城市軌道交通車站智慧能耗管理系統研究

周 超，張 銘，趙俊華，王越彤，韓佩瑤

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081；2.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081）

1 背景

隨著城市軌道交通線網規模的擴大，其能源消耗也日益增加[1-2]。車站作為城市軌道交通系統的“最小單元”，能耗管理效應的發揮主要從“車站”入手。同時，為助推國家雙碳戰略目標實施，文章結合《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》[3]及應用需求，以能耗管理智能化為主線，研究節能降耗關鍵技術，搭建車站能耗管理系統[4-5]。

通常情況下，車站內空調系統（大系統和空調水系統）能耗占整個車站常規用電的50%以上，尤其在制冷季節，甚至達到60%～80%。在前期設計階段，空調系統均需要按照城市軌道交通運營的最大負荷進行設計，并預留一定的余量。而在實際運營過程中，空調系統運行在較大負荷水平的時間占比通常不到全部時間的20%，采用常規控制策略存在較大的能源浪費[6-8]。傳統的能耗統計管理方法無法實現車站電梯系統、照明系統、環控設備、屏蔽門系統、自動售檢票系統、消防設備等的用電量檢測以及車站主供水管路、衛生間供水管路及冷卻塔供水管路等的用水量檢測。近年來，各地城市軌道交通運營企業開展了各類節能技術的產品應用，如變頻空調技術、LED照明技術、空調溫度智能調節技術、高頻輔逆技術、空氣凈化技術、中壓能饋設備等，以此達到節能降耗的目的。部分車站在現場加裝智能電表和水表，通過遠程通信實現與能耗管理系統后臺的對接，并對車站內用電、用水量進行統計分析，以輔助實現節能控制[9-11]。這些舉措雖然提高了車站對各專業能源使用的監視效率，但各專業能耗管理相對分散、獨立，尚未深入開展對各專業的綜合能耗管控研究，車站能源消耗的智能化分析和精準管理水平仍存在不足。因此，本文將深入分析車站能耗研究現狀，研究城市軌道交通能耗管理系統架構及針對性的能耗管理策略，實現對車站水、氣、電、熱等多種的綜合分析，在提升車站智慧化水平的同時實現車站節能增效。

2 車站能耗現狀分析

2.1 高效能耗管理需求

城市軌道交通車站內傳統的能耗統計管理存在周期長，風水系統無智能化聯動，電表、水表出現故障時不能及時發現和處理等缺陷與不足，影響車站運營安全。在人工抄表情況下存在人工出錯、數據重復統計修正、無法實時統計、上報數據的情況，造成人力物力資源浪費。冷卻水與風機目前為定時任務模式，存在能耗進一步優化空間。因此，迫切需要一套智慧能耗管理系統，實現各類能源的節能管理與管控，對風、水、電及其他能源消耗進行實時監控，對能源消耗規律及趨勢進行分析并提供數據支撐，以制定科學合理的節能策略。

2.2 站點環境特點分析

（1）站內熱源常年存在。城市軌道交通地下建筑受室外氣象條件影響較小，而地下車站內部存在顯著的內熱源，具有較大的熱源屬性，常年的冷負荷較高。

（2）空調負荷波動較大。車站空調通風負荷的設計標準通常長達20～30年。隨著城市發展、沿線人口增長、換乘站點增多后，客流量將出現顯著變化，最初的空調負荷設計和控制方案往往隨著運營時間的推移而日趨不合理。同時，車站空調負荷也具有周期性變化和突發波動并存的特性。采用定流量、定風量的控制策略不合理，并且易造成一定的能耗浪費。

（3）通風要求高。高峰時段車站內高度密集的人群會釋放出大量的異味和二氧化碳。由于車站作為長期固定建筑，因地層的蓄熱作用，自運營初期起城市軌道交通系統內部的溫度會逐年升高。若未能及時排出熱量，會增大城市軌道交通系統的遠期熱負荷，增加空調系統能耗。

2.3 現有控制技術缺陷

（1）冷源系統運行與風系統舒適度脫節。站內不同區域對空調的需求量各不相同，而且隨著人流量、季節、天氣、時間等因素的變化，空調的負荷需求也動態變化。常規的冷源群控系統與風控系統一般獨立設計、獨立運行，水系統與風系統的運行信息沒有互通互聯。供應側的運行無法參考需求側的信息，系統一定程度上處于“盲控”狀態，人工或常規的群控策略不可避免地造成冷/熱量的過供應，造成一定能源浪費，末端服務質量也難以持續保證。

（2）未采用有效的變流量控制。暖通水系統設計通常是針對設計日工況（即末端負荷最大的工況）進行系統管路和動力設備的選型配置。而設計日工況的運行時間，在空調系統全年運行的時間占比不到20%，大部分時段系統都處于部分負荷，系統水流量有較大富余，存在一定的能源浪費。此外，當前一次泵和冷卻水泵以工頻方式運行也存在大量能源耗費。即使采用基于壓差的變頻控制策略，也僅考慮到管路壓力信息，沒有考慮末端負荷需求情況，水泵的頻率控制存在一定盲目性。

（3）系統工況復雜，節能難度高。站內風水系統涉及冷主機、冷凍循環泵、冷卻循環泵、冷卻塔以及多臺風機設備，實際運行環境下的設備運行組合表現為空調系統的運行能耗。常規的群控系統不能實時提供所需的決策支持信息，實際運行過程中也未對上述信息進行粗略匯總。因此，有必要采用更加智能的風水聯動智能控制單元，全時段、全自動地對空調系統運行進行優化。

（4）設備運行維護缺乏決策支持系統。車站空調系統每年的設備維保費用超過年能耗成本的10%，設備維保直接關系到系統的能效水平和穩定運行。對于冷水主機、組合式空調箱等設備，投資大且維護成本高，沒有制定相應的設備維保策略。因此，有必要通過性能檢測跟蹤技術，實時檢測設備性能變化，對異常的性能衰減給出提示信息并針對性給出維護建議。

綜上所述，城市軌道交通車站的能源種類繁多，包括水、電、氣、太陽能等，因其大面積、多專業的系統設計、現代化的高標準服務要求，車站內設施耗能不斷增加。此外，由于城市軌道交通車站地下空間居多，水、電、氣等各個系統重要負荷多，與乘客出行的舒適度及運營服務水平緊密相關，在疫情防控常態化的背景下，車站設備使用強度和頻率呈現不規律性，因此需要結合實際需求，構建智慧能耗管理系統，實現主要高能耗設備系統的集中化管理，提高車站的綜合運營效能。智慧能耗管理系統以綜合監管為核心，利用圖像高度可視化，直觀準確地對各系統的用電量與用水量進行評估管理；建立車站的能耗運營管理信息統計數據庫，提供各項信息服務并進行數據分析；建立趨勢分析預案，豐富充實本地化信息數據庫；同時可利用數字化智能監管技術，進行全天候的信息捕獲、分析、處理，提高事件處置效率，實現設備與信息的高度共享與智能決策。

3 智慧能耗管理系統架構

智慧能耗管理系統的建設重點包括3個方面：細顆粒度的能源信息采集、管控范圍的補強、環境與設備監控系統（BAS）深度聯動控制，具體如下。

（1）對能源信息采集、存儲、管理和利用進行完善，通過數據分析獲取調整能耗應用方案的策略。

（2）在原有用電管理的基礎上，智慧能耗管理系統增加對用水、變電所及熱力的管理，將車站內智能水表與智能熱力表進行連接，相關數據匯總到采集箱內進行集中處理。

（3）智慧能耗管理系統可通過BAS系統獲取城市軌道交通設備的運行狀態及數據，并將相關能源管控策略通過BAS系統下達至各系統設備實現合理控制。

3.1 系統架構

智慧能耗管理系統主要對能耗設備進行信息采集、監控，根據能耗數據分析挖掘有針對性的節能降耗策略，與設備系統聯動控制，從而達到節能降耗的效果。根據城市軌道交通列車早、晚發車和停運信息制定照明、空調等設備的相關能耗管控策略，由智慧能耗管理系統配置控制策略并執行節能控制。通過采集不同區域、不同設備的能耗相關數據，對分類分項能耗使用情況進行分析，為能耗評估分析提供數據支撐。智慧能耗管理系統架構分為5層：基礎層、網絡層、平臺層、應用層、展現層。每層之間通過制定接口協議對接，如圖1所示。

圖1 系統架構圖

（1）基礎層。作為系統數據場景設備采集的組成部分，包括智能基表、傳感器、智能檢測主機等。

（2）網絡層。作為整個系統網絡傳輸設備的組成部分，提供系統運行的通信和運行環境。

（3）平臺層。主要為系統做接口，通過為數據提供接口將各設備數據采集到數據庫中。系統主站與測量儀表之間通過現場總線或電力載波進行通信，與變電所測量儀表之間通過通信管理機進行通信。

（4）應用層。進行日常能源使用的監控、管理，制定節能策略，如用電量監控管理、用水量監控管理等。

（5）展現層。作為與用戶交互的終端，如應用軟件、Web端網頁等。

3.2 網絡架構

車站智慧能耗管理系統計算機網絡架構如圖2所示，通過通信網絡（根據需求不同采用有線或無線的通信方式）將分布在車站不同空間位置的各專業系統設備連接起來，設置智能載波采集器、智能電表、集中器等動態采集空調機組、電梯扶梯供電回路及其他重要負荷或用電量大的能耗數據，然后通過網絡交換機接入車站內局域網，進一步傳輸至車站能耗管理服務器，在智慧能耗管理系統上將監測與數據分析結果進行可視化展示。

圖2 網絡拓撲圖

3.3 功能架構

智慧能耗管理系統具備各種能耗設備的數據采集、監測、統計、分析、報警功能，可對能源供應的安全性、能耗量、設備運行能耗的數據進行清洗、過濾、加載，運用建模方法挖掘能耗降低的關鍵性狀態，同時可結合場景條件與設備的自動控制相融合。功能架構如圖3所示。

圖3 功能架構

（1）能耗監測。該功能可實現能源使用全過程精細化監測管理，實現能源消耗狀態的可視化、監測實時化，通過分類分項能耗監測、重點設備能耗監測、區域能耗監測，全面綜合的將車站能耗清晰展示于系統中，如各條支路的耗電量、功率等參數，水管的跑冒滴漏等狀態。

（2）數據統計查詢。運行過程中會產生海量數據信息，系統基于完善的數據分類管理策略，可以查詢任意時段內、任意能耗設備或能耗單元的數據信息，實現對歷史數據信息的快速查詢；同時，可顯示全車站不同區域、不同時間段內的整體能耗以及單位面積能耗情況，能夠按照配置的建筑環境參考因素形成對比，根據相應環境因素特點，形成相應曲線趨勢圖。

（3）能源報警管理。該功能模塊可實現配電回路、用能設備單位時間的能耗監測報警，當用電回路的日能耗超出設定閾值時，進行異常報警。該系統可對城市軌道交通車站內所有基礎設施的能耗過程進行全面監測報警。

（4）能源數據分析。數據分析是智慧能耗管理系統的核心功能，針對各類能源的消耗過程，該功能以能耗數據為基礎，通過與機電設備監控系統數據交換，分析現場室內外環境狀態、設備實時能耗數據等信息，建立能耗數據分析模型，并自動對比歷史數據，發現能耗管理存在的問題，進而從能耗管理的角度對設備能耗、車站能耗水平、能耗管理流程等給出分析評估，從而推薦機電設備采用最優的節能控制策略，達到優化設備運行及管理流程、提高能源效率、降低能源消耗的目的。

（5）報表管理。報表功能是基于數據庫中的歷史、實時數據，根據日常辦公、管理需求，提供能耗統計、能源分析、綜合報表等各類報表。

（6）能源看板。能源看板是系統提供的一項系統概覽功能，可以根據管理需求，以各類圖表的方式從時間、空間、統計的維度直接呈現整體能耗、各分類分項能耗及能耗趨勢等信息，可實現同比、環比能耗對比和趨勢分析，也可呈現車站能耗管理制度、指標內容等。

4 能耗管理與控制策略

結合車站的能耗管理業務特點，智慧能耗管理系統在用電、用水、用熱方面與設備系統聯動控制，設計專項節能策略以達到智慧化節能的目的。

4.1 能耗管理策略

能耗管理策略應分類建立能耗基線，通過逐步迭代不斷優化以確定更加精準的節能控制方案。車站能耗管理的重點專業包括：冷熱源、暖通空調、新風、水泵、電熱設備、照明系統、電扶梯等。

（1）用電管理策略。對于照明與插座用電按照公共區照明、工作區照明、廣告照明和其他照明進行分類采集，能耗計量裝置根據不同的管理單位進行分類設置；通風空調系統用電可按照生產工作區域、乘客服務區域、設備機房區域等進行分類采集。

（2）用水管理策略。對站內用水能耗按照用水類型制定相應的能耗采集策略。在各個水表位置增加壓力傳感器，通過流量壓力檢測給水系統漏損情況，在供暖管網中地暖總管進出水位置增加壓力傳感器，檢測漏損情況。

（3）用熱管理策略。集中供熱時，在供熱一次側和二次側增設熱量表，在二次側增設電動調節閥，同時在地暖總管位置加裝電動調節閥，以便根據供熱負荷實時調節達到節能的目的。

4.2 節能控制策略

以車站能耗重點系統給排水系統、空調系統、智能照明系統為例進行節能控制策略分析。

（1）給排水系統節能控制策略。對車站、區間各種水泵（包括集水井、污水坑、電梯基坑等）均采用液位監控和自動控制，通過控制水泵的運行方式、臺數和相應閥門的動作來進行污水、積水的及時排放，達到供水量與需水量之間的平衡，實現對給排水系統最優控制。

（2）空調系統節能控制策略。空調子系統通過采集各個暖通設備的運行信息，完成對控制系統設備的修復及增補，可實現暖通項目的監控與計量、各關鍵數據的報警以及數據信息的記錄統計。增設室外微型氣象站監測室外溫濕度、空氣質量以及增加風速風向傳感器、雨量傳感器等設備采集的數據作為空調控制系統、新風控制系統的控制依據，通過空調機理變量、環境變量、冷熱水循環效率、冷熱源負荷能效模型優化空調運行管理效率。此外，結合車站列車到發時間、區域客流情況，對車站的組合式空調進行預調節和重點區域定向調節。

（3）智能照明節能控制策略。針對大型車站出入口多以及乘客聚集等情況，在客流集散量大和乘客稀疏的出入口、電梯口、進出站通道等公共區域采用智能照明總線控制，在消防控制室集中控制照明狀態的同時，在車站控制室、站臺等處也可設置智能可編程控制單聯面板以實現更加靈活的控制方式。在車站部分重點區域設置照度傳感器，對受控區域的照明回路進行細化，可根據采光度調整相應照明區域光照強度，根據列車運行時間段及客流量進行分區域、分時段照明時間控制，進出站通道可利用廣告屏照度兼做照明增強，從而實現照明節能。

5 結束語

碳達峰、碳中和戰略對城市軌道交通行業既是挑戰更是實現高質量發展的機遇，文章以智慧賦能城市軌道交通車站節能降碳為目標，提出智慧能耗管理系統架構及功能，通過物聯網技術實現對風、水、電、熱、氣等各類能源的實時數據采集及監視，通過對能源消耗規律及趨勢分析制定合理科學的節能策略，最終實現對車站能源的綜合節能管理與管控。智慧能耗管理系統是城市軌道交通綜合能耗智能管理的一種有益嘗試，下一步要加強對節能降耗體系和評估指標的研究，同時通過示范項目打造綠色車站標桿，進一步引導行業積極開展綠色城市軌道交通落地實踐。