基于地鐵環控能耗數據模擬的運營策略分析

王 暉，高俊逸，毛 緯

（1.南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 210012；2.中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇南京 210008）

1 引言

截至2021 年底，中國內地累計有50 個城市投運城市軌道交通線路9 206.8 km，其中地鐵7 209.7 km，占比78.3%[1]。地鐵運營耗能巨大，能耗費用超過總運營費用的25%，而環控能耗占總能耗的1/3～1/2[2]，因此選擇合理的環控模式有助于節約地鐵運營費用。本文利用ses 軟件對南京地鐵10 號線隧道開展通風模擬，分別分析初期和遠期在開啟和關閉隧道排熱風機時，隧道各節點的風速、風量和溫度參數的變化及地鐵隧道累年溫升對空調能耗的影響；同時對各站環控系統設備用電量進行全年逐時的現場測試、收集、統計和分析，建立能耗大數據分析模型與評價模型，找出耗電量分布規律，建立可視連續地下區間與車站環控系統能耗模擬模型，用大數據為地鐵能耗提出評價與運營策略。

2 車站分類

地鐵線路和車站形式多樣，有必要對車站以聚類的方式分類。根據均方根誤差最小原理，從能耗數據中選取表征值，不同時段的表征值的擬合曲線可以代表該時段內的能耗分布規律。將能耗規律相似的車站組成一類，研究其相同的變化規律。對南京地鐵10 號線車站能耗參數進行聚類分析，用SQL Server 2012 軟件對平均化后的車站環控系統空調季逐日能耗數據進行分析處理，得到能耗規模、能耗規律、用能特性不同的4 類車站，如表1 所示[3]。車站用能規模Ⅰ類＞Ⅱ類＞Ⅲ類＞Ⅳ類，Ⅰ類、Ⅲ類和Ⅱ類、Ⅳ類車站能耗規律不同，前者能耗波動較大[4]。

表1 南京地鐵10 號線車站環控能耗聚類結果

3 模擬工況

地鐵區間隧道內空氣流動是三維可壓縮流體非恒定紊流。由于隧道長度遠大于隧道的斷面幾何尺寸，且隧道斷面上氣流速度和壓強分布比較均勻，為簡化計算，將地鐵隧道、車站內空氣流動簡化為以當量直徑作為特征尺寸、以斷面上氣流各要素平均值為變量的圓管內氣流一維非恒定流動[5]。在ses 軟件模擬輸入隧道及站軌布置、列車營運數據、客流資料、隧道外界氣象參數及土壤熱工特性、列車運行數據等。

夏季室外計算參數采用近20 年夏季地鐵晚高峰負荷時平均每年不保證30 h 的干（濕）球溫度，南京地區夏季晚高峰室外計算干球溫度為32.4℃，濕球溫度為28.1℃；冬季模擬工況取1 月的日平均溫度為2.2 ℃，晚高峰室外計算相對濕度為65%。列車按最高80 km/h 速度運行，乘客進站時總停留時間4.5 min，乘客出站時總停留時間3 min，乘客在車站區域人體產熱（全熱）按182 W/人計算。利用ses 軟件對隧道開展通風模擬工作。

4 通風季模擬分析

4.1 車站閉式通風

閉式運行時，所有通風機均不工作，開活塞風井，列車活塞風補充各車站的乘客新風量[6]。根據乘客停留時間和預測客流量，按照GB 50157-2013 《地鐵設計規范》和車站客流要求計算人均所需新風量理論值[6-7]，利用 ses 軟件對不同時期隧道開展通風模擬。雨山路站不同時期站臺所需新風量理論值與模擬值如表2 所示，將理論值與模擬值相比可知，初期模擬值大于理論值，說明此時車站空調大系統關閉新風閥后活塞風帶來的新風量滿足規范要求；而近期、遠期模擬值小于理論值，說明此時活塞風帶來的新風量低于理論要求的新風量，需要額外補充新風量，此時關閉新風閥則不能滿足規范要求。

表2 雨山路站不同時期站臺閉式通風所需新風量數值

4.2 隧道TEF通風

地鐵系統產生的熱量部分通過通風釋放到大氣中，約25 %～ 40 %的熱量被周圍的巖土層吸收，致使隧道圍巖溫度不斷上升[8-9]。車站軌行區排熱風機（TEF）有利于列車頂和站臺附近的空氣散熱，尤其在非空調季可有效排除車站發熱量，避免車站超溫。在關閉排熱風機的情況下，南京地鐵10 號線不同時期的地鐵隧道溫度如圖1所示。由圖可知，初期隧道溫度在21℃波動，最高溫度為30℃，符合GB 50157-2013 《地鐵設計規范》要求；近期隧道溫度逼近35℃，考慮隧道環境和車載空調運行工況，建議高峰時段適當開啟排熱風機；遠期隧道溫度在31℃波動，最高溫度大于40℃，不符合設計規范要求，因此必須開啟排熱風機進行機械排風。

圖1 不同時期地鐵隧道溫度分布圖

近期、遠期上行線排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布分別如圖2、圖3 所示，其中排風量50 m3/s 為排熱風機的全工況狀態。從圖2、圖3 可以看出，開啟排熱風機后近期隧道空氣整體溫度在24～38 ℃，遠期隧道空氣整體溫度在31～39 ℃；隧道空氣溫度隨著排風量的增加而降低，排熱風機對隧道區間的溫度影響較大，對站臺空氣溫度影響較小。

圖2 近期上行線排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布

圖3 遠期上行線排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布

4.3 排熱風機模擬運行頻率

根據近期、遠期排熱風機不同排風量下隧道最高溫度分布以及列車運行產熱量和列車空調冷凝器隧道內散熱情況[10-11]，利用通風計算公式（1）[12]可得到不同時期將列車在區間的散熱排出隧道所需要的風量，即排熱風機工作風量近期為52 000 m3/h、遠期為70 000 m3/h。車站排熱風機額定風量為126 000～144 000 m3/h。工作風量與額定風量之比即為風機運行頻率與工頻之比，由此可以確定排熱風機不同時期的運行頻率：近期為18～21 Hz，遠期為24～27 Hz。

式（1）中，G為通風量，kg/s；Q為空氣的余熱，kJ/s；c 為空氣的質量比熱，1.01 kJ/（kg · ℃）；tp為排出空氣的溫度，℃；t0為進入空氣的溫度，℃。

5 空調季能耗模擬分析（以第 I 類車站為例）

5.1 逐日能耗值

對空調能耗進行數據擬合與分析，每小時選取1 個能耗值代表1 個月該時刻的動力能耗值，以均方根誤差最小為判據來確定這個代表值。均方根誤差的表達式為：

式（2）中，Re 為均方根誤差；xi為i日某時刻的動力能耗值；x為Re 最小時的能耗值；n為逐時能耗數據個數。當Re 的值越小，越能代表這組數據。

利用均方根誤差的方法，對第Ⅰ類車站各站空調季逐日能耗取代表值，如圖4 所示。

圖4 第Ⅰ類車站逐日空調能耗圖（空調季）

5.2 逐月能耗模型

將各車站逐日能耗求和得到逐月通風空調能耗，再將同一類車站各站能耗平均得到該類車站逐月通風空調平均能耗，如圖5 所示。

圖5 第Ⅰ類車站逐月通風空調平均能耗圖（空調季）

對各類車站逐月平均能耗進行Matlab 的非線性曲線擬合[13]，得到不同類別的車站能耗擬合公式，如表3所示。其中x為時長，月；y為通風空調能耗，kW · h。

表3 車站空調季逐月通風空調能耗擬合公式

5.3 空調機組模擬運行頻率

根據標準車站空調負荷以及站內外空氣狀態參數，按一次回風無再熱最大送風溫差方式處理送風，利用風量計算公式（3）[14]可得車站總送風量。

式（3）中，G為車站總送風量，m3/ h；q為車站空調負荷，kW；h室內為車站內空氣焓值，kJ/kg；h送風為車站外空氣焓值，kJ/kg。

總送風量減去最小新風量即為空調機組實際送風量。實際送風量與額定送風量之比即為風機運行頻率與工頻之比（0.82）[15]，因此，風機最高運行頻率為0.82×50 = 41 Hz。根據不同時段風機運行與峰值運行的能耗比、轉速比，可得Ⅰ類車站各年段空調機組運行頻率如表4 所示。

表4 Ⅰ類車站空調季逐年空調機組運行頻率

6 模擬運營策略及節能分析

以南京地鐵10 號線為例，通過模擬各車站通風系統運行模式和對各車站環控系統設備用電量全年逐時的現場測試、比對和分析，得到環控系統節能優化運行方案如下：①活塞風閥和迂回風道全年開啟；②空調機組初期風機頻率為19～21 Hz，近期風機頻率為23～31 Hz，遠期風機頻率為35～41 Hz；③TEF 風機初期不開，近期和遠期早晚高峰開，風機頻率分別為18～21 Hz、24～27 Hz。

優化環控系統運行方案后各車站全年通風空調能耗如表5 所示，模擬方案較原方案每年節省用電量48.35 萬kW · h，節能比為10.13%。

表5 全年通風空調模擬方案能耗值與實際能耗值比較 萬kW · h

7 結語及建議

通過南京地鐵10 號線車站環控系統模擬運行方案與實際運行方案能耗對比可知，模擬運行方案優于實際運行方案，可以此為依據修改環控系統控制程序，以實現在滿足車站舒適度的前提下，設備更經濟節能地自動運行。優化方案還可從以下兩方面入手：一方面是根據室外氣象、列車運行安排與客流量確定第二日的環境參數，制定相應的運行模式；另一方面是采用在線測試的方式，根據室內、室外氣象條件的變化參數使用變頻調風機轉速的方法調整站內設定值，不斷的修正運行模式。