西安地鐵通風空調系統節能改造研究

孫佃升

西安地鐵通風空調系統節能改造研究

孫佃升

（西安市地下鐵道有限責任公司，710018，西安//高級工程師）

根據西安市地鐵車站內外環境、客流量等因素的變化，采用地鐵車站環境控制及能源管理系統，對原有通風空調系統按各種不同運行工況進行節能改造，包括：空調末端負荷節能控制、空調主機熱轉換效率控制、通風空調系統末端送風量調節控制、風系統與水系統協調控制等。西安地鐵2號線3個車站的改造后測試結果證明，對地鐵節能降耗作用明顯，可為同類工程的改造設計和實施提供參考。

地鐵；通風空調系統；模糊控制；節能改造

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、準點、快捷、舒適、環保等優點已然成為了現代社會城市居民出行的首選。人們在享受地鐵帶來的各種便捷的同時，也必須清醒地認識到，地鐵系統也是城市電力部門和公共交通中的耗能大戶，因此，做好地鐵的節能降耗將對城市能源的合理配置起到重大作用。

1 地鐵通風空調系統節能改造的必要性

地鐵車站一般位于地下，其建筑空間與外部空間相對封閉，由于列車、機電設備及大量乘客所產生的熱量以及土壤的熱惰性，使得地下車站及隧道內的溫度較高。目前，國內地鐵大多利用通風空調設備來改善車站和隧道空間內的溫度、濕度、風速和空氣質量。

我國軌道交通運營線路的能耗統計數據顯示，軌道交通總用電量中，牽引用電約占50%～60%，車站及區間動力及照明用電約占40%～50%。對于地下車站，其通風空調系統的能耗約占整個車站總用電量的50%～60%，通風空調設備能耗在整個軌道交通運營成本中占有很大的比重。特別是隨著各地軌道交通網絡規模的不斷擴張，投入運營的線路里程和車站數量也在不斷地增加，軌道交通總體的運營能耗量呈現出快速增長的趨勢，能耗問題越來越顯突出。因此，做好地鐵通風空調系統的節能改造已成為迫在眉睫的問題。

2 西安地鐵通風空調系統原狀

西安地鐵目前已開通兩條線路，運營線路51.8 km，共設車站39座（全部為地下車站）。為在開展地鐵通風空調系統節能改造的同時，保證地鐵運營的安全性和連續性，西安地鐵首先選取了2號線的3個車站（緯一街站、鐘樓站、市圖書館站）作為試驗站，對其原有的通風空調系統進行節能改造。這3個車站原有通風空調系統情況如下。

（1）3個站點原通風空調年能耗為：緯一街站114.34萬kW·h、鐘樓站169.37萬kW·h、市圖書館站114.78萬kW·h。

（2）原通風空調大系統設備電機功率在15 kW以上的采用了變頻器控制，但是運行頻率由人工設定，不能滿足負荷實時變化的需求。

（3）原通風空調小系統沒有做節能控制，所有設備每天24 h均在工頻狀態運行。

由此可以看出，原通風空調系統年耗電量較大，系統不能根據具體負荷大小變化情況來調整運行工況，故節能降耗有很大空間可以挖掘。

3 改造方案

地鐵通風空調系統的改造方案主要是針對制冷系統主要設備（制冷主機、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機等）和末端設備進行優化節能控制，通過改造以實現整個系統的最佳冷卻水自適應優化控制、負荷預測冷凍水智能模糊預期控制、能量動態預測風機預期控制、二氧化碳含量趨勢變化及新風補給量/排風量預期模糊控制等功能，最終達到地鐵通風空調系統高效、低耗、安全、節能的運行目標。

3.1 空調末端負荷節能控制

地鐵空調末端的實際負荷（即空調末端對冷凍水的需求量）是隨多種因素的變化（季節交替、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，空調系統的負荷是一個隨機變量，且始終處于動態變化之中。由圖1空調能耗曲線可以得出：可節約的功率△W=△W1+△Wh。

圖1 地鐵空調系統能耗曲線

當環境溫度、空調末端負荷發生變化時，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、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數送至模糊控制器，模糊控制器依據所采集的實時數據及系統的歷史運行數據，實時預測計算出末端空調負荷所需的制冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調節各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉速，改變其流量使冷凍水系統的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行在模糊控制器給出的最優值范圍內。通過統計的方法計算出空調主機的輸出負荷，推測未來時刻系統的運行參數，達到冷凍水回水溫度的精確控制，在保證服務質量的前提下，最大限度地利用溫差空間，降低水泵能耗。

隨著空調末端負荷的降低，冷凍水向空調主機蒸發器傳遞的熱量也相應降低。根據熱力學第一定律，冷凝器內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降低，運送負荷的冷卻水流量和冷卻塔散熱風機風量也應降低。根據流體力學原理，通過對冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機運行的匹配調節，可使相應的輸入電能大幅度降低。

假設水泵流量為Q，壓力為p，轉速為n，電機功率為N，工況1與工況2的各項參數比有如下關系：

由式（1）、（2）、（3）可以推出：

由式（4）可以看出，減少水泵流量（降低水泵轉速），可以大幅度降低水泵電機功率消耗，實現有效節能。水泵調速節電比率如表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%間進行調整變動，則可實現空調系統系統年平均節電60%～80%。

表1 地鐵空調調速節電比率

3.2 空調主機熱轉換效率控制

空調主機熱轉換效率隨著空調運行條件及空調末端負荷的變化，冷凝器的最佳熱轉換溫度隨之偏移，能源利用率（COP）也隨之降低，因此，要提高空調主機熱轉換效率，須從冷卻水系統的“最佳轉換效率”控制著手，利用模糊控制器分析采集到的實時數據及系統的歷史運行數據，計算出主機冷凝器的最佳熱轉換溫度點及冷卻水最佳出、入口溫度，并將傳感器檢測到的冷卻水出、入口溫度與此最佳溫度參數作比較，利用經模糊運算后輸出優化后的控制參數，調節冷卻水泵和冷卻塔風機的工況，控制冷卻水泵和冷卻塔風機轉速，動態調節冷卻水的流量和冷卻塔風機的風量，使冷卻水的進、出口溫度逼近模糊控制器給定的最優值，從而實現空調主機在任何環境條件和負荷情況下，均接近最佳熱轉換工作狀態，達到最佳的空調熱轉換效率。分析模型如圖2所示。

3.3 通風空調系統末端送風量調節控制

合理確定通風空調系統末端風閥的開度，對地鐵車站空調系統的節能降耗至關重要。由于外界環境溫度以及地鐵車站空調末端區域內人流量的變化，地鐵車站內環境對冷熱量及新風量的需求也會隨之變化。通過對被控區域的二氧化碳含量連續采集和記錄，結合系統的固有特性分析其變化趨勢，并綜合考慮新風溫度和回風溫度的關系，以確定新風補給量/排風量的最佳值。實踐證明，在滿足新風量不小于總送風量10%的基礎上，合理調節定位風閥的開度，可在確保車站內空氣品質的同時提高風源的利用率，最大限度地達到節能的效果（見圖3）。

3.4 空調末端水閥調節控制

由于空調末端環境負荷的變化，如果系統供水流量固定不變則會導致空調系統供給冷熱量與末端負荷需求不能完全匹配，從而產生末端環境冷熱不均，冷熱量供給不足或者浪費的現象。地鐵車站通風空調系統的節能降耗改造是根據現有冷凍水輸送能量數據的統計和計算，獲得負荷變化規律，從而依據空調趨于空氣設計狀態的焓值設定送風溫度，從而改變水閥開度，調節輸出的冷/熱量，使區域冷/熱量供給和送風溫度均穩定在設定值范圍，從而達到地鐵通風空調系統高效低耗的節能目的。

3.5 風系統與水系統的協調控制

通風空調系統的節能降耗與空調的風系統與水系統的協調控制是分不開的。通過對風系統與水系統的協調控制，調整末端空氣處理機組表冷器的冷凍水閥，修正制冷站的總輸出冷量，調整各空氣處理機組的送風溫度，使輸出與需求相匹配，從而達到降低末端設備與制冷站總體能耗的目的，使整個通風空調系統始終處于最高效率點運行（見圖4）。

4 系統改造后測試

圖2 空調主機熱轉換效率控制模型

圖3 通風空調系統末端送風量調節控制流程

圖4 風系統與水系統協調控制模型

西安地鐵2號線緯一街站、圖書館站、鐘樓站3個站的節能改造試驗項目，采用了貴州匯通華城股份有限公司生產的SECEMS地鐵車站環境控制及能源管理系統。為了驗證通風空調系統的綜合節能效果，根據國家標準GB/T 26759-2011《中央空調水系統節能控制裝置技術規范》中規定的節能測試條件和方法進行了節能測試，相關測試數據如表2所示。測試數據抽取于2015年7月8日至7月20日3個測試站的抄表數據。

由表2可以看出，西安地鐵2號線緯一街站、鐘樓站和市圖書館站在進行通風空調系統節能改造后，大幅度降低了地鐵車站的通風空調系統能耗，節能效果顯著。

表2 西安地鐵2號線通風空調系統節能改造測試數據

5 結語

地鐵的節能降耗對于降低城市的能源消耗具有至關重要的作用。本文以西安地鐵2號線3個試驗站通風空調系統節能改造為例，提出了一套節能控制的解決途徑。經測試驗證，該節能改造方法不僅解決了能耗的問題，而且提高了地鐵車站環境的舒適度，對于今后地鐵車站環境改造具有較好的推廣價值。

［1］國家質量監督檢驗驗疫總局.中央空調水系統節能控制裝置技術規范：GBT 26759—2011［S］.北京：中國標準出版社，2001.

［2］顧慶宜.北京地鐵復八線通風空調系統綜合節能改造［J］.都市快軌交通，2012，25（5）：115-117.

［3］佘光華.地鐵通風空調系統節能研究［J］.制冷與空調，2008（2）：14-17.

［4］梁永輝.基于變頻控制的中央空調節能系統研究［J］.科技與企業，2012（9）：160.

［5］王憲.深圳地鐵車站中央空調系統變頻節能改造方案分析［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狀與節能潛力分析［J］.暖通空調，2004，34（9）：8-10.

中國中車科技領軍人才研修項目在同濟大學舉行

7月2日至8日，中國中車的科學家、首席技術專家50余名齊聚同濟大學，參加由中國中車人事部和同濟中車創新研究中心聯合主辦的“中國中車科技領軍人才研修項目”。開班儀式上，同濟大學副校長顧祥林致歡迎辭，對中國中車領軍技術人員來到同濟校園表達熱烈歡迎，并希望通過此次活動，拉開中國中車與同濟大學全面深化合作的序幕。中國中車總工程師張新寧做了學習動員講話，表示此次活動是中國中車成立以來首次進行的科技領軍人才集中研修，希望學員們珍惜校園學習機會，積極交流，增進了解，開拓視野。同濟大學工程與產業研究院院長張亞雷為學員代表授戴了同濟大學校徽。此次研修活動，是2016年11月16日中國中車與同濟大學在上海共建“同濟中車創新研究中心”后，由中心主辦的首次高端人才培訓活動，得到了繼續教育學院、創意學院等相關學院的大力支持。課程設置結合中國中車發展戰略和同濟大學的學科優勢，時間緊湊、內容豐富、形式多樣。不僅覆蓋了軌道車輛技術、磁浮交通技術、車用生物基復合材料、機器人與智能駕駛、大數據等專業領域，而且涉及了國內經濟形勢研判、設計與企業戰略、設計驅動創新等交叉學科內容。來自同濟大學不同學院的16位知名院士、教授向學員們詳細介紹了相關領域的技術發展現狀、關鍵技術、發展趨勢等。同時舉辦主題為創新創意鐫刻制造業的“未來簡史”沙龍，由4位不同領域的專家引領學員，圍繞創新創意，積極開展互動，暢所欲言，場面熱烈。除專業學習外，學員們先后參觀了同濟大學新能源汽車及動力系統國家工程實驗室、地面交通工具風洞中心、國家磁浮交通工程技術研究中心等科研基地。同時創新了交流模式，中國中車的科學家們走上講臺，開展內部技術交流。結業典禮上，班長代表全體學員從“開視野”“創思維”“增了解”“促友誼”四個方面總結此次研修活動，表示學有所獲，不虛此行。中國中車人事部、同濟大學科研院等相關負責人都表示，希望雙方能夠互通有無、相互借鑒、共同促進、合作共贏。此次活動的圓滿落幕，充分發揮了同濟中車創新研究中心作為校企合作平臺的作用，為中國中車科技領軍人才與同濟大學的知名教授之間搭建了技術深度交流和理念創新融合的舞臺，通力合作，助推中國制造向中國創造、中國速度向中國質量、中國產品向中國品牌轉變。

（摘自2017年7月11日同濟大學新聞網，同濟中車創新研究中心供稿）

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）