地鐵常規(guī)機電節(jié)能技術研究與應用

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，疏理城市軌道交通在運營過程中的能源消耗，其中地鐵機電設備在地鐵運營中的能源消耗的比重很大，隨著科學技術的發(fā)展，研究通風空調專業(yè)中使用節(jié)能設備、節(jié)能材料、節(jié)能技術和運轉工況的轉變和配合實現(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)能技術的應用情況及對起到的經濟和社會效益，以此做啟發(fā)，對未來節(jié)能技術進行了展望。

[關鍵詞]軌道交通;通風與空調;節(jié)能;研究;應用

[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，每天均要消耗大量的電能。使用節(jié)能設備和材料，采用節(jié)能技術，不僅可以節(jié)約電能，而且能夠加快技術創(chuàng)新，推動產業(yè)升級換代。

地鐵常規(guī)機電包括通風與空調、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，維持通風與空調設備、給排水設備及照明設備的運行，為乘客提供舒適的乘坐環(huán)境，保證各類系統(tǒng)設備正常運轉。

1 通風與空調工程節(jié)能技術研究與應用

軌道交通系統(tǒng)通風與空調工程大功率用電設備較多，特別是地下車站工程，需要各種類型的通風設備和空調器保證車站的送風、排風和制冷、凈化、消毒等，如隧道風機、排熱風機、新風機和組合式空調器、柜式空調器等。因此，研究通風與空調工程節(jié)能技術對整個車站節(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與空調工程通過大量使用節(jié)能設備、節(jié)能材料、節(jié)能技術和運轉工況的轉變和配合實現(xiàn)節(jié)能。

1.1 節(jié)能設備

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

1.2 節(jié)能材料

通風與空調工程的送風管道、回風管道、空調器、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，通過空調節(jié)能控制技術，實現(xiàn)對通風與空調設備的有效監(jiān)控和調節(jié)，根據(jù)末端冷量實現(xiàn)冷凍水泵、空調器的變頻運行，也可大大節(jié)約電能。

1.3 節(jié)能技術

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

（1）快速調速功能，根據(jù)公式：n=60 f（1-k）/p。其中，n為電動機轉速，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)通風空調設備的運轉速度調整。從而，可根據(jù)實際工況需要，通過變頻器動態(tài)調整設備運轉速率，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，使用變頻器調速比傳統(tǒng)的電磁調速可以節(jié)電25 %～80 %。具體原理同變頻調速功能。

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

1.4 通過運行工況的有效轉變和配合實現(xiàn)調速

1.4.1 隧道通風系統(tǒng)

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

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

在列車停運檢修時段內，活塞風道組合風閥關閉，隧道風機打開，活塞風孔組合風閥和機械風閥連鎖打開。依靠相鄰車站隧道風機的相互配合，風閥的啟閉實現(xiàn)隧道區(qū)間通風換氣，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計成兩層島式結構，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)由排熱風機、排風道、排風井、軌頂排熱風道和軌底排熱風道及相應的組合風閥組成。通常每個車站設計兩組隧道排熱系統(tǒng)，分別負責半個車站的因列車制動和啟動產生的熱量排放。

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熱源“列車牽引制動產熱和列車冷凝器產熱”排除在車站站臺門之外，降低了的空調負荷。

1.4.3 空調小系統(tǒng)

根據(jù)地鐵設備管理用房的工藝要求和運營管理要求設置通風空調和防排煙系統(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)稱為空調小系統(tǒng)。

空調小系統(tǒng)通常由柜式空調器、回排風機、風閥、消聲器、管道系統(tǒng)等組成。根據(jù)車站大小，設備管理用房分布等一個車站通常涉及若干套空調小系統(tǒng)。空調小系統(tǒng)根據(jù)車站內、外的環(huán)境溫度、濕度等，結合運營要求，按照小新風工況、全新風工況和全通風工況3種模式運行。

當空調季節(jié)室外新風的焓值大于室內回風的焓值值時，采用小新風工況，柜式空調器的新風閥打開，回排風機的排風閥關閉，回風閥打開，回風與新風經空調器處理后送入房間;當室外新風焓值值小于室內回風焓值值且大于空調送風點溫度時，采用全新風工況，柜式空調器的新風閥打開，回排風機的排風閥打開，回風閥關閉，新風經空調器處理后送入房間;當室外新風的溫度小于空調送風點的溫度時，采用全通風工況，柜式空調器的新風閥打開，回排風機的排風閥打開，回風閥關閉，室外新風不經冷卻處理利用空調器直接送入房間，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，空調節(jié)能控制系統(tǒng)技術在越來越多的地鐵車站中應用。以將原來相對孤立的空調水系統(tǒng)、風系統(tǒng)、備用空調系統(tǒng)聯(lián)系在一起，在滿足運營要求的前提下，通過設定相應的算法控制，控制各項大型用電設備的變頻運行或啟停，實現(xiàn)風、水系統(tǒng)的協(xié)同與聯(lián)動，節(jié)約電能。

空調節(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備，對其進行節(jié)能控制具有重要經濟意義。冷水機組節(jié)能控制包括使用空調節(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置熱量表，在供回水主管上設置溫度變送器，采集供回水溫度信息，反饋給節(jié)能控制系統(tǒng)計算預測末端空調系統(tǒng)的冷負荷。當預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。

空調節(jié)能控制系統(tǒng)可根據(jù)末端空調系統(tǒng)冷負荷的變化，自動計算空調系統(tǒng)當前需求的總負荷，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)內的流動，實現(xiàn)降溫的目的。空調節(jié)能控制系統(tǒng)自動跟蹤監(jiān)測末端空調冷負荷，通過控制算法調節(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)調節(jié)，自適應地調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，空調節(jié)能控制系統(tǒng)將冷卻塔劃分為4擋運行：一擋（低速+關閉），二擋（高速+關閉），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)

空調節(jié)能控制系統(tǒng)通過對大系統(tǒng)各種工藝參數(shù)及設備運行參數(shù)的采集，設定相應的控制算法，根據(jù)末端負荷特性及歷史負荷數(shù)據(jù)等，預測“未來時刻”系統(tǒng)的負荷，從而確定組合式空調機組、回排風機和小新風機的最佳運行參數(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。組合式空調機組、回排風機、小新風機均為變頻運行，最大運行頻率為50 Hz，最小運行頻率為25 Hz（具體可設定）。

（1）小新風空調運行工況。開啟水系統(tǒng)各設備，開啟組合式空調機組、回排風機和小新風機，大系統(tǒng)只回風不排風。

（2）全新風空調運行工況。開啟水系統(tǒng)各設備、開啟組合式空調機組，關閉小新風機和回排風機，大系統(tǒng)只送風不回/排風。

（3）全通風運行工況。關閉水系統(tǒng)各設備，開啟組合式空調機組，關閉小新風機和回排風機，大系統(tǒng)只送風，不回/排風。

2 動力照明工程節(jié)能技術研究與應用

車站動力照明系統(tǒng)主要用電設備為燈具，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動模塊，出入口安裝光源采集感應器，將傳統(tǒng)燈源機械控制轉化成車控室實現(xiàn)數(shù)字控制和調節(jié)，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和調節(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、感應器和驅動模塊等組成。通過軟件編程，可實現(xiàn)燈源的定時控制、模式控制和調光功能，節(jié)約電能，減少人力物力的投入。

3 結束語

通過以上分析可知，常規(guī)機電系統(tǒng)中，通風與空調系統(tǒng)設備為主要用電設備，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、節(jié)能材料和設備、空調節(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用，對節(jié)約電能起到重要作用。

參考文獻

[1] 地鐵設計規(guī)范：GB 50157—2013[S].

[2] 民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范：GB 50736—2012[S].96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C