì)CoMET/Nava也提出了相關(guān)指標(biāo)[8]，但與中國面臨的問題一樣，是無法實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)能技術(shù)、不同車站的節(jié)能效果評(píng)價(jià)。因此，必須深入地研究不同影響因素與車站能耗的相關(guān)性，評(píng)判其影響程度，并建立相關(guān)評(píng)價(jià)模型，以實(shí)現(xiàn)不同車站能耗的比較。

該問題已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界部分學(xué)者的關(guān)注。GUAN等[17]通過多元回歸方法對不同影響因素進(jìn)行比較。石靜雅在軌道交通能耗影響因素的基礎(chǔ)上，建立軌道交通能耗指標(biāo)體系[21]，以期望實(shí)現(xiàn)不同車站能耗指標(biāo)的評(píng)價(jià)。GONZáLEZ-GIL等[22]開發(fā)了一套全面的與能源消耗相關(guān)的關(guān)鍵績效指標(biāo)（key performance indicators, KPI）（圖3），并對系統(tǒng)的實(shí)際能源性能進(jìn)行多層次分析，以分析不同節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果。但這些方法的正確性是建立在不同車站大量數(shù)據(jù)采集、分析及擬合的基礎(chǔ)上的，對數(shù)據(jù)及操作人員的要求都非常高。

圖3 城市軌道交通系統(tǒng)能效措施的KEPI示意圖[22]Fig.3 Simplified methodology to measure and optimize the energy use of urban rail systems

圖4 選定的站臺(tái)與通風(fēng)系統(tǒng)[23]Fig.4 Platform and ventilation system of selected subway station

2.2 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

（1）設(shè)備/系統(tǒng)的改進(jìn)

QUAN等[23]將具有逆變器的高效同步磁阻電動(dòng)機(jī)引入到地鐵車站通風(fēng)系統(tǒng)中（圖4），可基于控制顆粒物質(zhì)濃度的動(dòng)態(tài)需求來優(yōu)化通風(fēng)負(fù)荷。由于其投資成本較高，回收期約7.7年，但系統(tǒng)具有非常好的社會(huì)效益，可有效減少CO2排放和改善站內(nèi)空氣質(zhì)量。

（2）地鐵車站環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的研發(fā)

地鐵車站環(huán)境對乘客健康的影響非常大，因此，無論是地鐵公司還是學(xué)術(shù)界的學(xué)者都非常關(guān)注地鐵車站環(huán)境的監(jiān)測與控制。地鐵車站的監(jiān)控主要包括熱狀況、CO2、PM2.5/10、NOx等參數(shù)的監(jiān)測。MARZOUK等[24]提出了一種利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network, WSN）和建筑信息建模（building information modeling, BIM）來監(jiān)測地鐵內(nèi)部熱狀況的方法（圖5）。SON等[25]開發(fā)了一種配備板式混合活性炭床的新型自控系統(tǒng)（圖6），該系統(tǒng)可根據(jù)NO2濃度的變化來控制活性炭床的角度，在有效去除NO2的同時(shí)降低通風(fēng)能耗。該系統(tǒng)測量了混合活性炭床運(yùn)行前后不同采樣點(diǎn)（環(huán)境、站臺(tái)和混合活性炭床前后）的NO2濃度。結(jié)果顯示地鐵站通風(fēng)孔處NO2的濃度（12.3～113.6 μg/L）高于空氣監(jiān)測站（9.2～68.4 μg/L）。通過改變環(huán)境中的相對濕度來改變NO2的水平。當(dāng)表觀氣速從1.04 m/s增加到1.82 m/s，系統(tǒng)的NO2去除率從66.3%下降到60.5%，混合活性炭床層壓降從2.2 mmPa增至5.4 mmPa。NO2隨著時(shí)間延長而迅速下降，平臺(tái)的NO2濃度顯著控制在50 μg/L以下，降低了通風(fēng)能耗。

圖5 基于BIM的模型中的數(shù)據(jù)流[24]Fig.5 Data flow in the proposed BIM-based model

圖6 安裝在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和NO2采樣點(diǎn)的混合活性炭床的示意圖[25]Fig.6 Schematic of a hybrid activated carbon bed installed in a HVAC system and NO2 sampling sites

LEE等[26]基于非線性動(dòng)態(tài)分析法、多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和偏最小二乘法，在環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新的室內(nèi)空氣質(zhì)量（indoor air quality, IAQ）和通風(fēng)能量需求預(yù)測控制模型（圖7）。該模型首先基于前饋性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來開發(fā)非線性動(dòng)態(tài)回歸模型，以消除室外空氣質(zhì)量（outdoor air quality, OAQ）對IAQ的突發(fā)影響。該模型可有效預(yù)測平臺(tái)上PM10、NOx、CO2等污染物的濃度及車站通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，在保證站內(nèi)空氣質(zhì)量的基礎(chǔ)上，有效減少通風(fēng)能耗（約64%），可用于制定通風(fēng)控制策略，同時(shí)保持IAQ的健康水平并節(jié)省地鐵車站的能量需求。

圖7 創(chuàng)新方法的概念圖（從IAQ消除OAQ效應(yīng)）[26]Fig.7 Conceptual diagram of the proposed method (a way to eliminate OAQ effect from IAQ)

（3）基于模型預(yù)測的地鐵車站通風(fēng)空調(diào)控制

由于地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性、時(shí)滯性，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)大多在負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在國外，大多通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或遺傳算法生成車站熱負(fù)荷的預(yù)測模型。如LEUNG等[13]基于多層感知器（multi-layered perceptron, MLP）開發(fā)了一種智能方法來預(yù)測鐵路車站的能源消耗，以獲得車站電力消耗與站內(nèi)區(qū)域面積、氣象參數(shù)、客流量等影響因素的非線性關(guān)系（圖8），并分析MLP預(yù)測結(jié)果和實(shí)際收集的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)，以評(píng)估預(yù)測的性能。該模型的最小相關(guān)系數(shù)為0.96，置信區(qū)間為95%，滿足工程應(yīng)用要求。該方法還用于預(yù)測所選車站每周電耗的分布情況，預(yù)測值與實(shí)際消耗值相符。該研究可為地鐵車站用電量評(píng)估提供了一種新的工具。LIU等[27]通過多目標(biāo)遺傳算法來實(shí)現(xiàn)預(yù)測控制模型的最佳控制，以確保站內(nèi)空氣質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)能耗最小化，取代傳統(tǒng)的手動(dòng)控制或比例積分微分（proportion integration differentiation, PID）控制（圖9）。該方法不僅可以保證車站空氣質(zhì)量，還可節(jié)能24%左右。選用該系統(tǒng)可比傳統(tǒng)手動(dòng)控制系統(tǒng)節(jié)省能耗約為435 kW·h/d。電費(fèi)按照市場價(jià)格0.85元計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)約14萬元。

圖8 MLP模型的體系結(jié)構(gòu)[13]Fig.8 Architecture of the MLP model to be adopted

圖9 通風(fēng)控制系統(tǒng)中過程識(shí)別的輸入和輸出變量[27]Fig.9 Input and output variables for process identification in the ventilation control system

另一個(gè)與地鐵車站通風(fēng)空調(diào)模型預(yù)測及自動(dòng)控制最密切相關(guān)的工作是2011年在歐洲成立的SEAM4US（地下站的可持續(xù)能源管理）項(xiàng)目。該項(xiàng)目針對地下地鐵能量消耗的復(fù)雜性，從建模和控制方面研究了地鐵站的節(jié)能問題。該項(xiàng)目的研究方法及內(nèi)容主要包括：（1）基于負(fù)荷預(yù)測控制系統(tǒng)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型（圖10），提出了一種新型的地下車站智能能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車站空調(diào)、照明和電梯系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)控。具體表現(xiàn)為，通過與外部天氣的協(xié)同作用、與用戶的交互作用及依據(jù)過去經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型預(yù)測來實(shí)現(xiàn)最佳控制；通過現(xiàn)存的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)照明、通風(fēng)和自動(dòng)扶梯子系統(tǒng)的主動(dòng)和自適應(yīng)控制。該方法通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)能(30.6±2.0)%，照明系統(tǒng)節(jié)能 (24.1±1.9)%，電梯節(jié)能(8.5±1.9)%[28]。（2）開發(fā)了基于模型預(yù)測的地下車站通風(fēng)控制系統(tǒng)[3]，并試點(diǎn)用于巴塞羅那的帕斯山地鐵站。該預(yù)測模型是基于貝葉斯環(huán)境預(yù)測模型（Bayesian environmental prediction model）開發(fā)的。貝葉斯環(huán)境預(yù)測模型則與天氣預(yù)報(bào)、列車時(shí)刻表、客流量的預(yù)測、風(fēng)機(jī)功耗的預(yù)測協(xié)同控制。預(yù)測模型允許控制器提前動(dòng)作，使系統(tǒng)適應(yīng)當(dāng)前和未來的使用條件，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)供給與需求的平衡。該控制模型可在保持原有舒適度的基礎(chǔ)上，使通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能30%以上。該系統(tǒng)每年最低節(jié)省電量約為74 336.14 kW·h。但該項(xiàng)目僅分析了相關(guān)控制模型的節(jié)能效果，并未分析其投資規(guī)模及相應(yīng)的回收期，無法確定該模型的性價(jià)比。

圖10 預(yù)測氣流的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[28]Fig.10 Structure of the airflow prediction Bayesian network

（4）照明與電梯

ABDALLAH[29]建議采用二極管燈泡替代傳統(tǒng)熒光燈，以節(jié)省照明電耗。CASALS等[30]開發(fā)了一種能調(diào)節(jié)人造光源的照度水平自適應(yīng)照明策略（屬于SEAM4US項(xiàng)目）。該系統(tǒng)基于車站原有的客流大數(shù)據(jù)（即占用情況）及燈具的維護(hù)周期進(jìn)行調(diào)控，無需額外增加節(jié)能設(shè)備的投資，還可節(jié)約照明電耗36.22%，具有很高的性價(jià)比。該方法應(yīng)用于巴塞羅那地鐵網(wǎng)絡(luò)的115個(gè)地鐵車站，結(jié)果顯示每年總體節(jié)能電量為255.47 MW·h。

BARDYSHEV等[31]通過經(jīng)驗(yàn)與監(jiān)測相結(jié)合的方法來確定自動(dòng)扶梯的磨損程度和剩余壽命。該方法已經(jīng)用于莫斯科和圣彼得堡等城市的地鐵車站。

2.2.2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

（1）設(shè)備/系統(tǒng)的改進(jìn)

北京地鐵9號(hào)線六里橋東站采用直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)，將制冷劑輸送到空調(diào)末端對空氣降溫除濕，省去了空調(diào)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，制冷能耗節(jié)省20%以上；9號(hào)線各車站還采用定點(diǎn)控制供水壓力、冷卻水尾水回用等綜合節(jié)水技術(shù)，全線水資源消耗將節(jié)省25%以上[32]。但該系統(tǒng)還存在需增設(shè)冷卻塔的問題。PAN等[33]在直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了一種擁有獨(dú)立蒸發(fā)式冷凝器的新型空調(diào)系統(tǒng)（evaporative condenser-air conditioning, EC-AC），并運(yùn)用于北京富通地鐵站（圖11）。蒸發(fā)器被組裝在空氣處理單元，蒸發(fā)式冷凝器設(shè)置在地鐵站的排氣管中。該系統(tǒng)可有效減少冷卻塔的面積，避免冷凍水的長距離輸送。與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，每年節(jié)省的能量高達(dá)81 022 kW·h，約節(jié)能11%。動(dòng)態(tài)回收期約8.6年，20年凈節(jié)約成本74萬元，減少CO2排放1 600 t。但上述空調(diào)系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家較少，工程應(yīng)用不多。

圖11 EC-AC地鐵系統(tǒng)的示意圖[33]Fig.11 Schematic profile of the EC-AC metro system

北京城建設(shè)計(jì)研究總院[34]在廣州2號(hào)線江南西站開發(fā)了一種暗挖車站新型通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)：公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)將室外新風(fēng)與風(fēng)機(jī)盤管回風(fēng)混合后，經(jīng)冷卻處理送往車站各部。風(fēng)機(jī)盤管和風(fēng)道利用隧道的拱形結(jié)構(gòu)，巧妙地布置在拱形結(jié)構(gòu)上部空間和站臺(tái)一側(cè)側(cè)面的廢棄空間內(nèi)，在拱形結(jié)構(gòu)上部吊頂內(nèi)擺放送、排風(fēng)風(fēng)道，排風(fēng)道兼做排煙風(fēng)道，利用側(cè)面廢棄空間擺放風(fēng)機(jī)盤管。給水管、回水管依據(jù)工程設(shè)計(jì)的具體形式靈活布置，冷凝水管布置在站臺(tái)板下空間內(nèi)。風(fēng)機(jī)盤管冷凝水排入地鐵軌道排水溝，一部分流走，一部分蒸發(fā)進(jìn)入軌道區(qū)空氣。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)相比，節(jié)約土建面積約800 m2，節(jié)約土建投資約400萬元，年節(jié)約電費(fèi)73萬元。

李峰等[35]和侯喜快等[36]建議采用溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)為車站提供冷量，該系統(tǒng)將新風(fēng)與回風(fēng)分開獨(dú)立冷卻，這樣可以提高冷卻回風(fēng)的冷凍水進(jìn)出水溫度，進(jìn)而提高冷水機(jī)組COP。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，全年節(jié)能24.37%～26.2%。該系統(tǒng)在青島某地鐵中進(jìn)行應(yīng)用，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全年耗電量節(jié)省11.16萬kW·h。與常規(guī)水機(jī)型集中空調(diào)系統(tǒng)相比，溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的初投資高約18% ～25%，增量投資回收年限約5年以上[37]。

彭紅蓮等[38]建議采用變頻器控制風(fēng)機(jī)取代恒速風(fēng)機(jī)和變速風(fēng)機(jī)，變頻風(fēng)機(jī)可比恒速風(fēng)機(jī)節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗39.63%。YANG等[39]采用變頻技術(shù)（converter technique, CT）降低地鐵車站通風(fēng)和水系統(tǒng)的能耗，冷水泵、AHU和回排風(fēng)機(jī)各自總節(jié)能電量為1 103.4 kW·h、1 064.3 kW·h和926.2 kW·h，并且各自的總節(jié)電率分別為73.4%、71.2%和59.5%。王憲等[40]分析了深圳地鐵華僑城站變頻改造的節(jié)能效果，改造后一年可節(jié)省電量為382 823 kW·h，全年節(jié)電率約為28.8%，每年可節(jié)約電費(fèi)31.4萬元，項(xiàng)目改造費(fèi)用95.6萬元，3年可回收投資成本。

ZHANG等[41]結(jié)合屏蔽門（platform screen doors,PSD）和平臺(tái)救助門（platform bailout doors, PBD）系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種先進(jìn)的地鐵環(huán)控系統(tǒng)（圖12）。該系統(tǒng)有可控通風(fēng)口，通過可控通風(fēng)口和通風(fēng)空調(diào)裝置之間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)切換?？煽赝L(fēng)口在空調(diào)季節(jié)關(guān)閉，環(huán)控系統(tǒng)可按照傳統(tǒng)的屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行；可控通風(fēng)口在非空調(diào)季節(jié)打開，環(huán)控系統(tǒng)按平臺(tái)救助門系統(tǒng)運(yùn)行，充分利用活塞效應(yīng)來通風(fēng)和移除車站的熱量。該系統(tǒng)在溫帶地區(qū)節(jié)能效果最佳，可節(jié)能達(dá)79.6 × 103～134.1 × 103kW·h，節(jié)能率為20.64%～60.43%。目前，上海云金路站實(shí)際采用了該系統(tǒng)。ZHANG等[42]也指出PBD-PSD組合系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)最佳的能量性能；然而，節(jié)能百分比在不同情況下有所不同。與PBD系統(tǒng)相比，組合系統(tǒng)的節(jié)能百分比在1%～8%之間。

圖12 先進(jìn)的環(huán)控系統(tǒng)[41]：（a）環(huán)控系統(tǒng)示意圖；（b）創(chuàng)新平臺(tái)門Fig.12 Innovative environmental control system：(a)schematic diagram of innovative environmental control system; (b)ichnography of innovative platform door

MA等[43]針對北方極寒地區(qū)車站出入口設(shè)置門簾/暖風(fēng)幕，以改善嚴(yán)寒季節(jié)地鐵站的熱環(huán)境（圖13）。通過基于實(shí)際地鐵線的交互式反匯編器專業(yè)版（interactive disassembler professional, IDA）仿真環(huán)境開發(fā)一維建模，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可行。在門簾上設(shè)置可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的小物件，用以改變列車進(jìn)出站時(shí)門簾的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。改進(jìn)后，車站溫度可提高2℃。

圖13 暖風(fēng)幕和門簾的位置[43]Fig.13 Positions of the warm-air curtain and door curtain

KUO等[44]利用地下水為空調(diào)系統(tǒng)提供冷量，從而降低水冷卻空調(diào)的熱島效應(yīng)，節(jié)省空調(diào)水耗和占地面積。研究表明，只要地下水以低速流動(dòng)，就可以提供溫度穩(wěn)定的循環(huán)地下水來冷卻空調(diào)。為了減少地下水的上升壓力，在臺(tái)北捷運(yùn)地鐵站建設(shè)期間，安裝了許多井，深入到地下水層，這項(xiàng)研究證實(shí)了這些地下水可以用于空調(diào)的循環(huán)水系統(tǒng)（圖14）。

圖14 循環(huán)地下水系統(tǒng)示意圖[44]（使用地下水作為空調(diào)冷卻源的主要設(shè)備，包括循環(huán)井、泵和熱交換器）Fig.14 Schematic diagram of circulating groundwater system(major devices to use groundwater as a cooling source for airconditioning including circulating wells, pump and heat exchanger)

（2）最小新風(fēng)優(yōu)化技術(shù)

ZHANG等[45]通過網(wǎng)絡(luò)模擬和現(xiàn)場測量分析了站內(nèi)新鮮空氣的兩個(gè)組成部分，即空調(diào)系統(tǒng)提供的“機(jī)械新風(fēng)”和活塞效應(yīng)產(chǎn)生的“無組織新風(fēng)”。結(jié)果表明，除了上下班階段的高流量時(shí)間外，無組織的新鮮空氣足以滿足需求。同時(shí)，針對現(xiàn)有新風(fēng)閥門密封性不好的問題，提出了一種改進(jìn)的系統(tǒng)，即采用全密封新風(fēng)閥門和匹配的新風(fēng)控制方法精確地控制新風(fēng)量。改進(jìn)系統(tǒng)只有入口和排氣管連接到室外空間。運(yùn)行時(shí)，空調(diào)箱的頻率根據(jù)車站大廳和平臺(tái)的當(dāng)前冷負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整（圖15）。該系統(tǒng)可節(jié)約冷量10%～20%。該結(jié)論不僅適用于無錫市，也適用于具有平臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)的整個(gè)地鐵站，如華南和東南亞。在這些城市的地鐵中，通過改進(jìn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的形式并精確控制新風(fēng)量，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，LI等[46]還對影響屏蔽門漏風(fēng)量及出入口滲透風(fēng)量的影響因素進(jìn)行分析擬合，獲得了無組織新風(fēng)與隧道長度、列車發(fā)車密度、屏蔽門間隙面積、雙向列車到達(dá)時(shí)間間隔的關(guān)系式。

圖15 改造前（a）和后（b）的通風(fēng)系統(tǒng)[45]Fig.15 Form of station Ventilation and Air-Conditioning system common (a)and improved (b)

（3）基于模型預(yù)測的地鐵車站通風(fēng)空調(diào)控制

由于地鐵車站的復(fù)雜性，國內(nèi)針對地鐵負(fù)荷預(yù)測并提出自動(dòng)控制優(yōu)化的研究非常少。WANG等[47]提出了一種新的用于地鐵站暖通空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷特征識(shí)別的傳感和學(xué)習(xí)方法，并在空調(diào)負(fù)荷分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)和部署了地鐵車站通風(fēng)空調(diào)的自動(dòng)控制系統(tǒng)（圖16）。

圖16 通風(fēng)空調(diào)自主控制系統(tǒng)架構(gòu)圖[12]Fig.16 System architecture of autonomous HVAC control systems

該系統(tǒng)根據(jù)客流量、室外溫度等預(yù)測車站的熱負(fù)荷，通過通風(fēng)空調(diào)的自適應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)對冷水機(jī)組、冷凍水供水量等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷和供冷量的平衡。該系統(tǒng)已在北京地鐵4號(hào)線海淀黃莊站連續(xù)運(yùn)行4個(gè)月，得出在該系統(tǒng)下每天可以節(jié)省超過2 000 kW·h的電量，即年節(jié)約電費(fèi)約為62萬元，可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能20% ～38%[12]。但該系統(tǒng)沒有考慮屏蔽門和出入口的滲透負(fù)荷，其準(zhǔn)確性有待完善。

（4）照明與電梯

穆廣友等[48]主要從照度標(biāo)準(zhǔn)和燈具布局的改進(jìn)、自然光的利用等方面對地鐵照明進(jìn)行優(yōu)化。江億[8]建議用直流供電和LED照明來節(jié)省照明能耗。中國地鐵車站公共區(qū)智能照明系統(tǒng)目前采用的是國際上成熟的分布式智能照明系統(tǒng)[49]，該系統(tǒng)主要是通過網(wǎng)絡(luò)總線，將分布在地鐵車站現(xiàn)場的控制器連接在一起，進(jìn)行統(tǒng)一的控制。結(jié)合城市軌道交通典型車站照明設(shè)備容量統(tǒng)計(jì)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)站公共區(qū)照明總?cè)萘考s為60 kW，采用LED燈具后，按同等照度容量約為40 kW、按每天運(yùn)行18 h、電費(fèi)按0.85元計(jì)算，電費(fèi)統(tǒng)計(jì)及年節(jié)省費(fèi)用約11.169萬元，公共區(qū)照明燈具采用LED后，每個(gè)車站增加投資約38.8萬元，可在3年半左右回收新增成本[50]。

目前，地鐵電梯普遍采用變頻的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)客流量的不同來限制站外電梯的開啟時(shí)間。

2.2.3 技術(shù)對比分析

地鐵車站的節(jié)能技術(shù)已有數(shù)十種，技術(shù)種類繁多。為了便于分析，將上述的節(jié)能技術(shù)列于表1。從表1可知，國外的研究更注重于站內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)控及系統(tǒng)的自動(dòng)控制，我國的研究更注重設(shè)備/系統(tǒng)的改進(jìn)，兩種技術(shù)都具有很好的節(jié)能效果。

表1 各種節(jié)能技術(shù)的比較Table 1 Comparison of various energy-saving technologies

通過上述分析可知，基于模型預(yù)測的通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)具有較好的節(jié)能潛力，可適用于不同氣候地區(qū)的車站。雖然文獻(xiàn)并未對該系統(tǒng)的投資及回收期進(jìn)行分析，但通過估算可知，該系統(tǒng)的回收期約為2～3年。取消機(jī)械新風(fēng)的新風(fēng)優(yōu)化技術(shù)，對于溫帶和亞熱帶地區(qū)的地鐵車站都具有較好的節(jié)能效果。調(diào)節(jié)人造光源照度水平的自適應(yīng)照明策略則適用于所有需要長時(shí)間照明的車站，不僅投資成本低，且節(jié)能效果好。

同步磁阻電動(dòng)機(jī)、獨(dú)立蒸發(fā)式冷凝器的新型空調(diào)系統(tǒng)（EC-AC）、溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)等設(shè)備/系統(tǒng)的改進(jìn)技術(shù)，雖然具有很好的節(jié)能效果，但是投資較高，回收期較長。直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)需增加冷卻塔，占地面積大。暗挖車站新型通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，但該技術(shù)對設(shè)計(jì)人員的要求較高。變頻控制技術(shù)在風(fēng)機(jī)、水泵、電梯的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，具有降低功耗、減小損耗、延長設(shè)備使用壽命等作用，但由于變頻僅針對單個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其整體節(jié)能效果有限。

此外，門簾優(yōu)化（利用列車發(fā)熱量來改善車站環(huán)境）比較適合北方嚴(yán)寒地區(qū)；通過PBD-PSD組合系統(tǒng)，利用活塞風(fēng)來節(jié)省通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，比較適合溫帶地區(qū)，如北京、上海等，但對亞熱帶地區(qū)（如廣州、深圳），則節(jié)能效果不佳。

3 存在問題

雖然地鐵車站節(jié)能技術(shù)已經(jīng)得到很好的發(fā)展，并取得了較好的成績，但仍存在如下幾方面的問題。

（1）城市軌道交通用能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)缺失，急需建立軌道交通節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)估、評(píng)價(jià)體系。若軌道交通節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)估、評(píng)價(jià)體系從其他行業(yè)引入，由于技術(shù)適應(yīng)性差，實(shí)際節(jié)能效果有限，無法達(dá)到預(yù)期效果，因此，城市軌道交通急需建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及科學(xué)合理的評(píng)價(jià)、評(píng)估機(jī)制。不同地域、城市之間，同一指標(biāo)的數(shù)值差別較大。需通過標(biāo)準(zhǔn)制定，明確節(jié)能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

（2）單一節(jié)能技術(shù)多，缺乏針對城市軌道交通綜合和一體化的考慮，未形成系統(tǒng)性、綜合性的節(jié)能解決方案。對某一個(gè)系統(tǒng)或?qū)I(yè)的節(jié)能研究只占一小部分，沒有考慮到各個(gè)相關(guān)專業(yè)之間的聯(lián)系，以及各個(gè)專業(yè)之間可能會(huì)有的互補(bǔ)或者相關(guān)的轉(zhuǎn)嫁作用。

（3）目前能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)零散，急需建立能耗大數(shù)據(jù)庫和能源管控平臺(tái)，以提升能源管控水平，降低運(yùn)營成本。城市軌道交通數(shù)據(jù)基本上都掌握在各個(gè)地鐵公司手中，如果各地鐵公司能把數(shù)據(jù)匯總起來，共同研究摸索其中的規(guī)律，對軌道交通的節(jié)能工作應(yīng)該是非常有利的。

4 地鐵車站節(jié)能發(fā)展趨勢

地鐵車站的節(jié)能趨向于標(biāo)準(zhǔn)化、綜合化、全周期化方向發(fā)展。具體的發(fā)展趨勢表現(xiàn)如下：

（1）建立和完善用能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范節(jié)能的各項(xiàng)工作，使不同區(qū)域、不同線路、不同結(jié)構(gòu)的地鐵車站都可以科學(xué)、合理地節(jié)能，從而激發(fā)各方積極性，挖掘地鐵車站的節(jié)能潛力。

（2）在原有創(chuàng)新技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地鐵規(guī)律、軌道交通特點(diǎn)，打破專業(yè)界限，實(shí)行生命周期全過程的研究，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全局優(yōu)化，綜合性節(jié)能。針對既有線路改造，應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，提升產(chǎn)品裝備的能效。針對新建工程，從工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)開始貫徹節(jié)能的理念和技術(shù)，從節(jié)能系統(tǒng)、節(jié)能專項(xiàng)工程、能源管理系統(tǒng)開展全生命周期的節(jié)能措施和服務(wù)。

（3）建立能耗大數(shù)據(jù)庫和能源管控平臺(tái)，將零散的能耗數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)一管理，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立車站能耗、客流量、負(fù)荷等參數(shù)的預(yù)測模型，可以有效平衡能量供給與需求的關(guān)系，建立自動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

5 結(jié)束語

地鐵憑借其快速、便捷、安全、舒適的技術(shù)優(yōu)勢，成為時(shí)下緩解日趨緊張的交通擁堵問題的最佳途徑。但隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，地鐵能耗在國民經(jīng)濟(jì)能耗中所占的比重越來越大，地鐵的節(jié)能迫在眉睫。目前世界各國都已經(jīng)開始投入大量的人力、物力對地鐵節(jié)能進(jìn)行研究，并取得了較好的成績。但由于地鐵的復(fù)雜性，且涉及多個(gè)研究方向與專業(yè)，其在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立、技術(shù)的綜合利用及大數(shù)據(jù)庫和能源管控平臺(tái)的建設(shè)方面還需繼續(xù)加強(qiáng)。