西安地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造研究

孫佃升

西安地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造研究

孫佃升

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710018，西安//高級(jí)工程師）

根據(jù)西安市地鐵車(chē)站內(nèi)外環(huán)境、客流量等因素的變化，采用地鐵車(chē)站環(huán)境控制及能源管理系統(tǒng)，對(duì)原有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按各種不同運(yùn)行工況進(jìn)行節(jié)能改造，包括：空調(diào)末端負(fù)荷節(jié)能控制、空調(diào)主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率控制、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)末端送風(fēng)量調(diào)節(jié)控制、風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制等。西安地鐵2號(hào)線3個(gè)車(chē)站的改造后測(cè)試結(jié)果證明，對(duì)地鐵節(jié)能降耗作用明顯，可為同類(lèi)工程的改造設(shè)計(jì)和實(shí)施提供參考。

地鐵；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；模糊控制；節(jié)能改造

Author′s addressXi′an Metro Co.，Ltd.，710018，Xi′an，China

作為城市公共交通的地鐵，憑借其載客量大、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、快捷、舒適、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已然成為了現(xiàn)代社會(huì)城市居民出行的首選。人們?cè)谙硎艿罔F帶來(lái)的各種便捷的同時(shí)，也必須清醒地認(rèn)識(shí)到，地鐵系統(tǒng)也是城市電力部門(mén)和公共交通中的耗能大戶，因此，做好地鐵的節(jié)能降耗將對(duì)城市能源的合理配置起到重大作用。

1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的必要性

地鐵車(chē)站一般位于地下，其建筑空間與外部空間相對(duì)封閉，由于列車(chē)、機(jī)電設(shè)備及大量乘客所產(chǎn)生的熱量以及土壤的熱惰性，使得地下車(chē)站及隧道內(nèi)的溫度較高。目前，國(guó)內(nèi)地鐵大多利用通風(fēng)空調(diào)設(shè)備來(lái)改善車(chē)站和隧道空間內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速和空氣質(zhì)量。

我國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)線路的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，軌道交通總用電量中，牽引用電約占50%～60%，車(chē)站及區(qū)間動(dòng)力及照明用電約占40%～50%。對(duì)于地下車(chē)站，其通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個(gè)車(chē)站總用電量的50%～60%，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備能耗在整個(gè)軌道交通運(yùn)營(yíng)成本中占有很大的比重。特別是隨著各地軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，投入運(yùn)營(yíng)的線路里程和車(chē)站數(shù)量也在不斷地增加，軌道交通總體的運(yùn)營(yíng)能耗量呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，能耗問(wèn)題越來(lái)越顯突出。因此，做好地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造已成為迫在眉睫的問(wèn)題。

2 西安地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原狀

西安地鐵目前已開(kāi)通兩條線路，運(yùn)營(yíng)線路51.8 km，共設(shè)車(chē)站39座（全部為地下車(chē)站）。為在開(kāi)展地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的同時(shí)，保證地鐵運(yùn)營(yíng)的安全性和連續(xù)性，西安地鐵首先選取了2號(hào)線的3個(gè)車(chē)站（緯一街站、鐘樓站、市圖書(shū)館站）作為試驗(yàn)站，對(duì)其原有的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。這3個(gè)車(chē)站原有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)情況如下。

（1）3個(gè)站點(diǎn)原通風(fēng)空調(diào)年能耗為：緯一街站114.34萬(wàn)kW·h、鐘樓站169.37萬(wàn)kW·h、市圖書(shū)館站114.78萬(wàn)kW·h。

（2）原通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)設(shè)備電機(jī)功率在15 kW以上的采用了變頻器控制，但是運(yùn)行頻率由人工設(shè)定，不能滿足負(fù)荷實(shí)時(shí)變化的需求。

（3）原通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)沒(méi)有做節(jié)能控制，所有設(shè)備每天24 h均在工頻狀態(tài)運(yùn)行。

由此可以看出，原通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)年耗電量較大，系統(tǒng)不能根據(jù)具體負(fù)荷大小變化情況來(lái)調(diào)整運(yùn)行工況，故節(jié)能降耗有很大空間可以挖掘。

3 改造方案

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的改造方案主要是針對(duì)制冷系統(tǒng)主要設(shè)備（制冷主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等）和末端設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能控制，通過(guò)改造以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最佳冷卻水自適應(yīng)優(yōu)化控制、負(fù)荷預(yù)測(cè)冷凍水智能模糊預(yù)期控制、能量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)預(yù)期控制、二氧化碳含量趨勢(shì)變化及新風(fēng)補(bǔ)給量/排風(fēng)量預(yù)期模糊控制等功能，最終達(dá)到地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效、低耗、安全、節(jié)能的運(yùn)行目標(biāo)。

3.1 空調(diào)末端負(fù)荷節(jié)能控制

地鐵空調(diào)末端的實(shí)際負(fù)荷（即空調(diào)末端對(duì)冷凍水的需求量）是隨多種因素的變化（季節(jié)交替、氣候變化、晝夜輪回、人流量增減等）而不斷地變化的。由于這些因素的綜合影響，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷是一個(gè)隨機(jī)變量，且始終處于動(dòng)態(tài)變化之中。由圖1空調(diào)能耗曲線可以得出：可節(jié)約的功率△W=△W1+△Wh。

圖1 地鐵空調(diào)系統(tǒng)能耗曲線

當(dāng)環(huán)境溫度、空調(diào)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，流量計(jì)、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測(cè)到的這些參數(shù)送至模糊控制器，模糊控制器依據(jù)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)計(jì)算出末端空調(diào)負(fù)荷所需的制冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變其流量使冷凍水系統(tǒng)的供回水溫度、溫差、壓差和流量運(yùn)行在模糊控制器給出的最優(yōu)值范圍內(nèi)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算出空調(diào)主機(jī)的輸出負(fù)荷，推測(cè)未來(lái)時(shí)刻系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到冷凍水回水溫度的精確控制，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，最大限度地利用溫差空間，降低水泵能耗。

隨著空調(diào)末端負(fù)荷的降低，冷凍水向空調(diào)主機(jī)蒸發(fā)器傳遞的熱量也相應(yīng)降低。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，冷凝器內(nèi)傳遞給冷卻水的能量和冷卻塔傳遞給大自然的能量也相應(yīng)降低，運(yùn)送負(fù)荷的冷卻水流量和冷卻塔散熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量也應(yīng)降低。根據(jù)流體力學(xué)原理，通過(guò)對(duì)冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行的匹配調(diào)節(jié)，可使相應(yīng)的輸入電能大幅度降低。

假設(shè)水泵流量為Q，壓力為p，轉(zhuǎn)速為n，電機(jī)功率為N，工況1與工況2的各項(xiàng)參數(shù)比有如下關(guān)系：

由式（1）、（2）、（3）可以推出：

由式（4）可以看出，減少水泵流量（降低水泵轉(zhuǎn)速），可以大幅度降低水泵電機(jī)功率消耗，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。水泵調(diào)速節(jié)電比率如表1所示。由表1可知，如果年平均水泵流量能在額定值的58%～74%間進(jìn)行調(diào)整變動(dòng)，則可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)系統(tǒng)年平均節(jié)電60%～80%。

表1 地鐵空調(diào)調(diào)速節(jié)電比率

3.2 空調(diào)主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率控制

空調(diào)主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率隨著空調(diào)運(yùn)行條件及空調(diào)末端負(fù)荷的變化，冷凝器的最佳熱轉(zhuǎn)換溫度隨之偏移，能源利用率（COP）也隨之降低，因此，要提高空調(diào)主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率，須從冷卻水系統(tǒng)的“最佳轉(zhuǎn)換效率”控制著手，利用模糊控制器分析采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出主機(jī)冷凝器的最佳熱轉(zhuǎn)換溫度點(diǎn)及冷卻水最佳出、入口溫度，并將傳感器檢測(cè)到的冷卻水出、入口溫度與此最佳溫度參數(shù)作比較，利用經(jīng)模糊運(yùn)算后輸出優(yōu)化后的控制參數(shù)，調(diào)節(jié)冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的工況，控制冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量和冷卻塔風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，使冷卻水的進(jìn)、出口溫度逼近模糊控制器給定的最優(yōu)值，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)主機(jī)在任何環(huán)境條件和負(fù)荷情況下，均接近最佳熱轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，達(dá)到最佳的空調(diào)熱轉(zhuǎn)換效率。分析模型如圖2所示。

3.3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)末端送風(fēng)量調(diào)節(jié)控制

合理確定通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)末端風(fēng)閥的開(kāi)度，對(duì)地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗至關(guān)重要。由于外界環(huán)境溫度以及地鐵車(chē)站空調(diào)末端區(qū)域內(nèi)人流量的變化，地鐵車(chē)站內(nèi)環(huán)境對(duì)冷熱量及新風(fēng)量的需求也會(huì)隨之變化。通過(guò)對(duì)被控區(qū)域的二氧化碳含量連續(xù)采集和記錄，結(jié)合系統(tǒng)的固有特性分析其變化趨勢(shì)，并綜合考慮新風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度的關(guān)系，以確定新風(fēng)補(bǔ)給量/排風(fēng)量的最佳值。實(shí)踐證明，在滿足新風(fēng)量不小于總送風(fēng)量10%的基礎(chǔ)上，合理調(diào)節(jié)定位風(fēng)閥的開(kāi)度，可在確保車(chē)站內(nèi)空氣品質(zhì)的同時(shí)提高風(fēng)源的利用率，最大限度地達(dá)到節(jié)能的效果（見(jiàn)圖3）。

3.4 空調(diào)末端水閥調(diào)節(jié)控制

由于空調(diào)末端環(huán)境負(fù)荷的變化，如果系統(tǒng)供水流量固定不變則會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)供給冷熱量與末端負(fù)荷需求不能完全匹配，從而產(chǎn)生末端環(huán)境冷熱不均，冷熱量供給不足或者浪費(fèi)的現(xiàn)象。地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗改造是根據(jù)現(xiàn)有冷凍水輸送能量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，獲得負(fù)荷變化規(guī)律，從而依據(jù)空調(diào)趨于空氣設(shè)計(jì)狀態(tài)的焓值設(shè)定送風(fēng)溫度，從而改變水閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)輸出的冷/熱量，使區(qū)域冷/熱量供給和送風(fēng)溫度均穩(wěn)定在設(shè)定值范圍，從而達(dá)到地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效低耗的節(jié)能目的。

3.5 風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗與空調(diào)的風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是分不開(kāi)的。通過(guò)對(duì)風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，調(diào)整末端空氣處理機(jī)組表冷器的冷凍水閥，修正制冷站的總輸出冷量，調(diào)整各空氣處理機(jī)組的送風(fēng)溫度，使輸出與需求相匹配，從而達(dá)到降低末端設(shè)備與制冷站總體能耗的目的，使整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)始終處于最高效率點(diǎn)運(yùn)行（見(jiàn)圖4）。

4 系統(tǒng)改造后測(cè)試

圖2 空調(diào)主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率控制模型

圖3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)末端送風(fēng)量調(diào)節(jié)控制流程

圖4 風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模型

西安地鐵2號(hào)線緯一街站、圖書(shū)館站、鐘樓站3個(gè)站的節(jié)能改造試驗(yàn)項(xiàng)目，采用了貴州匯通華城股份有限公司生產(chǎn)的SECEMS地鐵車(chē)站環(huán)境控制及能源管理系統(tǒng)。為了驗(yàn)證通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26759-2011《中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制裝置技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的節(jié)能測(cè)試條件和方法進(jìn)行了節(jié)能測(cè)試，相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試數(shù)據(jù)抽取于2015年7月8日至7月20日3個(gè)測(cè)試站的抄表數(shù)據(jù)。

由表2可以看出，西安地鐵2號(hào)線緯一街站、鐘樓站和市圖書(shū)館站在進(jìn)行通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造后，大幅度降低了地鐵車(chē)站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗，節(jié)能效果顯著。

表2 西安地鐵2號(hào)線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

地鐵的節(jié)能降耗對(duì)于降低城市的能源消耗具有至關(guān)重要的作用。本文以西安地鐵2號(hào)線3個(gè)試驗(yàn)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造為例，提出了一套節(jié)能控制的解決途徑。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該節(jié)能改造方法不僅解決了能耗的問(wèn)題，而且提高了地鐵車(chē)站環(huán)境的舒適度，對(duì)于今后地鐵車(chē)站環(huán)境改造具有較好的推廣價(jià)值。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)驗(yàn)疫總局.中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制裝置技術(shù)規(guī)范：GBT 26759—2011［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［2］顧慶宜.北京地鐵復(fù)八線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)綜合節(jié)能改造［J］.都市快軌交通，2012，25（5）：115-117.

［3］佘光華.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究［J］.制冷與空調(diào)，2008（2）：14-17.

［4］梁永輝.基于變頻控制的中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)研究［J］.科技與企業(yè)，2012（9）：160.

［5］王憲.深圳地鐵車(chē)站中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造方案分析［J］.制冷，2011，30（4）：45-48.

［6］薛志峰，江億.北京市大型公共建筑用能現(xiàn)狀與節(jié)能潛力分析［J］.暖通空調(diào)，2004，34（9）：8-10.

中國(guó)中車(chē)科技領(lǐng)軍人才研修項(xiàng)目在同濟(jì)大學(xué)舉行

7月2日至8日，中國(guó)中車(chē)的科學(xué)家、首席技術(shù)專(zhuān)家50余名齊聚同濟(jì)大學(xué)，參加由中國(guó)中車(chē)人事部和同濟(jì)中車(chē)創(chuàng)新研究中心聯(lián)合主辦的“中國(guó)中車(chē)科技領(lǐng)軍人才研修項(xiàng)目”。開(kāi)班儀式上，同濟(jì)大學(xué)副校長(zhǎng)顧祥林致歡迎辭，對(duì)中國(guó)中車(chē)領(lǐng)軍技術(shù)人員來(lái)到同濟(jì)校園表達(dá)熱烈歡迎，并希望通過(guò)此次活動(dòng)，拉開(kāi)中國(guó)中車(chē)與同濟(jì)大學(xué)全面深化合作的序幕。中國(guó)中車(chē)總工程師張新寧做了學(xué)習(xí)動(dòng)員講話，表示此次活動(dòng)是中國(guó)中車(chē)成立以來(lái)首次進(jìn)行的科技領(lǐng)軍人才集中研修，希望學(xué)員們珍惜校園學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，積極交流，增進(jìn)了解，開(kāi)拓視野。同濟(jì)大學(xué)工程與產(chǎn)業(yè)研究院院長(zhǎng)張亞雷為學(xué)員代表授戴了同濟(jì)大學(xué)?；?。此次研修活動(dòng)，是2016年11月16日中國(guó)中車(chē)與同濟(jì)大學(xué)在上海共建“同濟(jì)中車(chē)創(chuàng)新研究中心”后，由中心主辦的首次高端人才培訓(xùn)活動(dòng)，得到了繼續(xù)教育學(xué)院、創(chuàng)意學(xué)院等相關(guān)學(xué)院的大力支持。課程設(shè)置結(jié)合中國(guó)中車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略和同濟(jì)大學(xué)的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，時(shí)間緊湊、內(nèi)容豐富、形式多樣。不僅覆蓋了軌道車(chē)輛技術(shù)、磁浮交通技術(shù)、車(chē)用生物基復(fù)合材料、機(jī)器人與智能駕駛、大數(shù)據(jù)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，而且涉及了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)研判、設(shè)計(jì)與企業(yè)戰(zhàn)略、設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新等交叉學(xué)科內(nèi)容。來(lái)自同濟(jì)大學(xué)不同學(xué)院的16位知名院士、教授向?qū)W員們?cè)敿?xì)介紹了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)等。同時(shí)舉辦主題為創(chuàng)新創(chuàng)意鐫刻制造業(yè)的“未來(lái)簡(jiǎn)史”沙龍，由4位不同領(lǐng)域的專(zhuān)家引領(lǐng)學(xué)員，圍繞創(chuàng)新創(chuàng)意，積極開(kāi)展互動(dòng)，暢所欲言，場(chǎng)面熱烈。除專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)外，學(xué)員們先后參觀了同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)及動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、地面交通工具風(fēng)洞中心、國(guó)家磁浮交通工程技術(shù)研究中心等科研基地。同時(shí)創(chuàng)新了交流模式，中國(guó)中車(chē)的科學(xué)家們走上講臺(tái)，開(kāi)展內(nèi)部技術(shù)交流。結(jié)業(yè)典禮上，班長(zhǎng)代表全體學(xué)員從“開(kāi)視野”“創(chuàng)思維”“增了解”“促友誼”四個(gè)方面總結(jié)此次研修活動(dòng)，表示學(xué)有所獲，不虛此行。中國(guó)中車(chē)人事部、同濟(jì)大學(xué)科研院等相關(guān)負(fù)責(zé)人都表示，希望雙方能夠互通有無(wú)、相互借鑒、共同促進(jìn)、合作共贏。此次活動(dòng)的圓滿落幕，充分發(fā)揮了同濟(jì)中車(chē)創(chuàng)新研究中心作為校企合作平臺(tái)的作用，為中國(guó)中車(chē)科技領(lǐng)軍人才與同濟(jì)大學(xué)的知名教授之間搭建了技術(shù)深度交流和理念創(chuàng)新融合的舞臺(tái)，通力合作，助推中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造、中國(guó)速度向中國(guó)質(zhì)量、中國(guó)產(chǎn)品向中國(guó)品牌轉(zhuǎn)變。

（摘自2017年7月11日同濟(jì)大學(xué)新聞網(wǎng)，同濟(jì)中車(chē)創(chuàng)新研究中心供稿）

Energy-saving Reconstruction of Xi'an Subway Ventilation and Air Conditioning System

SUN Diansheng

According to the changes of internal and external environment factors，the passenger flow and different operating conditions of Xi'an subway stations，the energy-saving reconstruction in the original ventilation air conditioning system can effectively reduce subway energy consumption，including the end load energy control，heat transfer efficiency of the main engine，end air output control，wind and water systems coordination and so on.The testing result of 3 stations on Xi'an subway Line 2 shows that the energy-saving reconstruction of air conditioning system is very effective，which can provide a reference for similar engineering design and application of the method.

metro；ventilation and air conditioning system；fuzzy control；energy saving

U231.5

10.16037/j.1007-869x.2017.08.033

2016-03-04）