基于地铁环控能耗数据模拟的运营策略分析

王 晖，高俊逸，毛 纬

（1.南京地铁运营有限责任公司，江苏南京 210012；2.中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏南京 210008）

1 引言

截至2021 年底，中国内地累计有50 个城市投运城市轨道交通线路9 206.8 km，其中地铁7 209.7 km，占比78.3%[1]。地铁运营耗能巨大，能耗费用超过总运营费用的25%，而环控能耗占总能耗的1/3～1/2[2]，因此选择合理的环控模式有助于节约地铁运营费用。本文利用ses 软件对南京地铁10 号线隧道开展通风模拟，分别分析初期和远期在开启和关闭隧道排热风机时，隧道各节点的风速、风量和温度参数的变化及地铁隧道累年温升对空调能耗的影响；同时对各站环控系统设备用电量进行全年逐时的现场测试、收集、统计和分析，建立能耗大数据分析模型与评价模型，找出耗电量分布规律，建立可视连续地下区间与车站环控系统能耗模拟模型，用大数据为地铁能耗提出评价与运营策略。

2 车站分类

地铁线路和车站形式多样，有必要对车站以聚类的方式分类。根据均方根误差最小原理，从能耗数据中选取表征值，不同时段的表征值的拟合曲线可以代表该时段内的能耗分布规律。将能耗规律相似的车站组成一类，研究其相同的变化规律。对南京地铁10 号线车站能耗参数进行聚类分析，用SQL Server 2012 软件对平均化后的车站环控系统空调季逐日能耗数据进行分析处理，得到能耗规模、能耗规律、用能特性不同的4 类车站，如表1 所示[3]。车站用能规模Ⅰ类＞Ⅱ类＞Ⅲ类＞Ⅳ类，Ⅰ类、Ⅲ类和Ⅱ类、Ⅳ类车站能耗规律不同，前者能耗波动较大[4]。

表1 南京地铁10 号线车站环控能耗聚类结果

3 模拟工况

地铁区间隧道内空气流动是三维可压缩流体非恒定紊流。由于隧道长度远大于隧道的断面几何尺寸，且隧道断面上气流速度和压强分布比较均匀，为简化计算，将地铁隧道、车站内空气流动简化为以当量直径作为特征尺寸、以断面上气流各要素平均值为变量的圆管内气流一维非恒定流动[5]。在ses 软件模拟输入隧道及站轨布置、列车营运数据、客流资料、隧道外界气象参数及土壤热工特性、列车运行数据等。

夏季室外计算参数采用近20 年夏季地铁晚高峰负荷时平均每年不保证30 h 的干（湿）球温度，南京地区夏季晚高峰室外计算干球温度为32.4℃，湿球温度为28.1℃；冬季模拟工况取1 月的日平均温度为2.2 ℃，晚高峰室外计算相对湿度为65%。列车按最高80 km/h 速度运行，乘客进站时总停留时间4.5 min，乘客出站时总停留时间3 min，乘客在车站区域人体产热（全热）按182 W/人计算。利用ses 软件对隧道开展通风模拟工作。

4 通风季模拟分析

4.1 车站闭式通风

闭式运行时，所有通风机均不工作，开活塞风井，列车活塞风补充各车站的乘客新风量[6]。根据乘客停留时间和预测客流量，按照GB 50157-2013 《地铁设计规范》和车站客流要求计算人均所需新风量理论值[6-7]，利用 ses 软件对不同时期隧道开展通风模拟。雨山路站不同时期站台所需新风量理论值与模拟值如表2 所示，将理论值与模拟值相比可知，初期模拟值大于理论值，说明此时车站空调大系统关闭新风阀后活塞风带来的新风量满足规范要求；而近期、远期模拟值小于理论值，说明此时活塞风带来的新风量低于理论要求的新风量，需要额外补充新风量，此时关闭新风阀则不能满足规范要求。

表2 雨山路站不同时期站台闭式通风所需新风量数值

4.2 隧道TEF通风

地铁系统产生的热量部分通过通风释放到大气中，约25 %～ 40 %的热量被周围的岩土层吸收，致使隧道围岩温度不断上升[8-9]。车站轨行区排热风机（TEF）有利于列车顶和站台附近的空气散热，尤其在非空调季可有效排除车站发热量，避免车站超温。在关闭排热风机的情况下，南京地铁10 号线不同时期的地铁隧道温度如图1所示。由图可知，初期隧道温度在21℃波动，最高温度为30℃，符合GB 50157-2013 《地铁设计规范》要求；近期隧道温度逼近35℃，考虑隧道环境和车载空调运行工况，建议高峰时段适当开启排热风机；远期隧道温度在31℃波动，最高温度大于40℃，不符合设计规范要求，因此必须开启排热风机进行机械排风。

图1 不同时期地铁隧道温度分布图

近期、远期上行线排热风机不同排风量下隧道最高温度分布分别如图2、图3 所示，其中排风量50 m3/s 为排热风机的全工况状态。从图2、图3 可以看出，开启排热风机后近期隧道空气整体温度在24～38 ℃，远期隧道空气整体温度在31～39 ℃；隧道空气温度随着排风量的增加而降低，排热风机对隧道区间的温度影响较大，对站台空气温度影响较小。

图2 近期上行线排热风机不同排风量下隧道最高温度分布

图3 远期上行线排热风机不同排风量下隧道最高温度分布

4.3 排热风机模拟运行频率

根据近期、远期排热风机不同排风量下隧道最高温度分布以及列车运行产热量和列车空调冷凝器隧道内散热情况[10-11]，利用通风计算公式（1）[12]可得到不同时期将列车在区间的散热排出隧道所需要的风量，即排热风机工作风量近期为52 000 m3/h、远期为70 000 m3/h。车站排热风机额定风量为126 000～144 000 m3/h。工作风量与额定风量之比即为风机运行频率与工频之比，由此可以确定排热风机不同时期的运行频率：近期为18～21 Hz，远期为24～27 Hz。

式（1）中，G为通风量，kg/s；Q为空气的余热，kJ/s；c 为空气的质量比热，1.01 kJ/（kg · ℃）；tp为排出空气的温度，℃；t0为进入空气的温度，℃。

5 空调季能耗模拟分析（以第 I 类车站为例）

5.1 逐日能耗值

对空调能耗进行数据拟合与分析，每小时选取1 个能耗值代表1 个月该时刻的动力能耗值，以均方根误差最小为判据来确定这个代表值。均方根误差的表达式为：

式（2）中，Re 为均方根误差；xi为i日某时刻的动力能耗值；x为Re 最小时的能耗值；n为逐时能耗数据个数。当Re 的值越小，越能代表这组数据。

利用均方根误差的方法，对第Ⅰ类车站各站空调季逐日能耗取代表值，如图4 所示。

图4 第Ⅰ类车站逐日空调能耗图（空调季）

5.2 逐月能耗模型

将各车站逐日能耗求和得到逐月通风空调能耗，再将同一类车站各站能耗平均得到该类车站逐月通风空调平均能耗，如图5 所示。

图5 第Ⅰ类车站逐月通风空调平均能耗图（空调季）

对各类车站逐月平均能耗进行Matlab 的非线性曲线拟合[13]，得到不同类别的车站能耗拟合公式，如表3所示。其中x为时长，月；y为通风空调能耗，kW · h。

表3 车站空调季逐月通风空调能耗拟合公式

5.3 空调机组模拟运行频率

根据标准车站空调负荷以及站内外空气状态参数，按一次回风无再热最大送风温差方式处理送风，利用风量计算公式（3）[14]可得车站总送风量。

式（3）中，G为车站总送风量，m3/ h；q为车站空调负荷，kW；h室内为车站内空气焓值，kJ/kg；h送风为车站外空气焓值，kJ/kg。

总送风量减去最小新风量即为空调机组实际送风量。实际送风量与额定送风量之比即为风机运行频率与工频之比（0.82）[15]，因此，风机最高运行频率为0.82×50 = 41 Hz。根据不同时段风机运行与峰值运行的能耗比、转速比，可得Ⅰ类车站各年段空调机组运行频率如表4 所示。

表4 Ⅰ类车站空调季逐年空调机组运行频率

6 模拟运营策略及节能分析

以南京地铁10 号线为例，通过模拟各车站通风系统运行模式和对各车站环控系统设备用电量全年逐时的现场测试、比对和分析，得到环控系统节能优化运行方案如下：①活塞风阀和迂回风道全年开启；②空调机组初期风机频率为19～21 Hz，近期风机频率为23～31 Hz，远期风机频率为35～41 Hz；③TEF 风机初期不开，近期和远期早晚高峰开，风机频率分别为18～21 Hz、24～27 Hz。

优化环控系统运行方案后各车站全年通风空调能耗如表5 所示，模拟方案较原方案每年节省用电量48.35 万kW · h，节能比为10.13%。

表5 全年通风空调模拟方案能耗值与实际能耗值比较 万kW · h

7 结语及建议

通过南京地铁10 号线车站环控系统模拟运行方案与实际运行方案能耗对比可知，模拟运行方案优于实际运行方案，可以此为依据修改环控系统控制程序，以实现在满足车站舒适度的前提下，设备更经济节能地自动运行。优化方案还可从以下两方面入手：一方面是根据室外气象、列车运行安排与客流量确定第二日的环境参数，制定相应的运行模式；另一方面是采用在线测试的方式，根据室内、室外气象条件的变化参数使用变频调风机转速的方法调整站内设定值，不断的修正运行模式。