基于城市轨道交通智慧车站运营环境的暖通空调节能技术研究

陈丽涵 彭玮 王晓霞

【摘  要】 地铁的能源消耗主要来自通风和空调系统，在整体能耗中占比约30%，在南方地区更高，甚至达到45%～50%。在需要空调供应的季节，通风空调系统的能耗甚至占到地铁站点总能耗的60%～70%，成为地铁站内的主要耗电设备。因此，采用合理的通风空调的节能控制方案是降低地铁能耗的关键措施。

【关键词】 通风空调；地铁车站；节能控制方案；风水联动控制系统

城市轨道交通是现代城市公共交通的重要组成部分，具有运量大、速度快、准时性高等优势。然而，随着地铁线路的扩建和客流量的增加，地铁车站能源消耗问题日益凸显。通风空调系统是地铁车站的重要能耗设备之一，其能源消耗占比较大。因此，开展城市轨道交通智慧车站暖通空调节能技术的研究，对降低地铁车站能耗、提高能源利用效率而言具有重要意义。

一、城市轨道交通智慧车站的运营环境分析

城市轨道交通智慧车站运营环境具备以下特点：

1. 高客流量：作为城市交通的关键节点，城铁车站每天承载大量乘客。为了满足这一需求，车站需要提供高效便捷的乘车服务，包括快速安检、方便购票以及舒适的候车环境。

2. 高密闭性：为确保乘客舒适度，车站通常采用封闭式设计，但这也意味着对站内温度、湿度的控制更为重要。封闭式设计带来了较高的能耗，为了降低能耗，需要引入智能化设备进行能源管理，并通过提高设备能效、优化车站布局等方式实现。

3. 高能耗：由于客流量大且密闭性强，车站需要维持恒温、恒湿的环境，因此能耗较高。智慧车站应采取一系列节能措施，如使用智能化设备对空调系统进行精细化控制。通过智能化设备，可以根据实际需求灵活调整设备的运行状态和温度参数，以实现节能、高效地运行。同时，引入可再生能源技术，如太阳能和风能发电，以减少对传统能源的依赖，进一步降低能源消耗。

二、暖通空调节能技术研究与应用

针对城市轨道交通智慧车站运营环境的特点，文章提出了以下暖通空调节能技术的研究与应用：

1. 智能控制技术：引入先进的智能控制技术，实现站内温度、湿度、风速等参数的实时监控和自动调整。根据客流量和天气情况自动调整空调系统的运行方案，以最大程度降低能耗。

2. 天然能源利用技术：充分利用站内的天然能源，如太阳能、地热等。例如，利用地源热泵技术为车站提供冷暖服务，并通过太阳能集热器向车站供应热水。

3. 高效设备与系统优化技术：选用高效、低耗的暖通空调设备，如高效压缩机、低阻高效过滤器等。同时，通过降低系统阻力、提高热交换效率等措施对暖通系统进行优化设计。

4. 冷凝水回收再利用技术：将空调系统的冷凝水回收并处理后，用于车站内环境的加湿、冷却等需求。这既节约了水资源，又降低了能耗。

5. 能量回收技术：运用专门的排风能量回收装置，如高效的全热交换器，捕获排风中蕴含的能量，并将其转化为可再利用的资源。

6. 能源管理智能化平台：实行对站内各类设备能耗的实时、精确监测，并进行深入的数据分析。借助先进的数据挖掘技术和优化算法，实现能源管理的智能化与高效化，提升能源利用效率。

三、风水联动控制系统的应用案例

以某地铁线路为例，本研究详细介绍了风水联动控制系统的应用。该系统通过集成空调水系统、大系统和小系统等被控对象，采用主动寻优控制策略，实现对空调系统的全面智能化控制和管理。空调水系统采用冷冻水变频控制策略，根据实际需求调整冷冻泵的运行频率，从而实现节能降耗。同时，系统还配备了温湿度感应器、CO2感应器等设备，实时监测车站内的环境参数，为智能控制提供数据支持。

（一）空调水系统

1. 冷冻水变频控制策略

通过实施冷冻水的变频调节，能够精准控制供回水压差值，使得风水联动控制系统能够根据实时负荷变化进行灵活调整。在调节水泵转速的过程中，确保冷冻水的稳定供应。这种调节方式不仅提高了能源利用效率，还确保了空调系统的稳定运行和舒适环境的营造。

以前述地铁线为例，系统内的冷冻水泵采用变频变流控制的方式。这种控制方式能够实现对空调系统负荷和冷冻水循环状态的全面监控，为系统的优化运行和节能管理提供有力的数据支持。

2. 冷冻水变频控制方式

每台冷冻水泵均搭载变频器，实现了变频调速。结合采用固定温度差控制策略和最低压差保护控制策略，效果显著。

（1）采用PID控制策略（如图1所示），通过安装在冷冻供回水管路表面的温度传感器来调节冷冻水泵的频率，实时测量管路水温，并计算管路水温与设定值的差异。根据PID操作策略，确保在变频控制调节过程中显示的转速满足系统所需的温度差。

（2）通过安装在冷冻水供回水管道上的压力传感器，实时测量管道的实际压力，并据此计算出供回水之间的压差。这个计算出的压差会与预设的压差值进行比较（以样板站为例，默认设置为0.2bar，但可根据实际运行状况在后期现场调试时进行灵活调整）。一旦实际测得的压差低于设定的压差，系统会立即启动PID操作，通过智能算法调节冷冻水泵的运行频率，以增加水流量，确保供回水之间的压差维持在设定范围内。通过这样的智能化调节，不仅能够确保冷冻水系统的稳定运行，还能实现能源的高效利用。

（二）冷水机组控制策略

1. 控制冷水机组的策略

（1）当风水联动控制系统接收到开机指令时，系统会优先启动运行时间较短的机组，以确保机组间的平衡使用和延长机组寿命。

（2）待首台螺杆机组正常运转并经过一段时间的延迟后，系统将检测冷水机组的容量百分率。若当前负荷率百分比超过预设的加机阈值，并且冷冻水总供水温度持续超过设定值达20分钟（该时间可调），系统将自动启动另一台冷水机组，以满足更高的冷却需求。

（3）当两台冷水机组同时运行时，系统将对它们的当前容量百分比进行延时检测。如果两台机组的平均负荷率百分比低于预设的减机阈值，并且这种低负荷状态持续达10分钟（该时间可调），系统将减少一台冷水机组的运行，以节省能源和减少不必要的磨损。

（4）当冷水机组数量减少至仅剩一台时，系统将停止进一步的减载操作，以确保至少有一台机组在运行，维持基本的冷却需求。

（5）在末端冷却需求较低，仅有一台冷水机组运行时，若该机组负荷降至25%并处于减载待机状态，风水联动控制系统将接收到冷水机组的待机信号。此时，系统将保持冷水泵的运行，以维持冷水管内的水流循环。当冷水管温度升高至需要加载时，冷水机组将自动加载并开机，随后风水联动控制系统将继续保持运行状态，确保整个系统的稳定运行。

在相同工况下，冻水出水温度在同等工况下每提高1摄氏度，机组可节能约3%。启用冷水机组时，系统根据室外温湿度智能重置2台冷水机组出水温度。设定逻辑如下：

（1）冷水机组出水温度随室外温度变化而动态调整，以适应不同环境需求。

（2）系统根据末端冷负荷实时调整冷水机组出水温度，确保精准满足冷却需求。

（3）通过主动寻优控制逻辑，系统智能调节冷水机组出水温度，实现最佳能效。

2. 空调大系统控制策略

根据回风温度调节大系统空调箱频率，按空调箱体送风温度调节大系统二通阀。通过两个不同传感器消除系统干扰，利用两个独立的闭环调节系统实现调节风量和水量。根据室外气候值大小及末端负荷预测模型，动态调整风水联动控制系统大系统。

全新风模式下大系统空调箱早上开启晚上关闭，小系统空调箱24小时全开。在通风模式下，大系统空调箱体频率（变频变风量）按相关规则控制，小新风模式下用回风温度做反馈控制表冷阀开度，全新风模式下用站厅/站台平均温度做反馈控制表冷阀开度，通风模式下表冷阀全关。

3. 空调小系统控制策略

风水联动控制系统采用串级控制，负荷上升时优先调节二通阀开度，达最大后调送风机频率；负荷降低时则先调送风机频率至最低，再调二通阀开度，确保系统高效稳定运行。

小系统的回风温度设定值和送风温度设定值是根据室外气量的大小和负荷预测模型动态调整的，以保证小系统的冷量输出与终端需求相匹配。

4. 主动寻优控制策略

通过预测地铁站人流量变化，建立遗传算法优化的BP神经网络模型。相较于传统BP神经网络，该模型预测误差降低了约10%，这一模型不仅提高了预测准确性，还有助于地铁站优化运营管理和提升乘客体验。分析室内热源和新风负荷影响因素，得出人员冷负荷、渗透风冷负荷、设备冷负荷以及新风负荷计算模型，以预测人流量数据为基础车站冷负荷结果。结果表明，室内热源冷负荷和新风负荷均不断波动，其高峰和低谷冷负荷之差较大，不能忽视其波动。分析地铁站空调风系统和水系统换热过程，分别以变风量和定风量运行模式进行分析，结果显示，在平常时段变风量运行模式比定风量运行模式更节能，而在高峰时段，定风量运行模式比变风量运行模式更节能。主动寻优系统应用于地铁站空调系统控制时，该控制策略具有较好的温度跟踪性能，且在保证温度效果的前提下，与实际系统相比，能源节省约12%。

四、风水联动节能控制系统与BAS控制系统的比较

（一）区别

1. 模式表发布的区别

风水联动系统根据实时天气情况自动判断最适合的运行模式，并在4、5、9、10月间多次切换模式，这种操作逻辑可充分利用室外低焓空气，降低冷水机组的负荷率。而BAS控制系统在固定的月份（4月份）切换到全新风模式，并在固定的月份（6月份）切换到小新风模式，然后在固定的月份（10月份）切换到全新风模式，最后在固定的月份（11月份）切换到通风模式。

2. 冷冻水供水温度控制的区别

风水联动系统动态设定冷冻水机组冷冻水出水温度，根据末端空调冷负荷需求和室外焓值变化，在7℃～12℃之间变化，提高冷冻水机组运行。而BAS控制系统冷水机组冷冻水出水温度长期保持在7℃。

3. 末端风量及变水量变化

风水联动控制系统采用风水联动控制方案，优先调节电动二通阀在末端负荷上升时的开度水量，末端负荷下降时优先降低风机频率，从而实现空调风机耗电少，系统整体能效更高。而BAS控制系统中，空调风机频率根据设定值运行，与末端冷负荷变化无直接关联。

（二）结论

通过对轨道交通智慧站点运营环境中暖通节能技术的全面总结和深入探讨，发现风水联动节能控制系统与传统BAS控制系统相比，表现出更加突出的节能效果和更高的运营效率。这为城市轨道交通地下车站的暖通空调节能技术进步与发展提供了极具参考价值的方向和策略。

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