基于地鐵綜合監控系統的節能管理方式探討

劉 啟 汪 侃 陳 輝

(1.成都地鐵運營有限公司，610081，成都;2.上海寶信軟件股份有限公司，201900，上海∥第一作者，工程師)

地鐵具有高運能、低噪音、占地小、快捷、安全舒適等特點，是目前解決城市交通擁擠問題的首選。但其每天高達數十萬千瓦時的電能消耗也是運營單位所必須面對的問題。因此，地鐵節能技術日益受到人們的重視，并隨之而發展。對于新建線路而言，從設計源頭開始就應該重視節能技術的應用。同時，從較多的實際案例中發現運營模式也對地鐵能耗有較大的影響，也能應用在對既有線路的節能改造方案中。本文通過對比部分地鐵的實際能耗數據，分析了運營模式對地鐵能耗的影響，并為地鐵節能提供切實可行的方案來有效降低軌道交通系統的能耗。

1 能耗現狀

以成都地鐵1號線為例，其日能耗數據如表1所示;再以廣州地鐵1號線為例，其日能耗數據如表2所示。

表1 成都地鐵1號線日能耗數據 kWh

表2 廣州地鐵1號線能耗數據 kWh

依據表1和表2，計算出能耗百分比如表3所示。由表3可知，能耗主要分布在列車牽引用電和動力照明用電上，其占地鐵總能耗的85% ～95%。其中，動力及照明用電占總能耗的60%左右，屬于地鐵節能工作的重點。

表3 地鐵能耗百分比 %

2 地鐵運營模式對能耗的影響分析

車站通風空調系統作為車站環境調節的設施，在日常運營中擔負重要的角色，同時也占用了動力及照明總能耗中較大的份額。因此，本文將針對日常運營中能耗較高且與運營模式密切相關的隧道通風系統運行方式和大、小系統(含冷水系統)空調季節工況運行方式進行分析。

2.1 隧道通風系統運行能耗分析

隧道通風系統分為區間隧道活塞風、機械通風系統(兼排煙系統)和車站范圍內、屏蔽門外站臺下排熱和車行道頂部排熱系統，主要負責兼排煙、阻塞工況通風和早晚換氣、排除空氣異味、改善空氣質量等功能。區間隧道活塞風通風主要是依靠列車正常運行時產生的活塞風與室外空氣進行置換，排除區間隧道內的余熱、余濕。而機械通風系統則通過在車站兩端設置隧道風機來輔助送排風。

正常情況下，國內地鐵一般在每日運營前一段時間和運營結束后一段時間(通常為0.5 h至1 h)啟動全線的隧道風機，作早晚清潔通風用，以排除空氣異味、改善空氣質量。但從已開通的地鐵線路運營情況來看，對此部分能耗尚存在如下異議。

1)對早晚間隧道通風:對于早間通風，鑒于夜間停運時間較長，導致隧道區間內壁出現凝露、腐蝕性濕氣加重等現象，通過隧道風機將此類氣體排出，不僅能夠保證空氣質量，還能夠降低區間內機電設備的腐蝕性損耗。地鐵設計規范也要求隧道區間的二氧化碳濃度不應該超過1.5‰。但目前運營線路所設置的通風時長還缺乏相關依據。對于晚間通風，鑒于列車經過近一天的運行，隧道區間因活塞風而持續保持與外部的空氣置換，此外夜間停運期間，不存在客流，因此晚間通風的意義完全小于其所占用的能耗。

2)對全線隧道通風站點:一般當隧道區間內列車運行數量超過一定的數值時，地鐵運營方會開啟全線的隧道通風系統，以保障列車內的空氣質量，確保乘客的舒適度不受影響。但事實上列車在隧道中高速行駛所形成的活塞風量能夠在一定程度上緩解隧道區間內空氣的停滯情況，且每條地鐵線路的每座車站縱深都不一致，因此，若按照統一的標準執行隧道通風系統工況，難免存在不合理的現象。

2.2 空調季節運營耗能分析

目前，國內大陸地區地鐵將全年分為空調季節工況運行和非空調季節工況運行2大類，且一般每年的5月份至10月份為空調季節。

根據《地鐵設計規范》中關于地下車站通風與空調系統的描述:“當車站采用通風系統時，站內夏季的空氣計算溫度不宜高于室外空氣計算溫度5℃，且不應超過30℃;當采用空調系統時，站廳的空氣計算溫度比空調室外計算干球溫度低2～3℃，且不應高于30℃”。但在日常運營中，為了保證在運營期間不降低乘客的舒適度，即使在非炎熱的季節時，也沿用空調季節工況運行，因此，此部分也存在較為不合理的能耗浪費。

此外，在空調季節車站內氣溫上升主要由人體散熱及照明等設備散熱所致，對于一些總體客流量較小的車站僅僅上下班高峰期才會出現較大的客流，若全線按照統一的大系統工況模式運行，也存在較為不合理的現象。

2.3 其它設備能耗分析

2.3.1 電扶梯

根據目前設計現狀，電扶梯采用變頻調速控制，無人情況下電扶梯以50%以下低速運行，有人情況下以50%～100%的速度運行。此種狀態也存在較為不合理的現象:

1)正常運營期間，有人情況下電扶梯以50%～100%的速度運行，因此當乘客數量為1人和數量為50人時，電扶梯能耗一樣;

2)在無人情況下，電扶梯以50%以下低速運行，則浪費了變頻調速功能，且導致能源浪費;

3)全線客流并不平均，按統一標準執行的話，會造成全線各站電扶梯能耗比一樣的結果。

對于電梯而言，在實際運行中經常會出現以下兩種現象:一是乘客較多或者滿員時轎箱下降;二是乘客比較少或者沒有乘客時轎箱上升。這兩種現象都屬于能源浪費，因此電梯的運行方式也存在不合理的現象。

2.3.2 照明

照明系統可分為智能照明、廣告照明和區間疏散照明等3種。智能照明及廣告照明主要在運營期間開啟，但運營期間的智能照明及廣告照明的開啟模式存在著一定的節能空間。目前，智能照明及廣告照明均設置有全開、半開及1/4開的模式，因此，若根據車站內部本身的光照度來決定開啟的模式，則可節約部分能耗。至于運營期間始終開著的區間疏散照明，完全與運營無關，也是一種不合理的現象。

3 運營模式優化策略

通過上述分析，可明確目前運營模式中所存在的能源浪費現象，現利用地鐵的綜合監控系統功能，提出相對應的節能策略來優化運營模式，可在不降低運營質量的前提下降低不合理的能耗。

3.1 隧道通風系統運行模式的優化

對于早間通風，考慮到開啟完畢后將直接開始全天的運營，因此其通風時長完全可以按照隧道區間內氣體全部置換一次的時間來執行。即，通過估算全線隧道區間的空間總體積及單位時間內全線隧道風機的總排風量，來計算隧道風機每天早間通風前需要運行的時間。以成都地鐵1號線為例，計算得知全線隧道區間內的空氣全部置換一次的時間約10 min，假定以之前設置30 min隧道通風時間來作對比，則可降低隧道風機運行時長20 min。假設地鐵隧道風機單臺功率為90 kW，則可計算出成都地鐵1號線早間68臺風機節省的能耗為2040 kWh。

對于晚間通風，考慮到停運之后僅部分調試車輛通行，因此全線繼續開啟隧道風機運行0.5 h的意義不大，屬于可優化范疇。仍以成都地鐵1號線為例，為此可降低能耗3060 kWh。

綜上所述，全線僅每日早晚間通風一項通過優化就可節能5100 kWh。

此外，《地鐵設計規范》中規定，對建有屏蔽門系統的車站隧道區間，其溫度不應該超過40℃;國內部分設計部門所制定的設計標準要求隧道區間的二氧化碳濃度不應該超過1.5‰。因此，可由地鐵的綜合監控系統根據環控系統實時監測的隧道區間溫濕度和二氧化碳濃度來判斷是否需要啟動隧道通風系統。通過這種方式可以完全融合阻塞工況通風和早晚換氣通風。根據綜合監控系統采集的隧道區間平均溫度和二氧化碳平均濃度，經過運算可確定全線哪些站點需要開啟隧道通風系統，當隧道區間內環境改善至符合要求后，再實時關閉隧道風機。這樣就可兼顧運營質量及節能措施，從而降低因不合理的規章制度帶來的能耗浪費。

3.2 空調季節運營模式的優化

目前，國內大陸地區對于空調季節的劃分尚無明確的界限，一般設定為每年的5月份至10月份。但每個城市地理位置存在差異，因此，每條地鐵需要根據自身全年平均溫度來劃分空調季節。與此同時，空調季節的縮短會引起因天氣反常而導致的乘客舒適度下降，所以在縮短空調季節的同時，需要借助綜合監控系統來保證地鐵環境舒適度不會下降。在乘客舒適度不被降低的前提下，空調季節的縮短所帶來最直接的效果便是此期間冷水系統的節能。此外，可通過車站通風空調系統啟停優化控制、焓值優化控制等方式來進一步實現車站節能。

3.2.1 車站通風空調系統啟停優化控制

車站通風空調系統的過早啟動和過遲停止，均會延長設備運行時間從而增大能耗值。因此，需要對通風空調系統的啟停控制進行優化，即進行最優啟停控制(如圖1所示)。由于空調系統冷慣性特性，在地鐵每日運營開始之前需提前啟動空調系統，使車站預冷，以保證地鐵正式運營時車站溫度處于要求范圍。同理，在地鐵運營停止之前停止空調系統，利用其冷慣性來保證車站內溫度不會很快變化，使車站溫度在地鐵停運前維持在要求的范圍內。

目前，國內大陸地區地鐵基本都在當天最早時間開啟車站通風空調系統。通過圖1可知，最優啟動時間為地鐵開始運營前的一個預冷期，而最優停止時間也不是當天的地鐵運營結束時間，而是利用冷慣性提前停止。通過優化啟停控制來實現預冷能耗的節省。由于推遲啟動和提前停止空調設備運營，縮短了其運行時間而節省了動力耗電，在滿足車站溫度控制需求的前提下可節約通風空調系統的能耗。

圖1 車站空調系統最優啟停示意圖

對于預冷期的確定，可利用地鐵綜合監控系統的公共區溫濕度傳感器趨勢圖來初步估算，為更準確地計算預冷期，可利用公共區內外溫度之差及通風空調系統制冷功率來作進一步核算。

3.2.2 車站空氣焓值的優化控制

人體感覺最舒適的溫度為21～24℃，但一般情況下，車站內與室外溫度維持一定的溫差即能保證乘客進入車站時感覺舒適，因此可通過動態地設定車站空氣的焓值，即以車站室外的溫度參數和車站內的冷負荷需求來修改車站空氣焓值的設定。這樣，可在不降低乘客舒適度的前提下節省不必要的能耗。

對于車站供冷來說，提高車站空氣焓值設定是最直接和最有效的節能方法。因此，車站的空氣焓值設定代表了車站冷負荷的大小。目前，地鐵綜合監控系統的空氣焓值控制一般采用溫度越限觸發，如圖2所示。

圖2 車站空氣焓值控制示意圖

當室外溫度超過車站空氣焓值設定值之后，即啟動車站供冷。從圖2中也可看出，一旦溫度越限，則供冷設備立即運行，因此，優化動態焓值設定后(如圖3所示)，可始終保持室內外的溫差處于一個固定值，而動態地提高車站供冷的觸發條件，從而降低能耗。

圖3 車站空氣焓值優化控制示意圖

此外，車站冷負荷主要包括列車運行散熱負荷、列車活塞風負荷、乘客負荷、新風空氣負荷、車站設備及照明負荷，以及由車站墻面吸放熱所增減的負荷。當車站設置站臺屏蔽門之后，列車活塞風負荷對車站的影響幾乎可以忽略，而列車運行散熱負荷僅在列車到站和在屏蔽門打開到關閉的短時間內有所影響。故對車站的溫度影響不大，通過車站溫度的調節，可以在短時間內恢復。車站設備及照明負荷及由車站墻面吸放熱所增減的負荷都相對比較固定。而乘客負荷變化較大，并且新風空氣負荷也是隨著乘客負荷的增加而增加，這也為車站溫度的調節提供了一定的依據。

3.3 其它設備的運營優化

3.3.1 電扶梯節能

自動扶梯和電梯是公共場所運送乘客的最典型設備。自動扶梯在無人搭乘時仍然在工作。通過對成都地鐵運營狀況的分析可知，自動扶梯和電梯用電量占車站機電設備總用電量的10%左右。

據實際運營經驗，除幾個乘客比較集中站點的自動扶梯乘客使用率比較高外，有相當部分站點出入口自動扶梯等的使用率都比較低，對于這部分自動扶梯，可以考慮一直以50%的速度運行，以節約能耗。

針對電梯設備，可以選擇加裝電能回饋器的電梯品牌。電梯能源回饋器的節能效益是相當高的。中國特種設備檢驗協會對某電梯產品進行過能耗測試:工況為100%載荷(滿載)時往返10次的耗電量，用電能回饋技術前耗電0.852 kWh，應用電能回饋技術后耗電0.472 kWh，節電率超過44%;工況為0%載荷(空載)時往返10次的耗電量，用電能回饋技術前耗電0.748 kWh，應用電能回饋技術后耗電0.486 kWh，節電率超過 35%。

3.3.2 照明節能

照明系統占車站動力照明系統用電量的16%。其可以從以下幾方面考慮節能:

1)對于公共區照明系統，可以采取時間表控制等方式來對燈具開啟時間進行優化，從而達到減少照明系統能耗的目的。例如，當列車停運后可以自動開啟1/4模式，只開啟1/4的站臺、站廳照明。按列車運營17 h算，可以節約大約30%的電量。

2)對于廣告照明，也可采取時間表控制的方式對燈具開啟時間進行優化，從而達到減少照明系統能耗的目的。在列車停運后即可關閉所有的廣告照明。

3)區間工作照明可以在列車運營時間關閉，相比全天候開啟工作照明的方式可節約能耗。

4 結語

城市軌道交通不僅能提供高效、優質的公交出行服務，而且是一種集約化的交通方式，能節約能源和土地資源，在改善城市環境、緩解交通擁擠等方面有明顯優勢。但由于城市軌道交通系統十分復雜，涉及到多個專業，規范能耗評價體系的建立是發展的必然趨勢。對于國內已運營的近70條城市軌道交通線路來說，設備節能技術的確能夠降低一定的能耗，但同時需要一定的投資成本。因此，通過優化運營模式的無成本節約能耗的方式，應當作為城市軌道交通節能的首選。

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