夏热冬冷地区地铁车站通风空调系统节能控制系统——以汇金路站为例

肖宾杰，黄亮亮

（隧道股份上海城建设计集团，上海市 200125）

根据上海轨道交通运营线路的能耗统计数据分析，轨道交通地下车站的通风空调系统的能耗约占整个车站总用电量的50%～60%，在运营成本中占比较大[1，2]。为贯彻国家有关节约能源、保护环境的法规和政策，考虑提高空调的能源利用效率，优化和改善夏热冬冷地区轨道交通车站热环境制冷系统设计，是地铁节能的重要措施。

上海轨道交通17号线是中心城向青浦区辐射的放射线，是贯穿青浦区东西客运走廊的通道。线路全长约35.343 km。根据现有车站情况，单一车站年耗电量约130万kWh，全线实施节能控制的预期节能效果显著。

1 节能需求分析

夏热冬冷地区主要指长江中下游及周围区域，夏季闷热，冬季湿冷，气温日较差小，地铁系统需夏季防热、通风降温，冬季通风换气。地铁作为城市公共交通骨干网络，承担超过50%的交通疏导作用，同时是耗电大户，其中通风空调系统耗电量占车站用电的30%～40%，节能措施显得尤为重要。

暖通空调容量设计按照地铁运行远期最大负荷需求选择，实际运营中负荷率低于50%的运行小时数占全部运行时间40%以上，若通风空调系统按照设计容量运行，必将造成很大能源浪费。目前，国内大部分地铁车站暖通空调系统还没有全部采用节能控制技术，分析地铁车站空调系统功能需求，在保障地铁环境质量的同时实现节能，可有效降低其能耗[4，5]。

地铁车站立足以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。上海地处夏热冬冷区域，基于现状及运营和管理需求，车站在冬季保证换气通风；夏季需要制冷和通风。

就能耗而言，地铁暖通耗能达到总用能40%以上，以上海7号线岚皋路站为例，空调季节车站暖通空调设备的月耗电量达到180 210 kWh，5个月空调季耗电量达到901 050 kWh；7个月通风季节的通风设备用能为396 480 kWh；根据该项统计，单一车站的通风空调系统耗电量月为130万kWh[1-3]；结合地区气候特点，研究车站制冷系统节能非常必要和迫切。若节能率提升10%，单个车站即可全年节能13万kWh，按照上海现有395座车站测算，全年节能5 135万kWh，因此如何减少通风空调系统能耗具有突出意义，也是是轨道交通节能工作亟需解决的核心问题。

2 汇金路站通风空调节能控制要求

2.1 车站通风空调系统

汇金路站是17号线单体建筑面积规模最大的车站，呈东西走向布设于盈港东路下方，骑跨盈港东路与汇金路交叉路口，紧邻青浦新城东片大社区。车站为地下一层侧式车站，侧站台宽度7 m，中心里程SK17+995.310。车站总长度为471 m，总建筑面积26 263 m2，设4个出入口及4组风亭，见图1。

图1 汇金路站平面图

城市轨道交通的车站包括地下车站及高架车站，设计重点在于地下车站的通风空调设计，以汇金路站为例包括车站站厅、站台公共区通风空调及防排烟系统（大系统）；车站车行区隧道通风及防排烟系统，简称排热系统；机电设备用房和人员管理用房的通风空调及防排烟系统（小系统）；空调水系统（水系统）。大系统通常采用全空气一次回风中央空调系统，冷源通常采用螺杆式冷水机组。高架车站公共区一般自然通风，设备管理用房空调通常采用变制冷剂流量的多联机空调系统[3]。系统组成见图2。

图2 暖通空调制冷系统组成图

根据现有设计方案，汇金路站采用的典型屏蔽门制式地铁车站通风空调系统包含区间隧道通风系统、车站轨行区通风系统、车站公共区通风空调系统（大系统）、设备管理用房通风空调系统、制冷空调循环水系统。区间隧道通风系统由4台轴流风机（TVF）组成，用于隧道区间通风、排烟。车站轨行区通风系统包含2台轴流风机（UOF），列车停站排除列车制动和空调设备产生的余热；火灾时配合TVF风机用于排除隧道内烟气和控制烟气流向。车站公共区通风空调系统是一次回风双风机系统，车站左右两端对称布置，包括组合式空调箱，回排风机和小新风机组成。正常运营时提供舒适环境的公共空间；当车站站厅或者站台发生火灾时，排除烟气。设备管理用房通风空调系统分为空调系统和通风、排烟系统两大类。制冷空调循环水系统由冷冻水系统和冷却水系统两大部分组成。为车站空调箱提供空调冷冻水，满足空调季各种工况的冷负荷要求。

以上系统中的冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、空调箱、送排风机等设备的总耗电量非常大，是时变动态系统，受季节、天气、环境条件、客流量增减等多因素影响，始终波动变化。

2.2 车站通风空调系统节能需求

地铁站通风空调系统运行中设备按照远期负荷选择与实际负荷不匹配；地铁站通风空调系统的各系统还没有整合成一个系统协同最优化运行。

根据相关设计规范，除了设备管理用房通风空调系统以外，其它各系统的设备容量都是按30年后远期最大客流计算选定，留有一定的余量。由于车站的负荷受早、晚高峰客流、室外气温等因素影响很大，一天的最大冷负荷的出现时间较短，车站通风空调系统多数时间在低负荷运行。制冷季节空调冷负荷多数时间比设计负荷低，供冷期间内负荷率小于50%的运行小时数一般约占全部运行时间的40%以上，车站通风空调系统的节能潜力巨大。

地铁站通风空调系统节能，要求充分分析车站公共区通风空调系统不同工况下运行模式，依据室外温度和焓值，调整风机和阀门运行状态。虽然地铁站通风空调各系统各自实现了自动控制，但是各系统之间并没有真正实现联动联调，整个地铁站通风空调的运行还需要专业人员统一调度运行。车站制冷空调循环水系统节能采用群控；公共区通风空调系统变频控制，水系统和通风空调系统没有建立协同联动关系，不能实现整体最优。寻找“风—水”系统的匹配和协同控制方法，有望提升节能率。

3 汇金路站通风空调系统节能控制设计方案

3.1 系统方案

通过已有节能改造车站的能量消耗分析；需从用能管理、节能控制、设备节能等三个角度，分析和考虑轨道交通车站的制冷系统节能，见图3。

图3 节能优化分析图

节能管理应提供实时能耗的信息和关键能和指标；节能控制利用天气、客流、突发情况实时调整，采取主动负荷预测；基于风水系统动态模型，实时优化以最小化过剩供给，并动态监控设备运行效率。

3.2 系统构成

上海市轨道交通17号线项目公司根据申通地铁集团要求，全线地下车站需要设置“风—水”联调系统，汇金路站车站通风空调系统“风-水”联动智能化控制系统的设计体现了“集中管理、分散控制”的控制思想，系统总体结构见图4，采集实时设备能效数据，动态建模，自动更新，真实反映现场能耗状况并实时控制并优化确定设计方案：

“风-水”联动控制平台与变流量智能控制子系统、各变风量智能控制子系统、轨行区排热风机智能控制节能子系统之间互相协作，实现系统稳定、高效运行。

同时，各控制子系统运行相对独立，每个控制子系统应拥有一个独立的中央控制器，可在现场控制柜上实现本地逻辑连锁及保护控制，控制动作的执行分散到各个控制柜上执行，可有效避免因通信中断、管理平台失效等因素而造成系统控制失效的问题。

图4 制冷控制系统图

3.3 系统功能实现

地铁车站通风空调系统是的风系统与水系统互相影响，由于室内温度控制对象是复杂的大滞后温度对象，建模和精确控制困难。但通过控制各末端组合式空调换热器的冷冻水阀可建立两个独立系统的联系，实现风系统与水系统协调工作，以能量分配平衡的动态水力平衡控制冷水机组，见图5。

图5 “风-水”协同工作实现框图[1]

中央空调主机运行效率随冷却水流量的增加、冷却水温度的降低而提高，而冷却水流量的增加、冷却水温度的降低势必需要冷却水泵、冷却风机消耗更多的电量，主机与冷却水泵、冷却风机能耗成上开口抛物线，抛物线的最低点为主机与冷却系统能耗最低点，优化冷却水流量、温度目标，可提高系统整体运行效率。风水耦合控制设计方案见图6。

图6 风水耦合控制设计方案

在系统末端控制中，大风量小流量、小风量大流量均能实现既定的负荷目标，以系统总能耗为目标。若末端负荷升高，系统回风温度会高于目标设定值，需增大风量和水量，可采用加大的不同风量或水量的不同工况，通过分析不同工况下的能耗状况，以功耗最低的组合为目标。

通过对系统各种工艺参数及设备参数的采集、计算并记录处理机组的输出能量，结合系统特性、循环周期、历史负荷数据预测未来时刻系统的负荷，从而确定制冷量和送风量大小，从而使负荷需求与冷量供给的联动，实时确保供端与需端的最佳匹配，减少产生的冷量浪费。通过回风温湿度，计算负荷区域露点温度，用于设定送风温度，保证送风温度在负荷区域露点温度之上，不产生凝露，降低风机能耗。根据混风露点温度，计算表冷器入口温度最佳值，用于重设冷水机组出水温度，在保证环境湿度要求边界条件下，最大限度降低潜热消耗，冷水机组出水温度综合考虑冷水机组的效率及空调箱风机的效率达到最佳平衡，从而实现系统效率最优。

同时，火灾联动控制提高车站安全性；控制系统预留火灾报警接入接口，并设置火灾模式，当车站任何一个地方发生火灾，控制系统切换至火灾模式，并根据既定策略对系统内设备发出动作指令。结合火灾联动控制和节能控制的节能自动化控制设备见图7。

图7 节能自动化控制设备

设置能效管控平台（见图8）可对多个地铁站运行状态进行集中监测和管理，管理人员可在能效管控平台对各个站点设备进行统一管控，当一个车站某个设备发生故障时，会在滚动报警窗内进行报警，提示管理人员。全面获取和分析全过程节能状态信息和故障信息，利用手机APP，提高数据利用效率和便捷性。

图8 全过程能效管控平台展示图

4 节能控制效果

针对温度控制对象大滞后及建模困难特点，基于负荷预测的模糊控制、基于系统效率最佳的冷却水系统优化控制实施后，系统就制冷控制的参数做优化处理，利用风系统、水系统协同控制的节能自动化控制、全过程能效管控平台，经进化改进算法，在系统试运行阶段运行良好。

节能测试对车站通风空调设备，采用本次活动措施后的节能控制和未采用节能措施（定流量、定风量方式运行）的能耗进行对比测试。在空调负荷基本相同，外部气候条件相近条件下，将采用本次活动措施后的节能控制(对应变流量能耗)和未采用节能措施的定流量、定风量模式交替运行相同的天数，分别对能耗进行测试、记录和对比，得到节能率。

在调试阶段，对一组冷水机组通过对比测试，未采用节能措施的定流量、定风量模式月耗电量和节能模式的统计分析，采用专业化的节能优化控制模型，自动跟踪负荷变化，自动调节冷冻水、冷却水流量、大系统风量，保持系统高效运行，最大限度挖掘节能空间，初期统计节能率为32%，达到较好节能效果，降低了车站通风空调系统运行能耗成本，提高系统长期运行的经济性。

5 结语

节能减排是全社会关注的关键问题，对轨道交通用能占比达到40～50%的暖通空调系统开展节能设计攻关意义突出。本文在已有的上海市轨道交通节能改造基础上，以汇金路站为例开展节能优化设计，设计成果已成功应用于上海轨道交通17号线全线，取得了较好的效果，基于控制理论的风系统、水系统联控自动化节能控制，克服了因客流引起的负荷变化、环境温湿度变化、设备影响等多种干扰因素，对有较大迟滞的温度对象实现优化控制，以基于负荷预测及反馈控制理论为核心的自动化节能控制方案可推广至其他新建线路。