張 輝1 張 鑫 張 波 蔣 浩 李 欣

(1.蘭州市軌道交通有限公司運營分公司，蘭州 730020； 2.北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，北京 100068)

1 概述

蘭州軌道交通1號線一期工程是蘭州市在建的第一條軌道交通線路，全線長約26 km，共設(shè)20座車站，全部為地下線。蘭州軌道交通為響應(yīng)國家節(jié)能減排的工作要求，結(jié)合蘭州本地氣候環(huán)境特點和軌道交通工程特點[1]，以車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為能耗監(jiān)控試點，對節(jié)能監(jiān)控平臺進行研究，實現(xiàn)車站能耗數(shù)據(jù)采集、分析[2]，最終實現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運行參數(shù)控制[3]，以BIM可視化為數(shù)據(jù)展現(xiàn)承載方式，建立車站能耗監(jiān)控平臺[4]。

2 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)方案簡述

蘭州市為溫帶大陸性氣候，軌道交通1號線工程的車站公共區(qū)大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)采用全高非封閉站臺門通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)降溫采用直接蒸發(fā)冷卻空氣處理[5]，原理是被處理空氣與霧化的水直接接觸進行熱濕交換[6]，在提升空氣濕度同時，降低溫度。此種空調(diào)方案適應(yīng)于蘭州市本地氣候特點，也是西北部地區(qū)地鐵目前主推的方案[7]。大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由送風(fēng)機、排風(fēng)機、直接蒸發(fā)冷卻機組和風(fēng)閥組成，其中送風(fēng)機、排風(fēng)機、直接蒸發(fā)冷卻機組為變頻設(shè)備，可對運行功率進行調(diào)節(jié)[8]。大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兼作排煙系統(tǒng)。

圖1 車站單端大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)圖

表1 車站大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備統(tǒng)計

設(shè)備名稱功率臺數(shù)控制方式大系統(tǒng)送風(fēng)機55KW4變頻大系統(tǒng)排風(fēng)機75KW4變頻直接蒸發(fā)機組4KW4變頻

3 平臺架構(gòu)設(shè)計

能耗監(jiān)測分析平臺由五部分邏輯關(guān)系組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)傳輸、接口[9]。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是平臺實現(xiàn)監(jiān)測功能的重要基礎(chǔ)，是所有統(tǒng)計分析功能的數(shù)據(jù)來源。數(shù)據(jù)采集可以分為內(nèi)部數(shù)據(jù)采集和外部數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集一部分為傳感器數(shù)據(jù)采集，一部分為既有生產(chǎn)系統(tǒng)(ISCS)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)采集為地鐵外部數(shù)據(jù)參數(shù)，如氣象數(shù)據(jù)、災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是對數(shù)據(jù)存儲、運算、統(tǒng)計分析等功能的重要核心部件，也是整個平臺數(shù)據(jù)功能應(yīng)用的重要支撐。首先應(yīng)對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，再進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對系統(tǒng)直接采集、接入和導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進行重新組合、查錯、查漏、錯誤數(shù)據(jù)篩除、遺漏數(shù)據(jù)補全或標記、數(shù)據(jù)匹配等。數(shù)據(jù)處理包括設(shè)備用量統(tǒng)計、能耗數(shù)據(jù)準確性驗證、能耗數(shù)據(jù)指標的運算。

3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用主要是平臺對運營使用人員提供應(yīng)用服務(wù)功能。平臺以BIM可視化為數(shù)據(jù)展現(xiàn)基礎(chǔ)，給用戶提供各種數(shù)據(jù)的信息化應(yīng)用功能，以提高人員對車站能耗的管理，以及對耗能設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化控制。數(shù)據(jù)應(yīng)用以工作站終端形式提供友好的人機界面。

3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸

網(wǎng)絡(luò)傳輸主要負責(zé)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的傳送，是貫穿數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要途徑。

3.5 接口

接口是平臺與其他信息資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接的重要橋梁，平臺采用標準開放的采集接口與外部數(shù)據(jù)接口和內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計

能耗監(jiān)控平臺的車站系統(tǒng)在東方紅廣場站進行示范，平臺由數(shù)據(jù)運算服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器、監(jiān)控終端、智能電表、交換機、防火墻等設(shè)備組成。

平臺的數(shù)據(jù)采集功能主要由接口服務(wù)器完成，與車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)進行通信互聯(lián)，采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容包含車站公共區(qū)環(huán)境溫濕度/二氧化碳數(shù)據(jù)、大系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)備運行狀態(tài)，車站電力總能耗數(shù)據(jù)，車站售檢票客流數(shù)據(jù)； 大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)送風(fēng)機、大系統(tǒng)排風(fēng)機、直接蒸發(fā)循環(huán)水泵供電回路增加的智能電表設(shè)備，通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)PLC總線[10]，將數(shù)據(jù)傳輸給ISCS，再通過接口傳送給能耗平臺。系統(tǒng)設(shè)置與互聯(lián)網(wǎng)連接的路由器設(shè)備，采集社會發(fā)布的公共氣象數(shù)據(jù)和災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)等[11]。與ISCS通信接口需要設(shè)置防火墻設(shè)備。

圖2 平臺設(shè)計方案構(gòu)成

圖3 數(shù)據(jù)采集信息內(nèi)容

數(shù)據(jù)運算服務(wù)器主要完成對采集的數(shù)據(jù)進行計算處理，部署數(shù)據(jù)計算單元，根據(jù)功能需求編制計算模型，對數(shù)據(jù)進行運算、統(tǒng)計和預(yù)測，運算原理如下：

(1)對車站溫度數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)等多維度數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)性分析；

(2)通過關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，結(jié)合外部環(huán)境參數(shù)及其他擾動因素，建立自學(xué)習(xí)機制；

(3)通過對歷史數(shù)據(jù)的構(gòu)成關(guān)系，建立參數(shù)預(yù)測模型；

(4)分析設(shè)備的運行模式，為設(shè)備控制提供參數(shù)控制優(yōu)化方案。

數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器負責(zé)對采集和運算的數(shù)據(jù)進行存儲，存儲容量滿足不少于4T，并對數(shù)據(jù)進行備份處理。

應(yīng)用服務(wù)器是負責(zé)對用戶進行應(yīng)用功能發(fā)布，并運算BIM建模圖形化界面，監(jiān)控終端設(shè)備訪問應(yīng)用服務(wù)器，獲得平臺功能服務(wù)。

5 平臺功能設(shè)計

平臺服務(wù)對象為地鐵運營公司，平臺建設(shè)結(jié)合運營單位使用需求，強化運營單位對車站能耗的管理，及時對耗能設(shè)備進行優(yōu)化控制，全面了解車站環(huán)境條件并進行有效決策。

平臺功能定位為地鐵車站能耗監(jiān)測、分析及控制參數(shù)優(yōu)化，初期研究對象主要為車站大系統(tǒng)空調(diào)能耗分析及控制參數(shù)分析，在目前車站條件下接入設(shè)備能耗數(shù)據(jù)、內(nèi)部運營數(shù)據(jù)、外部環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車站多種數(shù)據(jù)匯集分析，實現(xiàn)環(huán)境、能耗可視化，驗證、優(yōu)化控制參數(shù)。

5.1 BIM可視化顯示

平臺采集能耗數(shù)據(jù)，并將采集到的原始數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。平臺以BIM系統(tǒng)為數(shù)據(jù)可視化支撐，數(shù)據(jù)運算為核心，圍繞大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能管控進行研究。

圖4 基于BIM的能耗監(jiān)測管理平臺界面

圖5 在BIM模型中顯示設(shè)備狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)

平臺具有以BIM模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維可視化展示和數(shù)據(jù)顯示功能，通過點擊設(shè)備模型，顯示設(shè)備數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。通過三維可視化的系統(tǒng)界面，實現(xiàn)對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、直接蒸發(fā)冷水系統(tǒng)、供配電監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施的運行狀態(tài)的實時監(jiān)控與顯示、能源消耗狀況記錄分析、設(shè)備異常情定位等功能，最終實現(xiàn)相關(guān)各系統(tǒng)信息共享和協(xié)調(diào)互動功能[12]。

5.2 能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計計量的手段和方法，采用圖表、柱狀圖、曲線等表現(xiàn)形式[13]，對大系統(tǒng)空調(diào)能耗數(shù)據(jù)情況進行分析，為優(yōu)化能耗效率提供支撐[14]。

能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計應(yīng)依據(jù)能源分類、分項原則，對系統(tǒng)采集、提取的數(shù)據(jù)進行能耗的統(tǒng)計，運營時間與非運營時間的能耗統(tǒng)計，各類能耗及其分項能耗的比例、最大值、最小值、平均值及能耗指標(車站、人均或單位面積能耗等)等統(tǒng)計，提供可按任意時間段(如小時、日、月、季、半年、年)統(tǒng)計等信息。

能源數(shù)據(jù)分析應(yīng)將影響能耗的因素與實際能耗信息，進行能源的質(zhì)量、負荷、需量、能效、平衡以及同比、環(huán)比、節(jié)能潛力等分析。

圖6 平臺的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

圖7 平臺的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

5.3 能耗數(shù)據(jù)展示

能源數(shù)據(jù)、信息的查詢與顯示，應(yīng)根據(jù)用戶的操作權(quán)限，查詢到相應(yīng)權(quán)限的能源數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，以柱狀圖、餅圖、趨勢曲線、表格等多種形式顯示能源數(shù)據(jù)和信息。

圖8 平臺的綜合統(tǒng)計報表功能

5.4 輔助決策

5.4.1 空調(diào)系統(tǒng)能耗診斷

空調(diào)系統(tǒng)能源診斷應(yīng)以系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)為依據(jù)，基于設(shè)備運行情況與外部氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，進行合理用能程度監(jiān)測等。

5.4.2 能源效率分析

系統(tǒng)對車站大系統(tǒng)空調(diào)能源效率進行分析，從設(shè)備運行和客流運營等角度分析整個系統(tǒng)的能源效率指標。

5.4.3 能耗指標管理

圖9 節(jié)能效果綜合評價功能

圖10 基于數(shù)據(jù)分析的冷量預(yù)測

平臺將車站能耗的既有年度、月度、逐日的數(shù)據(jù)進行匯總，與用能單位面積等數(shù)據(jù)進行融合計算，得到指標數(shù)據(jù)的標桿值； 根據(jù)數(shù)據(jù)的逐步完善以及節(jié)能手段的實施進行標桿值的重新核定和修改。

5.4.4 冷量預(yù)測

平臺對直接蒸發(fā)冷風(fēng)機運行的監(jiān)測數(shù)據(jù)及環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)進行分析和計算，自動預(yù)測出后一日車站內(nèi)所需的冷量，為節(jié)能控制提供數(shù)據(jù)支持。

6 節(jié)能優(yōu)化控制方式

車站大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)運行控制模式由BAS進行控制，同時兼做防排煙控制。平臺不改變原有系統(tǒng)控制方式和控制權(quán)限，在BAS進行時間表模式控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)采集的內(nèi)部、外部環(huán)境參數(shù)變化和控制參數(shù)，通過數(shù)據(jù)計算和關(guān)聯(lián)分析，輸出送風(fēng)機、排風(fēng)機的變頻控制參數(shù)，實現(xiàn)更優(yōu)控制。在非空調(diào)季和火災(zāi)模式時，仍由BAS進行模式控制。

圖11 節(jié)能優(yōu)化控制的原理

7 結(jié)論與展望

我國軌道交通節(jié)能減排是地鐵工程建設(shè)的政策導(dǎo)向之一，隨著我國西北部城市軌道交通工程的不斷增加，帶有地區(qū)氣候特點的通風(fēng)空調(diào)降溫方式逐步推廣應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)備能耗控制方法和管控措施也在不斷完善[15]。目前蘭州軌道交通節(jié)能管控平臺在車站進行實驗，以監(jiān)測為手段，以管控為目的的節(jié)能平臺，是適合于當?shù)毓こ探ㄔO(shè)特點和運營管理需求的，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集積累，逐步優(yōu)化參數(shù)控制量分析方法，形成完整的大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備能耗管控系統(tǒng)，為蘭州軌道交通設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能管控，打下了技術(shù)基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。