【摘

要】地鐵的能源消耗主要來自通風和空調(diào)系統(tǒng)，在整體能耗中占比約30%，在南方地區(qū)更高，甚至達到45%～50%。在需要空調(diào)供應的季節(jié)，通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗甚至占到地鐵站點總能耗的60%～70%，成為地鐵站內(nèi)的主要耗電設備。因此，采用合理的通風空調(diào)的節(jié)能控制方案是降低地鐵能耗的關鍵措施。【關鍵詞】通風空調(diào)；地鐵車站；節(jié)能控制方案；風水聯(lián)動控制系統(tǒng)城市軌道交通是現(xiàn)代城市公共交通的重要組成部分，具有運量大、速度快、準時性高等優(yōu)勢。然而，隨著地鐵線路的擴建和客流量的增加，地鐵車站能源消耗問題日益凸顯。通風空調(diào)系統(tǒng)是地鐵車站的重要能耗設備之一，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)能技術的研究，對降低地鐵車站能耗、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營環(huán)境分析城市軌道交通智慧車站運營環(huán)境具備以下特點：1.高客流量：作為城市交通的關鍵節(jié)點，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，包括快速安檢、方便購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計，但這也意味著對站內(nèi)溫度、濕度的控制更為重要。封閉式設計帶來了較高的能耗，為了降低能耗，需要引入智能化設備進行能源管理，并通過提高設備能效、優(yōu)化車站布局等方式實現(xiàn)。3.高能耗：由于客流量大且密閉性強，車站需要維持恒溫、恒濕的環(huán)境，因此能耗較高。智慧車站應采取一系列節(jié)能措施，如使用智能化設備對空調(diào)系統(tǒng)進行精細化控制。通過智能化設備，可以根據(jù)實際需求靈活調(diào)整設備的運行狀態(tài)和溫度參數(shù)，以實現(xiàn)節(jié)能、高效地運行。同時，引入可再生能源技術，如太陽能和風能發(fā)電，以減少對傳統(tǒng)能源的依賴，進一步降低能源消耗。二、暖通空調(diào)節(jié)能技術研究與應用針對城市軌道交通智慧車站運營環(huán)境的特點，文章提出了以下暖通空調(diào)節(jié)能技術的研究與應用：1.智能控制技術：引入先進的智能控制技術，實現(xiàn)站內(nèi)溫度、濕度、風速等參數(shù)的實時監(jiān)控和自動調(diào)整。根據(jù)客流量和天氣情況自動調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的運行方案，以最大程度降低能耗。2.天然能源利用技術：充分利用站內(nèi)的天然能源，如太陽能、地熱等。例如，利用地源熱泵技術為車站提供冷暖服務，并通過太陽能集熱器向車站供應熱水。3.高效設備與系統(tǒng)優(yōu)化技術：選用高效、低耗的暖通空調(diào)設備，如高效壓縮機、低阻高效過濾器等。同時，通過降低系統(tǒng)阻力、提高熱交換效率等措施對暖通系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。4.冷凝水回收再利用技術：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：運用專門的排風能量回收裝置，如高效的全熱交換器，捕獲排風中蘊含的能量，并將其轉化為可再利用的資源。6.能源管理智能化平臺：實行對站內(nèi)各類設備能耗的實時、精確監(jiān)測，并進行深入的數(shù)據(jù)分析。借助先進的數(shù)據(jù)挖掘技術和優(yōu)化算法，實現(xiàn)能源管理的智能化與高效化，提升能源利用效率。三、風水聯(lián)動控制系統(tǒng)的應用案例以某地鐵線路為例，本研究詳細介紹了風水聯(lián)動控制系統(tǒng)的應用。該系統(tǒng)通過集成空調(diào)水系統(tǒng)、大系統(tǒng)和小系統(tǒng)等被控對象，采用主動尋優(yōu)控制策略，實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的全面智能化控制和管理。空調(diào)水系統(tǒng)采用冷凍水變頻控制策略，根據(jù)實際需求調(diào)整冷凍泵的運行頻率，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。同時，系統(tǒng)還配備了溫濕度感應器、CO2感應器等設備，實時監(jiān)測車站內(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施冷凍水的變頻調(diào)節(jié)，能夠精準控制供回水壓差值，使得風水聯(lián)動控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實時負荷變化進行靈活調(diào)整。在調(diào)節(jié)水泵轉速的過程中，確保冷凍水的穩(wěn)定供應。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)定運行和舒適環(huán)境的營造。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。這種控制方式能夠實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)負荷和冷凍水循環(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冷凍水泵均搭載變頻器，實現(xiàn)了變頻調(diào)速。結合采用固定溫度差控制策略和最低壓差保護控制策略，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，實時測量管路水溫，并計算管路水溫與設定值的差異。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，實時測量管道的實際壓力，并據(jù)此計算出供回水之間的壓差。這個計算出的壓差會與預設的壓差值進行比較（以樣板站為例，默認設置為0.2bar，但可根據(jù)實際運行狀況在后期現(xiàn)場調(diào)試時進行靈活調(diào)整）。一旦實際測得的壓差低于設定的壓差，系統(tǒng)會立即啟動PID操作，通過智能算法調(diào)節(jié)冷凍水泵的運行頻率，以增加水流量，確保供回水之間的壓差維持在設定范圍內(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)定運行，還能實現(xiàn)能源的高效利用。（二）冷水機組控制策略1.控制冷水機組的策略（1）當風水聯(lián)動控制系統(tǒng)接收到開機指令時，系統(tǒng)會優(yōu)先啟動運行時間較短的機組，以確保機組間的平衡使用和延長機組壽命。（2）待首臺螺桿機組正常運轉并經(jīng)過一段時間的延遲后，系統(tǒng)將檢測冷水機組的容量百分率。若當前負荷率百分比超過預設的加機閾值，并且冷凍水總供水溫度持續(xù)超過設定值達20分鐘（該時間可調(diào)），系統(tǒng)將自動啟動另一臺冷水機組，以滿足更高的冷卻需求。（3）當兩臺冷水機組同時運行時，系統(tǒng)將對它們的當前容量百分比進行延時檢測。如果兩臺機組的平均負荷率百分比低于預設的減機閾值，并且這種低負荷狀態(tài)持續(xù)達10分鐘（該時間可調(diào)），系統(tǒng)將減少一臺冷水機組的運行，以節(jié)省能源和減少不必要的磨損。（4）當冷水機組數(shù)量減少至僅剩一臺時，系統(tǒng)將停止進一步的減載操作，以確保至少有一臺機組在運行，維持基本的冷卻需求。（5）在末端冷卻需求較低，僅有一臺冷水機組運行時，若該機組負荷降至25%并處于減載待機狀態(tài)，風水聯(lián)動控制系統(tǒng)將接收到冷水機組的待機信號。此時，系統(tǒng)將保持冷水泵的運行，以維持冷水管內(nèi)的水流循環(huán)。當冷水管溫度升高至需要加載時，冷水機組將自動加載并開機，隨后風水聯(lián)動控制系統(tǒng)將繼續(xù)保持運行狀態(tài)，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。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，機組可節(jié)能約3%。啟用冷水機組時，系統(tǒng)根據(jù)室外溫濕度智能重置2臺冷水機組出水溫度。設定邏輯如下：（1）冷水機組出水溫度隨室外溫度變化而動態(tài)調(diào)整，以適應不同環(huán)境需求。（2）系統(tǒng)根據(jù)末端冷負荷實時調(diào)整冷水機組出水溫度，確保精準滿足冷卻需求。（3）通過主動尋優(yōu)控制邏輯，系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)冷水機組出水溫度，實現(xiàn)最佳能效。2.空調(diào)大系統(tǒng)控制策略根據(jù)回風溫度調(diào)節(jié)大系統(tǒng)空調(diào)箱頻率，按空調(diào)箱體送風溫度調(diào)節(jié)大系統(tǒng)二通閥。通過兩個不同傳感器消除系統(tǒng)干擾，利用兩個獨立的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)節(jié)風量和水量。根據(jù)室外氣候值大小及末端負荷預測模型，動態(tài)調(diào)整風水聯(lián)動控制系統(tǒng)大系統(tǒng)。全新風模式下大系統(tǒng)空調(diào)箱早上開啟晚上關閉，小系統(tǒng)空調(diào)箱24小時全開。在通風模式下，大系統(tǒng)空調(diào)箱體頻率（變頻變風量）按相關規(guī)則控制，小新風模式下用回風溫度做反饋控制表冷閥開度，全新風模式下用站廳/站臺平均溫度做反饋控制表冷閥開度，通風模式下表冷閥全關。3.空調(diào)小系統(tǒng)控制策略風水聯(lián)動控制系統(tǒng)采用串級控制，負荷上升時優(yōu)先調(diào)節(jié)二通閥開度，達最大后調(diào)送風機頻率；負荷降低時則先調(diào)送風機頻率至最低，再調(diào)二通閥開度，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。小系統(tǒng)的回風溫度設定值和送風溫度設定值是根據(jù)室外氣量的大小和負荷預測模型動態(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.主動尋優(yōu)控制策略通過預測地鐵站人流量變化，建立遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型。相較于傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡，該模型預測誤差降低了約10%，這一模型不僅提高了預測準確性，還有助于地鐵站優(yōu)化運營管理和提升乘客體驗。分析室內(nèi)熱源和新風負荷影響因素，得出人員冷負荷、滲透風冷負荷、設備冷負荷以及新風負荷計算模型，以預測人流量數(shù)據(jù)為基礎車站冷負荷結果。結果表明，室內(nèi)熱源冷負荷和新風負荷均不斷波動，其高峰和低谷冷負荷之差較大，不能忽視其波動。分析地鐵站空調(diào)風系統(tǒng)和水系統(tǒng)換熱過程，分別以變風量和定風量運行模式進行分析，結果顯示，在平常時段變風量運行模式比定風量運行模式更節(jié)能，而在高峰時段，定風量運行模式比變風量運行模式更節(jié)能。主動尋優(yōu)系統(tǒng)應用于地鐵站空調(diào)系統(tǒng)控制時，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，與實際系統(tǒng)相比，能源節(jié)省約12%。四、風水聯(lián)動節(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)別風水聯(lián)動系統(tǒng)根據(jù)實時天氣情況自動判斷最適合的運行模式，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，降低冷水機組的負荷率。而BAS控制系統(tǒng)在固定的月份（4月份）切換到全新風模式，并在固定的月份（6月份）切換到小新風模式，然后在固定的月份（10月份）切換到全新風模式，最后在固定的月份（11月份）切換到通風模式。2.冷凍水供水溫度控制的區(qū)別風水聯(lián)動系統(tǒng)動態(tài)設定冷凍水機組冷凍水出水溫度，根據(jù)末端空調(diào)冷負荷需求和室外焓值變化，在7℃～12℃之間變化，提高冷凍水機組運行。而BAS控制系統(tǒng)冷水機組冷凍水出水溫度長期保持在7℃。3.末端風量及變水量變化風水聯(lián)動控制系統(tǒng)采用風水聯(lián)動控制方案，優(yōu)先調(diào)節(jié)電動二通閥在末端負荷上升時的開