基于城市轨道交通环境的暖通空调节能探讨

孙 炜

（济南轨道交通集团建设投资有限公司，山东 济南 250014）

引言

随着城市化进程的不断推进，城市轨道交通已然成为了城市内外主流的公共交通工具，极大缓解了市内交通压力。与此同时，随着城市居民生活水平的不断攀升，居民出行愈发重视品质的提升，安静、舒适、便捷、快速的出行方式已然成为我国城市轨道交通的标配。但是舒适的出行环境往往伴随着巨大的能耗，根据相关统计[1]，在我国的城市轨道交通中，暖通空调在地铁运行中的能耗占比高达30.29%，而地铁牵引用电仅占地铁运行能耗中的44.39%，在地铁站中，暖通空调所占的能耗比例高达60%以上，同时，轨道交通系统的暖通温度的设定标准在很大程度上与一般人群的机体耐受温度和适应温度的标准并不一致，即夏天温度过低和冬天温度过高，使得使用公共轨道交通的一般人群在舒适感上的体验不佳，甚至会产生发热和感冒等一系列不良反映。而这些不合理的温度设定正是轨道交通系统造成大量能耗的主要原因。可以说，暖通空调的节能问题迫在眉睫[2]。

1 主流轨道交通暖通空调系统

以城市地铁暖通空调系统为例，为了使得地铁站和车厢内部的空气质量和温度等得到有效调节，使其达到安全和舒适的根本目的，地铁系统的暖通空调系统运用了大量的相应设备对气体环境进行调节。按照效应目的来分，可以分成以通风换气为主的排风机组和以调控温度湿度为主多的空调机组，上述机组既可以独立工作又能够在必要时进行联动调节。而按照系统调风工作的基本原理，目前主流的暖通空调系统分为两类，分别为：

1）屏蔽门系统，通过在车站与隧道轨行区之间设置屏蔽门，可以大幅度减少车厢与车站外部环境的空气对流效应，较为有效地阻止夏季冷量的耗散和冬季的热量的耗散，从而可以有效防止能源的耗散与浪费，根据研究结果显示，屏蔽门系统可以降低暖通空调的冷载荷比例接近四成，整体的耗能节约达到三成以上。在车站内部，设置空调系统，根据季节、人流量、环境温度等因素对车站整体的温度、湿度等因素进行控制；在轨行区则设置通风系统，实现通风的功能。

2）开闭式系统，开闭式系统大多与季节相匹配，随着季节的变化不断调整其运行模式，在春秋季等常规性过度季节，闭式系统采用开式运行的方式连通地铁站的内部与外部，利用“活塞效应”进行通风换气；而在冬季和夏季等季节，则进行闭式运行，隔绝地铁站的内部与外部，防止车站内的冷热量散失，采用通风机对地铁站内部进行通风，确保车站内部所需的新鲜空气量。开式系统在中国运用比例相对较低，因其适宜用于当地最热月的平均气温不超过25 ℃的区域，并且地铁运量不宜过大，且开式系统容易堆积静电粉尘，对车厢电控设备会产生一定概率的负面影响。而闭式系统的应用相对较多，适宜用于运行当地最热月平均气温超过25 ℃的区域，并且其能够满足人群高运量和发车高密度的要求。

2 城市轨道交通中暖通空调的节能分析

城市轨道交通中暖通空调的节能首要考虑因素是在源头处进行处理，在设计之初进行暖通空调的选型时即要进行考虑。在现行的设计模式下，相关设计人员为了压缩设计工时，对于暖通空调系统的相关参数设定往往直接借鉴已有轨道交通系统的相关设计参数，或者直接以选型的暖通空调设备的铭牌参数作为设计参数，这样在很大程度上忽略了区域个体的差别，也忽略了不同区域人群的气候耐受和适宜程度，直接表现气温的过高或者过低，湿度的不适宜等。在对暖通空调系统进行设计初期，就要考虑到不同阶段和不同工况下的环境参数，如温度、湿度、风量等，同时也要考虑所处区域的土壤综合传热系数、气压、空气常规湿度等，并且应在各项参数的协同运作下进行精密设计，防止出现不适宜的高峰或者低峰值。

除了在暖通空调的系统形式选型方面进行节能处理，还可以在暖通空调的智能化可控制上着手进行改进升级。传统的暖通空调控制结构中，大多采用定频式运行，其控制形式较为单一，无法根据温度、湿度等因素的实时变化而进行相应的调整运行，导致其能耗居高不下[3-4]。

3 城市轨道交通中暖通空调的智能节能技术

现阶段主流的暖通空调智能控制手段主要有以下几种：

1）根据负荷控制中央空调系统。通过设置大量的温度、湿度等传感器实时监控现场的温度、湿度情况，对数据进行预处理后实时储存在数据库中，考虑到空调控制温度与实际温度之间存在着一定的滞后性，因此根据数据库中的历史数据信息，确定预测周期，建立起预测模型进行负荷预测，提前进行暖通空调的调控，以实现节能效果。中央空调系统控制流程如图1所示。

图1 中央空调系统控制流程

2）利用无线传感器技术控制中央空调。通过设置无线传感器获得室内与室外的温度、湿度与红外信息等，通过设置神经网络算法对其进行处理并进行滞后性的预测计算，通过预测的计算结果随时调整中央空调。

3）通过负荷预测实现对中央空调系统群控。通过对室内外温度、湿度等各项数值的监控，实现对中央空调各项工况负荷和相关工况参数的预测，根据预测结果控制中央空调系统对于具体终端机组相关参数的设定和调节，以及确定是否增加或减少辅机、冷冻机的工作运行数量，还可以根据预测结果实现对辅机、冷冻机的温度预设和调控，减少系统的能源浪费，以达到系统节能的效果，其流程图如图2 所示。

图2 通过负荷预测实现对中央空调系统群控流程

4）模糊自适应优化控制技术。通过在回水、供水管路上设置传感器，实时采集其温度信号，将信号通过算法处理，根据处理结果输出控制信号，实时计算获得冷却水泵和冷却风机控制回路中的比例与积分控制器参数，使其可以实时地自动适应中央空调系统工况的变化。

5）合理选定空调系统的型号。按照提高气体工作压力的原理进行分类，空调压缩机可分为容积式和速度式。城市轨道暖通空调系统的选型应优先选择容积式，如螺杆压缩机组。该类型的工作机组可以承受较大的压力载荷，且工作状态较为稳定，机械结构简单，维护保养方便。

6）压缩输运系统能耗指标。在暖通空调系统中，输运系统主要对传递热量和冷量的工质进行运输，执行该项任务的机械机组主要是水泵和风机，通过消耗外部功源实现对水、油和空气等工质的输运和转变物理特性或者形态。输运系统的能量消耗占比较大，如果可以减少不必要的输运耗能，降低输运过程的能量损失，其整体的节能效果可以较为明显地体现在整个暖通空调系统的节能效果上，其具体方法为通过设计手段，加大执行冷凝功能和冷却功能部位的工质的温度差，根据热力学第二定律，其可直接降低输运工质的单位能耗。另一种方式为降低工质的流动速度，使得输运工质以较低的流速进行工作。

7）多工质联合调控节能系统。地铁暖通空调系统中，按照循环工质对机组设备进行分类，可分为以空气为工质的空调机组、回风机组、排风机组等和以水为工质的各类水泵和冷凝、冷却机组等。分布在车站系统的诸多传感器在采集完数据后，通过通信线路传递到空气工质系统和水系统控制的二级控制单元，数据在此经过解析和初步存储后向多工质联合调控系统的中心控制单元进行传输，中心控制单元通过模拟算法进行生态计算，向空气工质系统和水系统的各类机组控制智能中端发送指令，决定它们以适合的参数工况进行运行，或者决定某些终端或者机组是否临时关闭，以维持一定范围内的系统环境参数。这种联合调控模式充分发挥智能算法和实时控制的优点，可以在很大程度上实现轨道交通系统节能的目的和效果。

4 结语

我国城市轨道交通的规模正在逐年扩大，除了对速度、长度上的要求逐渐攀升，对其舒适度、能耗节能的要求也在逐渐提升。在实际生产运行中，暖通空调所占的能耗比例仅次于动力牵引耗电，因此暖通空调的节能问题迫在眉睫。本文总结了地铁轨道交通的特殊环境状况，包括其地理和区域特性、系统环境特性。研究了主流的轨道交通暖通空调系统，探讨了城市轨道交通中暖通空调的节能措施，除了在设计之初对暖通空调的选型进行节能设计外，还可以在暖通空调的智能化可控制上着手进行改进升级，并且在设计时，要统筹兼顾地铁轨道系统所处环境的特性与系统节能的综合要求，最后探究了数种主流的暖通空调智能控制手段，为城市轨道交通暖通节能提供了一定的借鉴与参考[5-6]。