杭州地鐵車站節(jié)能現(xiàn)狀與舉措

胡杭杰， 嚴(yán)亞駿

(杭州地鐵集團有限責(zé)任公司運營分公司， 杭州 310000)

杭州地鐵車站節(jié)能現(xiàn)狀與舉措

胡杭杰， 嚴(yán)亞駿

(杭州地鐵集團有限責(zé)任公司運營分公司， 杭州 310000)

隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，如何降低地鐵車站設(shè)備耗能問題逐漸成為軌道交通運營單位研究的熱點。首先，結(jié)合杭州地鐵運營分公司現(xiàn)階段所采用的新型節(jié)能設(shè)備和節(jié)能管理措施，探討車站耗電量較大的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和電扶梯系統(tǒng)的優(yōu)化方法。最后提出，在非運營時間用多聯(lián)式空調(diào)機組代替冷水機組為小系統(tǒng)供冷，公共區(qū)域照明采用智能照明系統(tǒng)和燈具，根據(jù)客流量的不同限制站外電梯的開啟時間和“人走燈滅”的管理模式優(yōu)化節(jié)能管理。通過優(yōu)化前后的設(shè)備耗電量對比，說明優(yōu)化方案有效降低了車站設(shè)備耗能，為同行業(yè)的節(jié)能研究提供了一定的參考依據(jù)。

杭州地鐵； 耗電量； 照明； 節(jié)能

隨著我國城市化進程的加快，城市地面交通擁堵不斷加劇，發(fā)展以軌道交通為骨干，常規(guī)公交為主體的公共交通系統(tǒng)是發(fā)達國家解決交通問題的成功經(jīng)驗，也是我國各大城市解決交通問題的必經(jīng)之路[1]。軌道交通是耗電大戶，如何有效挖潛降耗使軌道交通真正成為綠色交通工具已成為行業(yè)研究熱點[2]。杭州地鐵三期規(guī)劃已經(jīng)獲批，至2022年，杭州將擁有10條地鐵線路及多條城際軌道線路(見圖1)，總里程近500 km[3]，故采用新型節(jié)能設(shè)備和管理方 法對 降低運營成本和節(jié)約能源具有重要意義。以杭州地鐵2、4號線全部車站近兩年耗電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他地鐵運營管理經(jīng)驗，對地鐵車站的能耗點分布、節(jié)能設(shè)備和管理措施等方面進行探討。

圖1 杭州地鐵三期規(guī)劃Fig.1 The third-phase planning of Hangzhou Metro

1 車站主要能耗點分析

城市軌道交通電能消耗主要分布在牽引用電和動力照明用電兩處，據(jù)杭州地鐵運營分公司能耗報告顯示：2016年2、4號線全年總耗電約7 758萬kWh，其中牽引用電占41%，車站動力照明用電占58%。車站動力照明用電用于為車站提供良好的乘車環(huán)境和維持車站的正常運轉(zhuǎn)，主要由以下幾個系統(tǒng)構(gòu)成[4]：

1) 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，主要包括大系統(tǒng)、小系統(tǒng)、水系統(tǒng)和隧道通風(fēng)系統(tǒng)，主要用電包括冷水機組、組合式空調(diào)機組、回/排風(fēng)機、和水泵等。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電量占運營總耗電量的25%～35%。

2) 車站照明系統(tǒng)，主要包括：應(yīng)急照明、公共區(qū)域照明、設(shè)備和管理用房照明、導(dǎo)向照明、出入口照明、安全照明和廣告燈箱照明。車站照明系統(tǒng)用電量占運營總耗電量的15%左右。

3) 電扶梯系統(tǒng)，主要包括垂直電梯和自動扶梯兩大設(shè)備，約占運營總耗電量的9%～13%。

車站設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為30年后的遠期[5]，而杭州地鐵目前正處于初期運營的3～5年，客流量比遠期小，高低峰客流量變化較大，故車站的機電設(shè)備有很大的節(jié)能潛力。

2 車站設(shè)備節(jié)能技術(shù)措施

2.1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

2.1.1 多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)

在空調(diào)過渡季節(jié)，部分重要設(shè)備機房(如信號、通信等)因設(shè)備散熱導(dǎo)致室內(nèi)溫度過高，需提前開啟冷水機組對小系統(tǒng)供冷；在空調(diào)季節(jié)，非運營期間站內(nèi)一些設(shè)備及管理用房仍需開啟冷水機組。冷水機組的功率普遍偏大，耗電量大，其能效比值高于多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)(VRV)，但傳統(tǒng)冷水機組均為二次換熱，相較VRV而言換熱效率低，且VRV系統(tǒng)具有功率較小，能靈活控制不同區(qū)域的溫度，有效節(jié)約電能的優(yōu)勢[6]。

以杭州地鐵4號線景芳站(標(biāo)準(zhǔn)站)為例，其小系統(tǒng)冷水機組的總功率為124 kW，與其供冷區(qū)域相同的一套多聯(lián)式空調(diào)機組的總功率僅為50.4 kW。2016年7月21—31日，期間的21：00至第2天9：00，景芳站采用冷水機組為小系統(tǒng)供冷，日耗電量約為1 072 kWh；2016年8月1—10日(期間環(huán)境溫度與7月份測試時間接近)，期間的21：00至第2天9：00，景芳站采用多聯(lián)式空調(diào)機組為小系統(tǒng)供冷，日耗電量約為412 kWh。計算可得：在使用VRV的情況下，每個標(biāo)準(zhǔn)站在1個空調(diào)季節(jié)將節(jié)電超過11.6萬kWh，約合9.8萬元人民幣，節(jié)能效率為50%左右。同時，在空調(diào)過渡季節(jié)VRV設(shè)備能夠縮短冷水機組的開啟時間，減少機組的損耗，延長機組的使用壽命，故杭州地鐵運營分公司在后期線路的規(guī)劃中增加了VRV設(shè)備的配置，同時在2號線東南段完成了VRV設(shè)備的改造工作，總投資約300萬元人民幣，預(yù)計2年內(nèi)可回收成本。

2.1.2 蒸發(fā)式冷水機組

杭州地鐵初期采用冷卻塔式冷水機組為空調(diào)機組提供7℃冷凍水，不僅占用了有限的地面資源，且噪聲和“飛水”對周圍的居民、商鋪和景觀有一定的影響[7]。在4號線東南段首次采用整體式蒸發(fā)式冷水機組(見圖2)，該機組將冷卻水系統(tǒng)和壓縮機組集成在冷凍機房中，在解決冷卻塔占地問題的同時，具有高效、穩(wěn)定和安裝維護方便的優(yōu)勢[8]。

圖2 蒸發(fā)式冷水機組Fig.2 Evaporative chiller

冷水機組的制冷效率不僅體現(xiàn)在壓縮機本身的制冷效率，同時還需考慮其配套設(shè)備(冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機)的總效率，現(xiàn)統(tǒng)計杭州地鐵2、4號線車站冷水機組總功率和系統(tǒng)能效系數(shù)如表1所示(由于冷卻塔風(fēng)機有2種工作狀態(tài)，故總功率分2組數(shù)據(jù))。

表1 冷卻塔式與蒸發(fā)式冷水機組能效系數(shù)

可以看出，在滿負載運行時，總功率接近的蒸發(fā)式冷水機組的能效系數(shù)略大于冷卻塔式冷水機組的能效系數(shù)。在實際運行狀態(tài)下，冷水機組負載為70%左右，此時冷卻塔式冷水機組的冷卻泵、冷凍泵和風(fēng)機均在額定功率下運行，而蒸發(fā)式冷水機組的風(fēng)機則在變頻狀態(tài)下運行，故在實際運行中蒸發(fā)式冷水機組的能效因子將比冷卻塔式冷水機組的能效因子大，即蒸發(fā)式冷水機組在制冷量相同的情況下比冷卻塔式冷水機組更節(jié)能。

2.1.3 變頻器

運營初期，客流量起伏較大，同時一年四季和一天之內(nèi)氣溫變化較大，若車站通風(fēng)系統(tǒng)按照額定功率運行將造成極大的浪費，且站內(nèi)溫度過低也將影響乘客的舒適度。對于風(fēng)機，負載消耗的能量與電機轉(zhuǎn)速的3次方成正比，采用變頻器控制車站大系統(tǒng)風(fēng)機的運行狀態(tài)。根據(jù)運營經(jīng)驗，大部分運營時間內(nèi)回/排風(fēng)機頻率在30 Hz左右時，車站內(nèi)環(huán)境達到動態(tài)平衡，根據(jù)節(jié)能率公式計算可得[9]，頻率在30 Hz時風(fēng)機的節(jié)能率為78.4%。據(jù)杭州地鐵4號線車站運營能耗數(shù)據(jù)顯示，標(biāo)準(zhǔn)站的風(fēng)機在變頻狀態(tài)下運行相比在額定功率狀態(tài)下運行，1年大約能節(jié)省電能23.8萬kWh，同時風(fēng)機的故障率也相對較低。

2.2 照明系統(tǒng)

照明控制進程主要經(jīng)歷了人工控制、時序控制和自動調(diào)光控制3個階段。在地鐵建設(shè)初期大多采用人工控制的方式，完全取決于人們主觀判斷，容易造成能源浪費和照度不足的現(xiàn)象。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展智能照明系統(tǒng)逐漸以其控制靈活、反應(yīng)迅速、節(jié)約能源的優(yōu)勢取代了手動照明系統(tǒng)[10]。

杭州地鐵2號線東南段車站公共區(qū)域均采用36 W的普通照明燈具，以標(biāo)準(zhǔn)站為例，公共區(qū)域燈具總數(shù)為724盞，即公共區(qū)域照明燈具總功率為26.1 kW。4號線則選用了相同功率的智能照明燈具，能夠靈活地根據(jù)車站照明需求調(diào)節(jié)燈具亮度，有效節(jié)約能源。以4號線的景芳站為例，平峰模式(40%亮度)就能滿足全天公共區(qū)域的照明要求，平均每年比2號線標(biāo)準(zhǔn)站中非智能照明系統(tǒng)可節(jié)約電能9.4萬kWh(按運營時間18 h計算)，根據(jù)能耗數(shù)據(jù)計算，采用智能照明系統(tǒng)后，車站照明用電節(jié)省了50%左右。同時，杭州地鐵集團七堡車輛段裙樓也采用了智能照明系統(tǒng)，大大降低了電能的損耗[11]?；谠撓到y(tǒng)靈活的控制模式和節(jié)能優(yōu)勢，現(xiàn)已將該系統(tǒng)推廣至后期線路的規(guī)劃中。

3 車站設(shè)備節(jié)能管理措施

3.1 優(yōu)化車站設(shè)備開關(guān)流程

3.1.1 通風(fēng)與空調(diào)

2016年2月1日至5月31日，杭州地鐵4號線進行通風(fēng)季節(jié)大系統(tǒng)節(jié)能模式測試，測試采用“單送單排”模式，關(guān)閉大系統(tǒng)50%的送、排風(fēng)機。測試結(jié)果顯示，節(jié)能模式能夠滿足通風(fēng)季節(jié)車站的環(huán)控指數(shù)要求，同時對比2015年同時期的動力、照明用電量，該模式下每月能夠有效降低動照電量4.8%左右，調(diào)度部將繼續(xù)實施該節(jié)能模式(見圖3)。

圖3 4號線節(jié)能模式下動力、照明電量對比Fig.3 Comparison of power and lighting consumption in energy-saving mode of Line 4

3.1.2 設(shè)備房照明

減少管理用房和設(shè)備房照明。設(shè)備房在無人狀態(tài)時關(guān)閉正常照明，只開啟應(yīng)急照明；管理用房無人時，必須關(guān)閉正常照明燈。標(biāo)準(zhǔn)站1年節(jié)省電能3.2萬kWh，2、4號線2016年共節(jié)省電能63.7萬kWh。

3.1.3 電扶梯

對出入口電扶梯實施單向低客流時間段停機的方式運營。根據(jù)客流量集中在早晚高峰的規(guī)律，2號線東南段和4號線首通段進站電扶梯大部分只在早晚高峰(7：00—9：30、下午16：30—19：00)開啟，車站扶梯工作處于節(jié)能模式，與之前全天候開啟相比，每年節(jié)能約電能75.34萬kWh。

3.2 完善耗能計量系統(tǒng)的安裝

通過合理設(shè)置電能計量裝置，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的分類、分項、分戶統(tǒng)計，為后續(xù)節(jié)能減排措施提供數(shù)據(jù)支持。技術(shù)人員可準(zhǔn)確了解各系統(tǒng)的能耗態(tài)勢，以便整體評價和分析各系統(tǒng)的能耗情況，方便技術(shù)人員提出有針對性的節(jié)能建議。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著越來越多新的智能節(jié)能設(shè)備的涌現(xiàn)和使用，大量減少了地鐵車站耗電；節(jié)能管理辦法改變了車站部分設(shè)備的運行模式，能有效減少地鐵車站動力照明能耗。隨著地鐵線路的不斷增加，節(jié)能形式也愈來愈緊迫，作為運營方更應(yīng)該利用自身優(yōu)勢，大膽嘗試新設(shè)備，探索出新的節(jié)能道路。

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(編輯：郝京紅)

Improving Energy Efficiency in Hangzhou Metro Station

HU Hangjie, YAN Yajun

(Operation Branch, Hangzhou Metro Group Co., Ltd., Hangzhou 310000)

With the rapid development of metro industry, how to reduce the energy consumption of station equipment has become hotspot research topic for the operation branch of urban rail transit. The air-conditioning system, lighting system and elevator system are the top energy consumers in a metro station. The optimization method of these systems is discussed, by taking Hangzhou as an example, in terms of new energy-saving equipment and management. It is suggested that multi-type air-conditioning unit instead of cold water unit should be used at non-operation time for cooling. Intelligent lighting systems and lamps should be installed in public areas. Elevators outside the station should be operated strictly in line with the passenger flows of the station. Besides, lights should be automatically turned off without passengers. Compared with that before the optimization method is used, the optimized energy consumption is more efficient.Keywords： Hangzhou Metro; power consumption; lighting; saving energy

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.019

2017-03-30

2017-05-03

胡杭杰，男，本科，助理工程師，設(shè)施保障部專業(yè)工程師，主要從事軌道交通自動化專業(yè)與節(jié)能管理，huhangjie@hzmetro.com

U231.1

A

1672-6073(2017)03-0098-04