地鐵常規(guī)機電節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

張濤 蘇向陽 陳林根

[摘? ? 要]文章以地鐵常規(guī)機電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，疏理城市軌道交通在運營過程中的能源消耗，其中地鐵機電設(shè)備在地鐵運營中的能源消耗的比重很大，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究通風(fēng)空調(diào)專業(yè)中使用節(jié)能設(shè)備、節(jié)能材料、節(jié)能技術(shù)和運轉(zhuǎn)工況的轉(zhuǎn)變和配合實現(xiàn)節(jié)能，動力照明專業(yè)中實現(xiàn)燈源的定時控制、模式控制和調(diào)光功能，節(jié)約電能，減少人力物力投入，并分析了節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用情況及對起到的經(jīng)濟和社會效益，以此做啟發(fā)，對未來節(jié)能技術(shù)進行了展望。

[關(guān)鍵詞]軌道交通;通風(fēng)與空調(diào);節(jié)能;研究;應(yīng)用

[中圖分類號]TD40 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）04–00–04

Research and Application of Conventional Electromechanical

Energy-saving Technology in Subway

Zhang Tao，Su Xiang-yang，Chen Lin-gen

[Abstract]Based on the conventional electromechanical system of the subway， this paper sorts out the energy consumption of urban rail transit in the operation process. Among them， the subway electromechanical equipment accounts for a large proportion of the energy consumption in the operation of the subway. With the development of science and technology， research on ventilation and air conditioning major The transformation and cooperation of energy-saving equipment， energy-saving materials， energy-saving technologies and operating conditions are used to realize energy saving. In the power lighting specialty， the timing control， mode control and dimming functions of the light source are realized， which saves electric energy and reduces the input of manpower and material resources. The application of energy-saving technology and its economic and social benefits are inspired， and the future energy-saving technology is prospected.

[Keywords]rail transit; ventilation and air conditioning; energy saving; research; application

據(jù)交通部統(tǒng)計，截至2020年12月31日，全國（不含港澳臺，下同）共有44個城市開通運營城市軌道交通線路233條，運營里程7 545.5 km，車站4 660座，實際開行列車2528萬列次。全國主要省會以上城市、直轄市，甚至地級市軌道交通運營里程仍在以每年10 %～20 %的增長率增加。

為維持龐大的軌道交通系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，每天均要消耗大量的電能。使用節(jié)能設(shè)備和材料，采用節(jié)能技術(shù)，不僅可以節(jié)約電能，而且能夠加快技術(shù)創(chuàng)新，推動產(chǎn)業(yè)升級換代。

地鐵常規(guī)機電包括通風(fēng)與空調(diào)、給排水及消防和動力照明3個專業(yè)。其中，動力專業(yè)提供電能，維持通風(fēng)與空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備及照明設(shè)備的運行，為乘客提供舒適的乘坐環(huán)境，保證各類系統(tǒng)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

1 通風(fēng)與空調(diào)工程節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

軌道交通系統(tǒng)通風(fēng)與空調(diào)工程大功率用電設(shè)備較多，特別是地下車站工程，需要各種類型的通風(fēng)設(shè)備和空調(diào)器保證車站的送風(fēng)、排風(fēng)和制冷、凈化、消毒等，如隧道風(fēng)機、排熱風(fēng)機、新風(fēng)機和組合式空調(diào)器、柜式空調(diào)器等。因此，研究通風(fēng)與空調(diào)工程節(jié)能技術(shù)對整個車站節(jié)約電能，降低運營維護成本有重要意義。軌道交通地下車站通風(fēng)與空調(diào)工程通過大量使用節(jié)能設(shè)備、節(jié)能材料、節(jié)能技術(shù)和運轉(zhuǎn)工況的轉(zhuǎn)變和配合實現(xiàn)節(jié)能。

1.1 節(jié)能設(shè)備

軌道交通地下車站通風(fēng)與空調(diào)設(shè)備通常要求一級能耗設(shè)備，如冷水機組、風(fēng)機、空調(diào)器、VRV設(shè)備等。有研究表明，一級能耗的空調(diào)設(shè)備比二級、三級、四級、五級能耗的節(jié)能設(shè)備分別節(jié)能6.25 %、13.33 %、21 %和30.77 %?？梢?，采用低耗能設(shè)備，可節(jié)約大量電能，提高車站運營的經(jīng)濟性。

1.2 節(jié)能材料

通風(fēng)與空調(diào)工程的送風(fēng)管道、回風(fēng)管道、空調(diào)器、冷凍水管等均采用高效環(huán)保型保溫材料進行包裹，減少冷量在傳輸過程中損失，如使用離心玻璃棉、泡沫玻璃棉等。除采用節(jié)能材料，通過空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)，實現(xiàn)對通風(fēng)與空調(diào)設(shè)備的有效監(jiān)控和調(diào)節(jié)，根據(jù)末端冷量實現(xiàn)冷凍水泵、空調(diào)器的變頻運行，也可大大節(jié)約電能。

1.3 節(jié)能技術(shù)

目前地下車站通風(fēng)與空調(diào)工程設(shè)計普遍采用節(jié)能技術(shù)，當(dāng)今最主流的就是采用變頻技術(shù)。車站隧道風(fēng)機、回排風(fēng)機、排熱風(fēng)機及組合式空調(diào)器等大型用電設(shè)備均采用變頻技術(shù)實現(xiàn)軟啟動、調(diào)速和運行。采用變頻技術(shù)，具有以下3個方面優(yōu)勢。96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C

（1）快速調(diào)速功能，根據(jù)公式：n=60 f（1-k）/p。其中，n為電動機轉(zhuǎn)速，60為常數(shù)，p為極對數(shù)，f為電源頻率，k為滑差系數(shù)）。只要連續(xù)平滑改變電能頻率f，就可實現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度調(diào)整。從而，可根據(jù)實際工況需要，通過變頻器動態(tài)調(diào)整設(shè)備運轉(zhuǎn)速率，實現(xiàn)電能利用效率最大化，節(jié)約電能。

（2）節(jié)能：據(jù)研究，使用變頻器調(diào)速比傳統(tǒng)的電磁調(diào)速可以節(jié)電25 %～80 %。具體原理同變頻調(diào)速功能。

（3）軟啟動：因使用變頻器可以對電機進行平滑調(diào)速，故對機械設(shè)備沒有危害，延長用電設(shè)備使用壽命，降低損耗。

1.4 通過運行工況的有效轉(zhuǎn)變和配合實現(xiàn)調(diào)速

1.4.1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)

隧道通風(fēng)系統(tǒng)由隧道風(fēng)機、組合風(fēng)閥、區(qū)間隧道和相應(yīng)的風(fēng)道、風(fēng)井組成。一個標準地下車站一般設(shè)計2組隧道通風(fēng)系統(tǒng)，配置4臺隧道風(fēng)機，2臺為一組，互為備用。為滿足隧道區(qū)間通風(fēng)換氣要求，隧道風(fēng)機一般功率很大，能達到70～120 kW，若連續(xù)運轉(zhuǎn)將大量消耗電能。為減小隧道風(fēng)機長時間運轉(zhuǎn)，提高使用壽命，節(jié)約電能，通常在排風(fēng)道上設(shè)計并行的活塞通風(fēng)風(fēng)道和機械通風(fēng)風(fēng)道，通過對設(shè)置于活塞通風(fēng)風(fēng)道以及機械通風(fēng)風(fēng)道上的各個組合風(fēng)閥的開閉與隧道風(fēng)機啟停的各種組合，構(gòu)成多種運行模式，滿足不同運營工況要求。

在列車運營時段內(nèi)，隧道風(fēng)機關(guān)閉，機械風(fēng)道組合風(fēng)閥連鎖關(guān)閉，活塞風(fēng)孔組合風(fēng)閥和活塞風(fēng)道風(fēng)閥打開，依靠列車運行的活塞效應(yīng)實現(xiàn)隧道區(qū)間的通風(fēng)換氣，并達到節(jié)約電能的要求。

在列車停運檢修時段內(nèi)，活塞風(fēng)道組合風(fēng)閥關(guān)閉，隧道風(fēng)機打開，活塞風(fēng)孔組合風(fēng)閥和機械風(fēng)閥連鎖打開。依靠相鄰車站隧道風(fēng)機的相互配合，風(fēng)閥的啟閉實現(xiàn)隧道區(qū)間通風(fēng)換氣，如圖1所示。

1.4.2 屏蔽門系統(tǒng)與車站隧道排熱系統(tǒng)

一般地下地鐵車站設(shè)計成兩層島式結(jié)構(gòu)，負一層為站廳層，供乘客購票和安檢等，負二層為站臺層，站臺層兩側(cè)為軌道，供列車運行，中間地帶供乘客上下車、換乘之用。

車站隧道排熱系統(tǒng)由排熱風(fēng)機、排風(fēng)道、排風(fēng)井、軌頂排熱風(fēng)道和軌底排熱風(fēng)道及相應(yīng)的組合風(fēng)閥組成。通常每個車站設(shè)計兩組隧道排熱系統(tǒng)，分別負責(zé)半個車站的因列車制動和啟動產(chǎn)生的熱量排放。

屏蔽門安裝于站臺層乘客乘車地帶與軌道之間，根據(jù)列車運營要求實現(xiàn)連鎖啟閉。地鐵列車為大功率用電設(shè)備，其進站與出站涉及頻繁啟停。地鐵列車制動和啟動均需要產(chǎn)生大量的熱量，安裝屏蔽門不僅可以保護乘客的安全，大大降低不安全事件發(fā)生概率，還可以有效隔絕列車運行熱環(huán)境，避免冷量損失，節(jié)約電能。即有效地把地鐵運營的最主要產(chǎn)熱源“列車牽引制動產(chǎn)熱和列車冷凝器產(chǎn)熱”排除在車站站臺門之外，降低了的空調(diào)負荷。

1.4.3 空調(diào)小系統(tǒng)

根據(jù)地鐵設(shè)備管理用房的工藝要求和運營管理要求設(shè)置通風(fēng)空調(diào)和防排煙系統(tǒng)，正常運行時為運營管理人員提供舒適的工作環(huán)境和為設(shè)備正常工作提供必需的運行環(huán)境，事故狀態(tài)時迅速組織排除煙氣的系統(tǒng)稱為空調(diào)小系統(tǒng)。

空調(diào)小系統(tǒng)通常由柜式空調(diào)器、回排風(fēng)機、風(fēng)閥、消聲器、管道系統(tǒng)等組成。根據(jù)車站大小，設(shè)備管理用房分布等一個車站通常涉及若干套空調(diào)小系統(tǒng)?？照{(diào)小系統(tǒng)根據(jù)車站內(nèi)、外的環(huán)境溫度、濕度等，結(jié)合運營要求，按照小新風(fēng)工況、全新風(fēng)工況和全通風(fēng)工況3種模式運行。

當(dāng)空調(diào)季節(jié)室外新風(fēng)的焓值大于室內(nèi)回風(fēng)的焓值值時，采用小新風(fēng)工況，柜式空調(diào)器的新風(fēng)閥打開，回排風(fēng)機的排風(fēng)閥關(guān)閉，回風(fēng)閥打開，回風(fēng)與新風(fēng)經(jīng)空調(diào)器處理后送入房間;當(dāng)室外新風(fēng)焓值值小于室內(nèi)回風(fēng)焓值值且大于空調(diào)送風(fēng)點溫度時，采用全新風(fēng)工況，柜式空調(diào)器的新風(fēng)閥打開，回排風(fēng)機的排風(fēng)閥打開，回風(fēng)閥關(guān)閉，新風(fēng)經(jīng)空調(diào)器處理后送入房間;當(dāng)室外新風(fēng)的溫度小于空調(diào)送風(fēng)點的溫度時，采用全通風(fēng)工況，柜式空調(diào)器的新風(fēng)閥打開，回排風(fēng)機的排風(fēng)閥打開，回風(fēng)閥關(guān)閉，室外新風(fēng)不經(jīng)冷卻處理利用空調(diào)器直接送入房間，如圖2所示。

1.5 通過系統(tǒng)聯(lián)動控制實現(xiàn)節(jié)能

近年來，隨著數(shù)字科技的發(fā)展和各類變送器監(jiān)測精度的提高，空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)技術(shù)在越來越多的地鐵車站中應(yīng)用。以將原來相對孤立的空調(diào)水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、備用空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)系在一起，在滿足運營要求的前提下，通過設(shè)定相應(yīng)的算法控制，控制各項大型用電設(shè)備的變頻運行或啟停，實現(xiàn)風(fēng)、水系統(tǒng)的協(xié)同與聯(lián)動，節(jié)約電能。

空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)類別可分為水系統(tǒng)節(jié)能控制方案、大系統(tǒng)節(jié)能控制方案、小系統(tǒng)節(jié)能控制方案等。

1.5.1 水系統(tǒng)節(jié)能控制方案

水系統(tǒng)節(jié)能控制方案涉及的設(shè)備包括冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵等。

冷水機組是大功率用電設(shè)備，對其進行節(jié)能控制具有重要經(jīng)濟意義。冷水機組節(jié)能控制包括使用空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)控制冷水機組的停機、開機和間歇運行，自動監(jiān)測和設(shè)定冷水機組的出水溫度及觸發(fā)冷水機組的低溫保護功能。在冷凍水供回水回路中，通過在回水主管上設(shè)置熱量表，在供回水主管上設(shè)置溫度變送器，采集供回水溫度信息，反饋給節(jié)能控制系統(tǒng)計算預(yù)測末端空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷。當(dāng)預(yù)測冷負荷大于冷水機組開機最低負荷時，冷水機組開機，反之則停機。

空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)可根據(jù)末端空調(diào)系統(tǒng)冷負荷的變化，自動計算空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)前需求的總負荷，并參照歷史記錄，自動選擇投入運行的冷水機組臺數(shù)，確保冷水機組在較高的效率區(qū)間持續(xù)運行;并優(yōu)化冷凍水和冷卻水的配送方案，自動調(diào)節(jié)冷凍水流量和冷卻水流量，降低輸送能耗。

冷凍水泵給冷凍水系統(tǒng)提供動力和壓差，維持冷凍水在系統(tǒng)內(nèi)的流動，實現(xiàn)降溫的目的?？照{(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)自動跟蹤監(jiān)測末端空調(diào)冷負荷，通過控制算法調(diào)節(jié)冷凍水泵運行頻率，使冷凍水跟隨末端冷負荷的變化而進行動態(tài)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)地調(diào)整冷凍水的運行參數(shù)，從而最大限度地降低冷凍水系統(tǒng)的運行能耗。

室外溫濕度變送器采集室外溫濕度信息，通過空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)確定冷卻塔目標出水溫度，根據(jù)冷卻塔目標出水溫度與實際出水溫度的差值，空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)將冷卻塔劃分為4擋運行：一擋（低速+關(guān)閉），二擋（高速+關(guān)閉），三擋（低速+低速），四擋（高速+高速），從而大大節(jié)約電能。96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C

1.5.2 大系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)

空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)通過對大系統(tǒng)各種工藝參數(shù)及設(shè)備運行參數(shù)的采集，設(shè)定相應(yīng)的控制算法，根據(jù)末端負荷特性及歷史負荷數(shù)據(jù)等，預(yù)測“未來時刻”系統(tǒng)的負荷，從而確定組合式空調(diào)機組、回排風(fēng)機和小新風(fēng)機的最佳運行參數(shù)，在保證公共區(qū)運營環(huán)境的前提下，最大限度地降低系統(tǒng)運行能耗。組合式空調(diào)機組、回排風(fēng)機、小新風(fēng)機均為變頻運行，最大運行頻率為50 Hz，最小運行頻率為25 Hz（具體可設(shè)定）。

（1）小新風(fēng)空調(diào)運行工況。開啟水系統(tǒng)各設(shè)備，開啟組合式空調(diào)機組、回排風(fēng)機和小新風(fēng)機，大系統(tǒng)只回風(fēng)不排風(fēng)。

（2）全新風(fēng)空調(diào)運行工況。開啟水系統(tǒng)各設(shè)備、開啟組合式空調(diào)機組，關(guān)閉小新風(fēng)機和回排風(fēng)機，大系統(tǒng)只送風(fēng)不回/排風(fēng)。

（3）全通風(fēng)運行工況。關(guān)閉水系統(tǒng)各設(shè)備，開啟組合式空調(diào)機組，關(guān)閉小新風(fēng)機和回排風(fēng)機，大系統(tǒng)只送風(fēng)，不回/排風(fēng)。

2 動力照明工程節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

車站動力照明系統(tǒng)主要用電設(shè)備為燈具，一個標準車站燈具數(shù)量眾多，一般達到三四千盞。面對如此龐大數(shù)量的燈具，如何實現(xiàn)低耗能，易操控，快速定位故障和檢修具有重要的經(jīng)濟意義和實用性。

受地下車站自身條件限制和消防疏散要求，各類燈具均需要長時間開啟，保障車站正常運營和緊急情況下的逃生疏散，每天都要消耗大量的電能。為了既保證車站正常運營需要，最大限度地節(jié)約電能，目前地下車站普采用LED燈具，設(shè)計智能照明控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)和BAS系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)車站燈具的節(jié)能和友好調(diào)控檢測。

LED燈具具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點，正在成為主流的光源產(chǎn)品。研究表明，相同照度下，LED光源比傳統(tǒng)熒光光源節(jié)能57 %，壽命是熒光燈的15～20倍。地下車站推廣使用LED光源，可大大節(jié)約電能。

智能照明控制系統(tǒng)是通過通信總線，將車站公共區(qū)及出入口各類普通照明燈具實現(xiàn)有效連接，在配電箱中集成各類驅(qū)動模塊，出入口安裝光源采集感應(yīng)器，將傳統(tǒng)燈源機械控制轉(zhuǎn)化成車控室實現(xiàn)數(shù)字控制和調(diào)節(jié)，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和調(diào)節(jié)的智能系統(tǒng)。

智能照明控制系統(tǒng)由控制主機、控制軟件、集控面板、通信總線、感應(yīng)器和驅(qū)動模塊等組成。通過軟件編程，可實現(xiàn)燈源的定時控制、模式控制和調(diào)光功能，節(jié)約電能，減少人力物力的投入。

3 結(jié)束語

通過以上分析可知，常規(guī)機電系統(tǒng)中，通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備為主要用電設(shè)備，照明系統(tǒng)燈具也是地下車站耗能的一個重要因素，給排水及消防系統(tǒng)用電設(shè)備主要為潛污泵、消防泵，但其只有在一定條件下啟動，耗能較少，不作為分析的重點。目前，變頻技術(shù)、節(jié)能材料和設(shè)備、空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)已普遍在地鐵車站中應(yīng)用，對節(jié)約電能起到重要作用。

參考文獻

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