基于城市軌道交通環境的暖通空調節能探討

孫 煒

（濟南軌道交通集團建設投資有限公司，山東 濟南 250014）

引言

隨著城市化進程的不斷推進，城市軌道交通已然成為了城市內外主流的公共交通工具，極大緩解了市內交通壓力。與此同時，隨著城市居民生活水平的不斷攀升，居民出行愈發重視品質的提升，安靜、舒適、便捷、快速的出行方式已然成為我國城市軌道交通的標配。但是舒適的出行環境往往伴隨著巨大的能耗，根據相關統計[1]，在我國的城市軌道交通中，暖通空調在地鐵運行中的能耗占比高達30.29%，而地鐵牽引用電僅占地鐵運行能耗中的44.39%，在地鐵站中，暖通空調所占的能耗比例高達60%以上，同時，軌道交通系統的暖通溫度的設定標準在很大程度上與一般人群的機體耐受溫度和適應溫度的標準并不一致，即夏天溫度過低和冬天溫度過高，使得使用公共軌道交通的一般人群在舒適感上的體驗不佳，甚至會產生發熱和感冒等一系列不良反映。而這些不合理的溫度設定正是軌道交通系統造成大量能耗的主要原因。可以說，暖通空調的節能問題迫在眉睫[2]。

1 主流軌道交通暖通空調系統

以城市地鐵暖通空調系統為例，為了使得地鐵站和車廂內部的空氣質量和溫度等得到有效調節，使其達到安全和舒適的根本目的，地鐵系統的暖通空調系統運用了大量的相應設備對氣體環境進行調節。按照效應目的來分，可以分成以通風換氣為主的排風機組和以調控溫度濕度為主多的空調機組，上述機組既可以獨立工作又能夠在必要時進行聯動調節。而按照系統調風工作的基本原理，目前主流的暖通空調系統分為兩類，分別為：

1）屏蔽門系統，通過在車站與隧道軌行區之間設置屏蔽門，可以大幅度減少車廂與車站外部環境的空氣對流效應，較為有效地阻止夏季冷量的耗散和冬季的熱量的耗散，從而可以有效防止能源的耗散與浪費，根據研究結果顯示，屏蔽門系統可以降低暖通空調的冷載荷比例接近四成，整體的耗能節約達到三成以上。在車站內部，設置空調系統，根據季節、人流量、環境溫度等因素對車站整體的溫度、濕度等因素進行控制；在軌行區則設置通風系統，實現通風的功能。

2）開閉式系統，開閉式系統大多與季節相匹配，隨著季節的變化不斷調整其運行模式，在春秋季等常規性過度季節，閉式系統采用開式運行的方式連通地鐵站的內部與外部，利用“活塞效應”進行通風換氣；而在冬季和夏季等季節，則進行閉式運行，隔絕地鐵站的內部與外部，防止車站內的冷熱量散失，采用通風機對地鐵站內部進行通風，確保車站內部所需的新鮮空氣量。開式系統在中國運用比例相對較低，因其適宜用于當地最熱月的平均氣溫不超過25 ℃的區域，并且地鐵運量不宜過大，且開式系統容易堆積靜電粉塵，對車廂電控設備會產生一定概率的負面影響。而閉式系統的應用相對較多，適宜用于運行當地最熱月平均氣溫超過25 ℃的區域，并且其能夠滿足人群高運量和發車高密度的要求。

2 城市軌道交通中暖通空調的節能分析

城市軌道交通中暖通空調的節能首要考慮因素是在源頭處進行處理，在設計之初進行暖通空調的選型時即要進行考慮。在現行的設計模式下，相關設計人員為了壓縮設計工時，對于暖通空調系統的相關參數設定往往直接借鑒已有軌道交通系統的相關設計參數，或者直接以選型的暖通空調設備的銘牌參數作為設計參數，這樣在很大程度上忽略了區域個體的差別，也忽略了不同區域人群的氣候耐受和適宜程度，直接表現氣溫的過高或者過低，濕度的不適宜等。在對暖通空調系統進行設計初期，就要考慮到不同階段和不同工況下的環境參數，如溫度、濕度、風量等，同時也要考慮所處區域的土壤綜合傳熱系數、氣壓、空氣常規濕度等，并且應在各項參數的協同運作下進行精密設計，防止出現不適宜的高峰或者低峰值。

除了在暖通空調的系統形式選型方面進行節能處理，還可以在暖通空調的智能化可控制上著手進行改進升級。傳統的暖通空調控制結構中，大多采用定頻式運行，其控制形式較為單一，無法根據溫度、濕度等因素的實時變化而進行相應的調整運行，導致其能耗居高不下[3-4]。

3 城市軌道交通中暖通空調的智能節能技術

現階段主流的暖通空調智能控制手段主要有以下幾種：

1）根據負荷控制中央空調系統。通過設置大量的溫度、濕度等傳感器實時監控現場的溫度、濕度情況，對數據進行預處理后實時儲存在數據庫中，考慮到空調控制溫度與實際溫度之間存在著一定的滯后性，因此根據數據庫中的歷史數據信息，確定預測周期，建立起預測模型進行負荷預測，提前進行暖通空調的調控，以實現節能效果。中央空調系統控制流程如圖1所示。

圖1 中央空調系統控制流程

2）利用無線傳感器技術控制中央空調。通過設置無線傳感器獲得室內與室外的溫度、濕度與紅外信息等，通過設置神經網絡算法對其進行處理并進行滯后性的預測計算，通過預測的計算結果隨時調整中央空調。

3）通過負荷預測實現對中央空調系統群控。通過對室內外溫度、濕度等各項數值的監控，實現對中央空調各項工況負荷和相關工況參數的預測，根據預測結果控制中央空調系統對于具體終端機組相關參數的設定和調節，以及確定是否增加或減少輔機、冷凍機的工作運行數量，還可以根據預測結果實現對輔機、冷凍機的溫度預設和調控，減少系統的能源浪費，以達到系統節能的效果，其流程圖如圖2 所示。

圖2 通過負荷預測實現對中央空調系統群控流程

4）模糊自適應優化控制技術。通過在回水、供水管路上設置傳感器，實時采集其溫度信號，將信號通過算法處理，根據處理結果輸出控制信號，實時計算獲得冷卻水泵和冷卻風機控制回路中的比例與積分控制器參數，使其可以實時地自動適應中央空調系統工況的變化。

5）合理選定空調系統的型號。按照提高氣體工作壓力的原理進行分類，空調壓縮機可分為容積式和速度式。城市軌道暖通空調系統的選型應優先選擇容積式，如螺桿壓縮機組。該類型的工作機組可以承受較大的壓力載荷，且工作狀態較為穩定，機械結構簡單，維護保養方便。

6）壓縮輸運系統能耗指標。在暖通空調系統中，輸運系統主要對傳遞熱量和冷量的工質進行運輸，執行該項任務的機械機組主要是水泵和風機，通過消耗外部功源實現對水、油和空氣等工質的輸運和轉變物理特性或者形態。輸運系統的能量消耗占比較大，如果可以減少不必要的輸運耗能，降低輸運過程的能量損失，其整體的節能效果可以較為明顯地體現在整個暖通空調系統的節能效果上，其具體方法為通過設計手段，加大執行冷凝功能和冷卻功能部位的工質的溫度差，根據熱力學第二定律，其可直接降低輸運工質的單位能耗。另一種方式為降低工質的流動速度，使得輸運工質以較低的流速進行工作。

7）多工質聯合調控節能系統。地鐵暖通空調系統中，按照循環工質對機組設備進行分類，可分為以空氣為工質的空調機組、回風機組、排風機組等和以水為工質的各類水泵和冷凝、冷卻機組等。分布在車站系統的諸多傳感器在采集完數據后，通過通信線路傳遞到空氣工質系統和水系統控制的二級控制單元，數據在此經過解析和初步存儲后向多工質聯合調控系統的中心控制單元進行傳輸，中心控制單元通過模擬算法進行生態計算，向空氣工質系統和水系統的各類機組控制智能中端發送指令，決定它們以適合的參數工況進行運行，或者決定某些終端或者機組是否臨時關閉，以維持一定范圍內的系統環境參數。這種聯合調控模式充分發揮智能算法和實時控制的優點，可以在很大程度上實現軌道交通系統節能的目的和效果。

4 結語

我國城市軌道交通的規模正在逐年擴大，除了對速度、長度上的要求逐漸攀升，對其舒適度、能耗節能的要求也在逐漸提升。在實際生產運行中，暖通空調所占的能耗比例僅次于動力牽引耗電，因此暖通空調的節能問題迫在眉睫。本文總結了地鐵軌道交通的特殊環境狀況，包括其地理和區域特性、系統環境特性。研究了主流的軌道交通暖通空調系統，探討了城市軌道交通中暖通空調的節能措施，除了在設計之初對暖通空調的選型進行節能設計外，還可以在暖通空調的智能化可控制上著手進行改進升級，并且在設計時，要統籌兼顧地鐵軌道系統所處環境的特性與系統節能的綜合要求，最后探究了數種主流的暖通空調智能控制手段，為城市軌道交通暖通節能提供了一定的借鑒與參考[5-6]。