基于地铁综合监控系统的节能管理方式探讨

刘 启 汪 侃 陈 辉

(1.成都地铁运营有限公司，610081，成都;2.上海宝信软件股份有限公司，201900，上海∥第一作者，工程师)

地铁具有高运能、低噪音、占地小、快捷、安全舒适等特点，是目前解决城市交通拥挤问题的首选。但其每天高达数十万千瓦时的电能消耗也是运营单位所必须面对的问题。因此，地铁节能技术日益受到人们的重视，并随之而发展。对于新建线路而言，从设计源头开始就应该重视节能技术的应用。同时，从较多的实际案例中发现运营模式也对地铁能耗有较大的影响，也能应用在对既有线路的节能改造方案中。本文通过对比部分地铁的实际能耗数据，分析了运营模式对地铁能耗的影响，并为地铁节能提供切实可行的方案来有效降低轨道交通系统的能耗。

1 能耗现状

以成都地铁1号线为例，其日能耗数据如表1所示;再以广州地铁1号线为例，其日能耗数据如表2所示。

表1 成都地铁1号线日能耗数据 kWh

表2 广州地铁1号线能耗数据 kWh

依据表1和表2，计算出能耗百分比如表3所示。由表3可知，能耗主要分布在列车牵引用电和动力照明用电上，其占地铁总能耗的85% ～95%。其中，动力及照明用电占总能耗的60%左右，属于地铁节能工作的重点。

表3 地铁能耗百分比 %

2 地铁运营模式对能耗的影响分析

车站通风空调系统作为车站环境调节的设施，在日常运营中担负重要的角色，同时也占用了动力及照明总能耗中较大的份额。因此，本文将针对日常运营中能耗较高且与运营模式密切相关的隧道通风系统运行方式和大、小系统(含冷水系统)空调季节工况运行方式进行分析。

2.1 隧道通风系统运行能耗分析

隧道通风系统分为区间隧道活塞风、机械通风系统(兼排烟系统)和车站范围内、屏蔽门外站台下排热和车行道顶部排热系统，主要负责兼排烟、阻塞工况通风和早晚换气、排除空气异味、改善空气质量等功能。区间隧道活塞风通风主要是依靠列车正常运行时产生的活塞风与室外空气进行置换，排除区间隧道内的余热、余湿。而机械通风系统则通过在车站两端设置隧道风机来辅助送排风。

正常情况下，国内地铁一般在每日运营前一段时间和运营结束后一段时间(通常为0.5 h至1 h)启动全线的隧道风机，作早晚清洁通风用，以排除空气异味、改善空气质量。但从已开通的地铁线路运营情况来看，对此部分能耗尚存在如下异议。

1)对早晚间隧道通风:对于早间通风，鉴于夜间停运时间较长，导致隧道区间内壁出现凝露、腐蚀性湿气加重等现象，通过隧道风机将此类气体排出，不仅能够保证空气质量，还能够降低区间内机电设备的腐蚀性损耗。地铁设计规范也要求隧道区间的二氧化碳浓度不应该超过1.5‰。但目前运营线路所设置的通风时长还缺乏相关依据。对于晚间通风，鉴于列车经过近一天的运行，隧道区间因活塞风而持续保持与外部的空气置换，此外夜间停运期间，不存在客流，因此晚间通风的意义完全小于其所占用的能耗。

2)对全线隧道通风站点:一般当隧道区间内列车运行数量超过一定的数值时，地铁运营方会开启全线的隧道通风系统，以保障列车内的空气质量，确保乘客的舒适度不受影响。但事实上列车在隧道中高速行驶所形成的活塞风量能够在一定程度上缓解隧道区间内空气的停滞情况，且每条地铁线路的每座车站纵深都不一致，因此，若按照统一的标准执行隧道通风系统工况，难免存在不合理的现象。

2.2 空调季节运营耗能分析

目前，国内大陆地区地铁将全年分为空调季节工况运行和非空调季节工况运行2大类，且一般每年的5月份至10月份为空调季节。

根据《地铁设计规范》中关于地下车站通风与空调系统的描述:“当车站采用通风系统时，站内夏季的空气计算温度不宜高于室外空气计算温度5℃，且不应超过30℃;当采用空调系统时，站厅的空气计算温度比空调室外计算干球温度低2～3℃，且不应高于30℃”。但在日常运营中，为了保证在运营期间不降低乘客的舒适度，即使在非炎热的季节时，也沿用空调季节工况运行，因此，此部分也存在较为不合理的能耗浪费。

此外，在空调季节车站内气温上升主要由人体散热及照明等设备散热所致，对于一些总体客流量较小的车站仅仅上下班高峰期才会出现较大的客流，若全线按照统一的大系统工况模式运行，也存在较为不合理的现象。

2.3 其它设备能耗分析

2.3.1 电扶梯

根据目前设计现状，电扶梯采用变频调速控制，无人情况下电扶梯以50%以下低速运行，有人情况下以50%～100%的速度运行。此种状态也存在较为不合理的现象:

1)正常运营期间，有人情况下电扶梯以50%～100%的速度运行，因此当乘客数量为1人和数量为50人时，电扶梯能耗一样;

2)在无人情况下，电扶梯以50%以下低速运行，则浪费了变频调速功能，且导致能源浪费;

3)全线客流并不平均，按统一标准执行的话，会造成全线各站电扶梯能耗比一样的结果。

对于电梯而言，在实际运行中经常会出现以下两种现象:一是乘客较多或者满员时轿箱下降;二是乘客比较少或者没有乘客时轿箱上升。这两种现象都属于能源浪费，因此电梯的运行方式也存在不合理的现象。

2.3.2 照明

照明系统可分为智能照明、广告照明和区间疏散照明等3种。智能照明及广告照明主要在运营期间开启，但运营期间的智能照明及广告照明的开启模式存在着一定的节能空间。目前，智能照明及广告照明均设置有全开、半开及1/4开的模式，因此，若根据车站内部本身的光照度来决定开启的模式，则可节约部分能耗。至于运营期间始终开着的区间疏散照明，完全与运营无关，也是一种不合理的现象。

3 运营模式优化策略

通过上述分析，可明确目前运营模式中所存在的能源浪费现象，现利用地铁的综合监控系统功能，提出相对应的节能策略来优化运营模式，可在不降低运营质量的前提下降低不合理的能耗。

3.1 隧道通风系统运行模式的优化

对于早间通风，考虑到开启完毕后将直接开始全天的运营，因此其通风时长完全可以按照隧道区间内气体全部置换一次的时间来执行。即，通过估算全线隧道区间的空间总体积及单位时间内全线隧道风机的总排风量，来计算隧道风机每天早间通风前需要运行的时间。以成都地铁1号线为例，计算得知全线隧道区间内的空气全部置换一次的时间约10 min，假定以之前设置30 min隧道通风时间来作对比，则可降低隧道风机运行时长20 min。假设地铁隧道风机单台功率为90 kW，则可计算出成都地铁1号线早间68台风机节省的能耗为2040 kWh。

对于晚间通风，考虑到停运之后仅部分调试车辆通行，因此全线继续开启隧道风机运行0.5 h的意义不大，属于可优化范畴。仍以成都地铁1号线为例，为此可降低能耗3060 kWh。

综上所述，全线仅每日早晚间通风一项通过优化就可节能5100 kWh。

此外，《地铁设计规范》中规定，对建有屏蔽门系统的车站隧道区间，其温度不应该超过40℃;国内部分设计部门所制定的设计标准要求隧道区间的二氧化碳浓度不应该超过1.5‰。因此，可由地铁的综合监控系统根据环控系统实时监测的隧道区间温湿度和二氧化碳浓度来判断是否需要启动隧道通风系统。通过这种方式可以完全融合阻塞工况通风和早晚换气通风。根据综合监控系统采集的隧道区间平均温度和二氧化碳平均浓度，经过运算可确定全线哪些站点需要开启隧道通风系统，当隧道区间内环境改善至符合要求后，再实时关闭隧道风机。这样就可兼顾运营质量及节能措施，从而降低因不合理的规章制度带来的能耗浪费。

3.2 空调季节运营模式的优化

目前，国内大陆地区对于空调季节的划分尚无明确的界限，一般设定为每年的5月份至10月份。但每个城市地理位置存在差异，因此，每条地铁需要根据自身全年平均温度来划分空调季节。与此同时，空调季节的缩短会引起因天气反常而导致的乘客舒适度下降，所以在缩短空调季节的同时，需要借助综合监控系统来保证地铁环境舒适度不会下降。在乘客舒适度不被降低的前提下，空调季节的缩短所带来最直接的效果便是此期间冷水系统的节能。此外，可通过车站通风空调系统启停优化控制、焓值优化控制等方式来进一步实现车站节能。

3.2.1 车站通风空调系统启停优化控制

车站通风空调系统的过早启动和过迟停止，均会延长设备运行时间从而增大能耗值。因此，需要对通风空调系统的启停控制进行优化，即进行最优启停控制(如图1所示)。由于空调系统冷惯性特性，在地铁每日运营开始之前需提前启动空调系统，使车站预冷，以保证地铁正式运营时车站温度处于要求范围。同理，在地铁运营停止之前停止空调系统，利用其冷惯性来保证车站内温度不会很快变化，使车站温度在地铁停运前维持在要求的范围内。

目前，国内大陆地区地铁基本都在当天最早时间开启车站通风空调系统。通过图1可知，最优启动时间为地铁开始运营前的一个预冷期，而最优停止时间也不是当天的地铁运营结束时间，而是利用冷惯性提前停止。通过优化启停控制来实现预冷能耗的节省。由于推迟启动和提前停止空调设备运营，缩短了其运行时间而节省了动力耗电，在满足车站温度控制需求的前提下可节约通风空调系统的能耗。

图1 车站空调系统最优启停示意图

对于预冷期的确定，可利用地铁综合监控系统的公共区温湿度传感器趋势图来初步估算，为更准确地计算预冷期，可利用公共区内外温度之差及通风空调系统制冷功率来作进一步核算。

3.2.2 车站空气焓值的优化控制

人体感觉最舒适的温度为21～24℃，但一般情况下，车站内与室外温度维持一定的温差即能保证乘客进入车站时感觉舒适，因此可通过动态地设定车站空气的焓值，即以车站室外的温度参数和车站内的冷负荷需求来修改车站空气焓值的设定。这样，可在不降低乘客舒适度的前提下节省不必要的能耗。

对于车站供冷来说，提高车站空气焓值设定是最直接和最有效的节能方法。因此，车站的空气焓值设定代表了车站冷负荷的大小。目前，地铁综合监控系统的空气焓值控制一般采用温度越限触发，如图2所示。

图2 车站空气焓值控制示意图

当室外温度超过车站空气焓值设定值之后，即启动车站供冷。从图2中也可看出，一旦温度越限，则供冷设备立即运行，因此，优化动态焓值设定后(如图3所示)，可始终保持室内外的温差处于一个固定值，而动态地提高车站供冷的触发条件，从而降低能耗。

图3 车站空气焓值优化控制示意图

此外，车站冷负荷主要包括列车运行散热负荷、列车活塞风负荷、乘客负荷、新风空气负荷、车站设备及照明负荷，以及由车站墙面吸放热所增减的负荷。当车站设置站台屏蔽门之后，列车活塞风负荷对车站的影响几乎可以忽略，而列车运行散热负荷仅在列车到站和在屏蔽门打开到关闭的短时间内有所影响。故对车站的温度影响不大，通过车站温度的调节，可以在短时间内恢复。车站设备及照明负荷及由车站墙面吸放热所增减的负荷都相对比较固定。而乘客负荷变化较大，并且新风空气负荷也是随着乘客负荷的增加而增加，这也为车站温度的调节提供了一定的依据。

3.3 其它设备的运营优化

3.3.1 电扶梯节能

自动扶梯和电梯是公共场所运送乘客的最典型设备。自动扶梯在无人搭乘时仍然在工作。通过对成都地铁运营状况的分析可知，自动扶梯和电梯用电量占车站机电设备总用电量的10%左右。

据实际运营经验，除几个乘客比较集中站点的自动扶梯乘客使用率比较高外，有相当部分站点出入口自动扶梯等的使用率都比较低，对于这部分自动扶梯，可以考虑一直以50%的速度运行，以节约能耗。

针对电梯设备，可以选择加装电能回馈器的电梯品牌。电梯能源回馈器的节能效益是相当高的。中国特种设备检验协会对某电梯产品进行过能耗测试:工况为100%载荷(满载)时往返10次的耗电量，用电能回馈技术前耗电0.852 kWh，应用电能回馈技术后耗电0.472 kWh，节电率超过44%;工况为0%载荷(空载)时往返10次的耗电量，用电能回馈技术前耗电0.748 kWh，应用电能回馈技术后耗电0.486 kWh，节电率超过 35%。

3.3.2 照明节能

照明系统占车站动力照明系统用电量的16%。其可以从以下几方面考虑节能:

1)对于公共区照明系统，可以采取时间表控制等方式来对灯具开启时间进行优化，从而达到减少照明系统能耗的目的。例如，当列车停运后可以自动开启1/4模式，只开启1/4的站台、站厅照明。按列车运营17 h算，可以节约大约30%的电量。

2)对于广告照明，也可采取时间表控制的方式对灯具开启时间进行优化，从而达到减少照明系统能耗的目的。在列车停运后即可关闭所有的广告照明。

3)区间工作照明可以在列车运营时间关闭，相比全天候开启工作照明的方式可节约能耗。

4 结语

城市轨道交通不仅能提供高效、优质的公交出行服务，而且是一种集约化的交通方式，能节约能源和土地资源，在改善城市环境、缓解交通拥挤等方面有明显优势。但由于城市轨道交通系统十分复杂，涉及到多个专业，规范能耗评价体系的建立是发展的必然趋势。对于国内已运营的近70条城市轨道交通线路来说，设备节能技术的确能够降低一定的能耗，但同时需要一定的投资成本。因此，通过优化运营模式的无成本节约能耗的方式，应当作为城市轨道交通节能的首选。

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