摘要 ： 城市轨道交通通风空调系统作为耗能大户之一，应从全生命周期成本的角度来综合考虑系统方案的确定以及设备的选型和配置，本文同时根据负荷的变化实现智能化、智慧化的运行控制，以达到高效节能的目的。 关键词： 轨道交通 通风空调系统 节能 全生命周期 智能智慧控制
摘要 ： 城市轨道交通通风空调系统作为耗能大户之一，应从全生命周期成本的角度来综合考虑系统方案的确定以及设备的选型和配置，本文同时根据负荷的变化实现智能化、智慧化的运行控制，以达到高效节能的目的。
关键词： 轨道交通 通风空调系统 节能 全生命周期 智能智慧控制
1.城市轨道交通发展及现状
截至到2019年12月31日，中国内地（不含港澳台）累计共有40个城市建成投运城市轨道交通线路总长度6882.13公里，车站数4416座。其中2019年新增运营线路长度1024.12公里，新增线路数53条、车站数678座，新开通运营地铁的城市有温州、济南、常州、徐州、呼和浩特。预计2020年全国将开通88条城市轨道交通线路，未来十年城市轨道交通还将持续新的建设和运营浪潮。
随着城市轨道交通运营线路的增多以及运营规模的加大，地铁对缓解城市地面交通拥堵、改善城市居民出行条件起到了关键性的作用。在加速地铁建设的同时，各个城市目前所关注的重点也开始逐步从地铁建设的政治效益转向地铁建设的经济效益方面，主要体现在以下两个方面：
（1）对地铁沿线的土地进行综合开发利用，截至到2019年年底，国内已有15个城市36个车辆段进行了上盖物业开发。
（2）对地铁运营的节能降耗进行重点研究，提高系统能效，减少设备运行能耗，降低运营成本。
城市轨道交通大多是地下线，处在相对封闭的地下空间里，除了可以利用列车运行产生的活塞风之外，必须要通过地铁专用的通风空调系统来创造一定的人工环境，以满足列车、设备、人员和防灾的需要。由此可见，通风空调系统在地铁中起到了非常关键和重要的作用，同时地铁通风空调系统的运行又与节能紧密相关。
地铁通风空调系统主要功能
（1）为地铁乘客提供适宜的乘车环境；
（2）为地铁站务人员提供满意的工作环境；
（3）为地铁列车及各种设备提供正常的运营环境；
（4）为地铁事故及灾害状态下疏散和救援提供必要的环境条件。
地铁通风空调系统构成及设备配置
地铁通风空调系统构成及设备配置如图1所示。
图1 地铁通风空调系统构成及设备配置
地铁通风空调系统设备负荷特征
地铁通风空调系统的设备容量一般是按远期最大负荷需求进行计算和选择，同时考虑预留一定的设计余量 [1] 。然而在运行初期和近期阶段，系统的实际负荷往往达不到设计计算的最大负荷，而且系统日常运行时的负荷还会随着各种因素的影响而变化，因此长时间低负荷运行和负荷波动大是地铁通风空调系统的两大主要特征。若通风空调设备仍按设计选型容量长期运行，将造成较大的能源浪费。如何使地铁通风空调系统能够根据负荷的动态变化，在运行过程中根据需要随时调整设备的运行状态，实现整个系统的高效节能应该重点关注和充分考虑 [2-3] 。
地铁通风空调系统设备能耗分析
城市轨道交通能耗是巨大的，主要集中在牵引供电系统与通风空调系统。北方地区，通风空调能耗占地铁总能耗的30%左右，如图2。南方地区，地铁通风空调能耗甚至达到地铁总能耗的45%～50%左右。地铁车站的能耗主要集中在通风空调系统，如图3，空调供冷季，通风空调系统能耗甚至达到地铁车站总能耗的60%～70%左右，是整个车站的用电大户。
图2 北方区域轨道交通用能构成
图3 某市地铁车站全年用能构成
据统计，通风空调系统设备能耗一般占地铁车站总能耗的50%～60%，每个车站通风空调系统年耗电量在100kWh～200kWh，而在整个空调冷源系统中，冷水机组的能耗占比最大，约70%，因此冷水机组本身的高效节能是地铁整个通风空调系统节能的重中之重。同时，由于地铁车站内部的空调负荷随运行工况而变化且波动较大，所以冷水机组自身的部分负荷性能和实时冷量调节能力，对降低地铁通风空调系统的耗能意义重大。
3.地铁通风空调系统及设备实际运行情况
地铁通风空调系统的各项基本功能是通过系统中各种设备的运行来实现的，而地铁通风空调设备实际的运行能耗及费用给地铁运营带来的压力和挑战是巨大的。
地铁通风空调系统的节能运行主要是通过对系统中各种设备的自动控制和自动调节来实现的。因此从控制的内容、对象、方法、策略上看，地铁通风空调系统的控制与其它机电系统的控制相比，具有特殊性、复杂性和不同性，不仅只是完成简单的开关启停控制，还需要根据负荷参数的实时变化进行一系列的判断、分析、计算、对比后对系统中各种设备的运行状态做出相应变化量的调整和有效控制，在保证系统功能的前提下从而实现整个系统的能效最优。而目前的现状是现有传统的地铁通风空调控制系统基本上不具备实现系统节能运行的功能，如图4。
图4 地铁传统BAS系统控制结构图
4.地铁通风空调系统节能运行设计思路
从全生命周期成本的角度来全面综合考虑系统方案的确定以及设备的选型和配置
地铁通风空调系统一般按远期运营条件进行设计计算，而初期、近期运营时空调系统绝大部分时间处于低负荷运行。针对每天的运行工况而言，早高峰和晚高峰的客流相对较多，全天负荷波动较大，并且管理用房及公共区空调系统运行时间一般为18h，设备用房的空调系统运行时间为24h，导致空调系统经常性的低负荷运行。这就对冷水机组“部分负荷时的能效”提出了更高的要求，并且要求机组具备较高的“实时冷量调节能力”，以满足各种工况的需求。针对地铁空调系统的特殊性，结合冷水机组部分负荷工况运行的时间较多，提高冷水机组部分负荷时的能效成为地铁空调系统节能的关键。
以青岛地铁8号线红岛火车站为例，作为8号线、10号线、12号线三线换乘车站，同时与济青高铁红岛站换乘，总建筑面积约13.7万㎡，总冷量约为7500kW。结合本工程，针对定频离心式冷水机组、变频离心式冷水机组、磁悬浮离心式冷水机组3种不同形式制冷设备的配置与选型进行了经济技术比较 [4] ，如表1。
表1 全寿命周期成本及投资回收期对比
经综合对比分析，从全生命周期成本可以看出，磁悬浮机组成本最低。从投资回收期可以看出，针对本工程采用变频机组比定频机组一次性投资增加约39%，但可在7.3年从节省的运行费用中回收，采用磁悬浮机组比定频机组一次性投资增加约67%，但可在4.6年从节省的运行费用中回收，在机组余下的寿命周期内，得到的都是节能产生的纯效益。同理，针对地铁标准站分析，按车站冷量1200kW计算，采用磁悬浮冷机比普通冷机一次性投资增加约40%，可在5.7年左右从节省的运行费用中回收。
通过技术经济比较和全生命周期成本对比，推荐采用磁悬浮离心式冷水机组作为红岛火车站的冷源，目前设备已经安装调试完毕，后期结合其实际运行情况进行分析。
根据车站空调负荷的变化，实现地铁通风空调系统及设备运行状态的实时调节，以达到节能运行的目的
地铁通风空调系统的各种功能是通过系统中各种设备的运转工作来完成的，要实现整个系统的节能运行就必须根据车站空调负荷的变化对各空调设备的运行状态进行实时的调节和控制，在保证系统功能和运营需求的前提下实现高效节能运行。
我院在深圳地铁一期工程首次将变频调速技术应用到国内轨道交通地铁车站公共区通风空调系统设计中，组合式空调箱的风机变频调节，根据车站公共区空调负荷的变化调节风机转速，实现了车站公共区通风空调系统的节能运行，据当时预测全线车站年节电可超过1300万度，节约电费1000万元以上。
然而仅仅调节风系统实现空调末端设备变风量运行对于整个地铁通风空调系统节能运行而言依然存在一定的改进优化空间。基于空调风系统和水系统是一对耦合系统，两者之间良好的匹配是实现节能的重要保障。如何能够构建风系统和水系统的动态协调控制策略是关键，即在任何条件下，自动跟踪环境和负荷变化，动态调整控制参数和运行参数并以最少的能耗来维持空调设备协调的运行，通过智能控制实现空调末端设备的变风量、变水量节能运行，从而实现系统综合节能的最优化。
采用智能型调节阀实现空调末端的“风水小联动”。智能型调节阀，安装于空调末端表冷器回水管上，如图5所示，即空调水系统中集动态平衡阀、调节阀、流量传感器、温度传感器、执行器于一身的综合型阀门，以实现测量、控制、平衡、关断和能耗监测等多种功能。作为压力无关型的阀门，其阀门流量的变化只与输入控制信号有关，与水系统的压力波动无关，动态地吸收或屏蔽了水系统压力变化对负荷区域温度调节的不利干扰，提高了空调系统温度、流量的控制精度，同时解决大流量小温差以及水力失调问题。控制如下：
（1）对于地铁小系统空调机组，一般采用定频机组，通过调整智能型调节阀的流量，以适应设备房间的负荷变化，实现其自动控制；
（2）对于地铁大系统空调机组，一般采用变频机组，通过实时的负荷变化以及对回风温度的监视，进而调整智能型调节阀的流量，实现其自动控制；具体表现为根据负荷需求调节风量，以回风温度来控制变频器并调节智能型调节阀的流量，实现末端的“风水小联动”，此过程可由空调末端自主实现。
图5 智能型调节阀示意图
创建智能化智慧型地铁车站通风空调节能运行控制系统
中国城市轨道交通协会2020年3月发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，《纲要》的主题词是“推进城轨信息化，发展智能系统，建设智慧城轨”。其中“智能”就是利用先进技术给物质（设备）赋能，以期实现自动化、无人化。“智慧”就是利用先进技术同时赋能于人和物质（设备），以期实现自主采信、学习、决策达到更高效能，因此创建智能化智慧型地铁车站通风空调节能运行控制系统是今后的发展趋势。
4.3.1 地铁车站通风空调节能运行控制策略的优化调整
地铁车站通风空调节能运行控制策略示意图如图6，具体如下：
（1）通过负荷预测技术，杜绝过度供冷；
（2）通过对冷水机组出水温度的调整，提高冷机效率并降低潜热消耗；
（3）通过对冷冻水的有效控制，提高冷冻水环节的输送效率；
（4）通过对冷却水的有效控制，提高冷却水环节的输送效率及系统效率；
（5）通过对送/回风量的有效控制，降低风机能耗；
（6）通过对新风的有效控制，降低对冷源的消耗。
地铁车站通风空调系统及设备在实际运行中是否能达到高效节能的关键在于系统控制策略的落实执行和设备运行状态的自动调整，这其中控制系统形式及控制方式起到了决定作用。
图6 地铁车站通风空调节能运行控制策略
4.3.2 地铁车站通风空调节能运行控制系统的优化调整
地铁车站通风空调控制系统经历了从BAS监视+手动操作（继电器时代）、机房群控+自动操作（计算机时代）、节能改造+自动操作（互联网时代），目前正向风水电集成+大数据（物联网时代）发展，如图7。现有的地铁车站BAS系统形式和控制方式完全限制了地铁通风空调系统的节能运行，急需进行优化调整，实现真正的智能化、智慧化控制运行。
图7 地铁车站通风空调控制系统发展历程
创建智能化智慧型地铁车站通风空调节能运行控制系统，将地铁车站通风空调设备交由节能运行控制系统独立进行控制，不再由BAS系统直接控制，BAS系统可通过与节能控制系统进行通讯接口，下发系统级指令，控制地铁车站通风空调系统及设备的启停。对通风空调系统负荷参数的实时变化进行判断、分析、计算、对比以及对系统中各种设备的运行状态做出相应变化量的调整并下达指令的工作均由节能控制系统完成和实现。BAS系统仅对地铁车站通风空调系统中各种设备的运行状态和参数进行实时监视，如图8。
图8 智能化智慧型地铁车站通风空调节能运行控制系统
绿色建筑，是指在全寿命期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用、高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑 [5] 。绿色城市轨道交通是今后的发展方向和趋势，比照绿色建筑的定义，绿色轨道交通主要是指在从建设到运营的全寿命期内，最大限度地节约资源、保护环境和减少污染，同时提高运载效率和安全系数，为乘客和员工提供安全、健康、便捷的乘车环境和工作环境。所以，打造更安全、更健康、更节能、更环保的城市轨道交通网络，是践行新发展理念、实施健康中国战略的必然要求。因此建议：
（1）在当前国家提倡构建节能、环保型社会的背景下，车站通风空调系统作为城市轨道交通耗能大户，在选择设计方案及相关设备时不仅要考虑系统的功能和设备的初投资，同时还要考虑全生命周期内系统及设备的能效以及后期的运行及维护费用，从全生命周期成本的角度来综合考虑系统方案的确定以及设备的选型和配置。
（2）从设计角度以及实际运行来看，地铁车站通风空调系统会出现经常性的负荷变化，结合此负荷特性及变化规律，选择适合地铁特点的空调设备，采用合理的节能控制策略，建设打造地铁车站高效机房，实现地铁通风空调系统运行调节自动化，实现地铁通风空调系统能耗数据可视化，实现地铁通风空调系统节能最优化，这将是我们轨道交通建设者和设计者今后共同面对的任务和职责。
