基于城市軌道交通智慧車站運營環境的暖通空調節能技術研究

陳麗涵 彭瑋 王曉霞

【摘 ?要】 地鐵的能源消耗主要來自通風和空調系統，在整體能耗中占比約30%，在南方地區更高，甚至達到45%～50%。在需要空調供應的季節，通風空調系統的能耗甚至占到地鐵站點總能耗的60%～70%，成為地鐵站內的主要耗電設備。因此，采用合理的通風空調的節能控制方案是降低地鐵能耗的關鍵措施。

【關鍵詞】 通風空調；地鐵車站；節能控制方案；風水聯動控制系統

城市軌道交通是現代城市公共交通的重要組成部分，具有運量大、速度快、準時性高等優勢。然而，隨著地鐵線路的擴建和客流量的增加，地鐵車站能源消耗問題日益凸顯。通風空調系統是地鐵車站的重要能耗設備之一，其能源消耗占比較大。因此，開展城市軌道交通智慧車站暖通空調節能技術的研究，對降低地鐵車站能耗、提高能源利用效率而言具有重要意義。

一、城市軌道交通智慧車站的運營環境分析

城市軌道交通智慧車站運營環境具備以下特點：

1. 高客流量：作為城市交通的關鍵節點，城鐵車站每天承載大量乘客。為了滿足這一需求，車站需要提供高效便捷的乘車服務，包括快速安檢、方便購票以及舒適的候車環境。

2. 高密閉性：為確保乘客舒適度，車站通常采用封閉式設計，但這也意味著對站內溫度、濕度的控制更為重要。封閉式設計帶來了較高的能耗，為了降低能耗，需要引入智能化設備進行能源管理，并通過提高設備能效、優化車站布局等方式實現。

3. 高能耗：由于客流量大且密閉性強，車站需要維持恒溫、恒濕的環境，因此能耗較高。智慧車站應采取一系列節能措施，如使用智能化設備對空調系統進行精細化控制。通過智能化設備，可以根據實際需求靈活調整設備的運行狀態和溫度參數，以實現節能、高效地運行。同時，引入可再生能源技術，如太陽能和風能發電，以減少對傳統能源的依賴，進一步降低能源消耗。

二、暖通空調節能技術研究與應用

針對城市軌道交通智慧車站運營環境的特點，文章提出了以下暖通空調節能技術的研究與應用：

1. 智能控制技術：引入先進的智能控制技術，實現站內溫度、濕度、風速等參數的實時監控和自動調整。根據客流量和天氣情況自動調整空調系統的運行方案，以最大程度降低能耗。

2. 天然能源利用技術：充分利用站內的天然能源，如太陽能、地熱等。例如，利用地源熱泵技術為車站提供冷暖服務，并通過太陽能集熱器向車站供應熱水。

3. 高效設備與系統優化技術：選用高效、低耗的暖通空調設備，如高效壓縮機、低阻高效過濾器等。同時，通過降低系統阻力、提高熱交換效率等措施對暖通系統進行優化設計。

4. 冷凝水回收再利用技術：將空調系統的冷凝水回收并處理后，用于車站內環境的加濕、冷卻等需求。這既節約了水資源，又降低了能耗。

5. 能量回收技術：運用專門的排風能量回收裝置，如高效的全熱交換器，捕獲排風中蘊含的能量，并將其轉化為可再利用的資源。

6. 能源管理智能化平臺：實行對站內各類設備能耗的實時、精確監測，并進行深入的數據分析。借助先進的數據挖掘技術和優化算法，實現能源管理的智能化與高效化，提升能源利用效率。

三、風水聯動控制系統的應用案例

以某地鐵線路為例，本研究詳細介紹了風水聯動控制系統的應用。該系統通過集成空調水系統、大系統和小系統等被控對象，采用主動尋優控制策略，實現對空調系統的全面智能化控制和管理。空調水系統采用冷凍水變頻控制策略，根據實際需求調整冷凍泵的運行頻率，從而實現節能降耗。同時，系統還配備了溫濕度感應器、CO2感應器等設備，實時監測車站內的環境參數，為智能控制提供數據支持。

（一）空調水系統

1. 冷凍水變頻控制策略

通過實施冷凍水的變頻調節，能夠精準控制供回水壓差值，使得風水聯動控制系統能夠根據實時負荷變化進行靈活調整。在調節水泵轉速的過程中，確保冷凍水的穩定供應。這種調節方式不僅提高了能源利用效率，還確保了空調系統的穩定運行和舒適環境的營造。

以前述地鐵線為例，系統內的冷凍水泵采用變頻變流控制的方式。這種控制方式能夠實現對空調系統負荷和冷凍水循環狀態的全面監控，為系統的優化運行和節能管理提供有力的數據支持。

2. 冷凍水變頻控制方式

每臺冷凍水泵均搭載變頻器，實現了變頻調速。結合采用固定溫度差控制策略和最低壓差保護控制策略，效果顯著。

（1）采用PID控制策略（如圖1所示），通過安裝在冷凍供回水管路表面的溫度傳感器來調節冷凍水泵的頻率，實時測量管路水溫，并計算管路水溫與設定值的差異。根據PID操作策略，確保在變頻控制調節過程中顯示的轉速滿足系統所需的溫度差。

（2）通過安裝在冷凍水供回水管道上的壓力傳感器，實時測量管道的實際壓力，并據此計算出供回水之間的壓差。這個計算出的壓差會與預設的壓差值進行比較（以樣板站為例，默認設置為0.2bar，但可根據實際運行狀況在后期現場調試時進行靈活調整）。一旦實際測得的壓差低于設定的壓差，系統會立即啟動PID操作，通過智能算法調節冷凍水泵的運行頻率，以增加水流量，確保供回水之間的壓差維持在設定范圍內。通過這樣的智能化調節，不僅能夠確保冷凍水系統的穩定運行，還能實現能源的高效利用。

（二）冷水機組控制策略

1. 控制冷水機組的策略

（1）當風水聯動控制系統接收到開機指令時，系統會優先啟動運行時間較短的機組，以確保機組間的平衡使用和延長機組壽命。

（2）待首臺螺桿機組正常運轉并經過一段時間的延遲后，系統將檢測冷水機組的容量百分率。若當前負荷率百分比超過預設的加機閾值，并且冷凍水總供水溫度持續超過設定值達20分鐘（該時間可調），系統將自動啟動另一臺冷水機組，以滿足更高的冷卻需求。

（3）當兩臺冷水機組同時運行時，系統將對它們的當前容量百分比進行延時檢測。如果兩臺機組的平均負荷率百分比低于預設的減機閾值，并且這種低負荷狀態持續達10分鐘（該時間可調），系統將減少一臺冷水機組的運行，以節省能源和減少不必要的磨損。

（4）當冷水機組數量減少至僅剩一臺時，系統將停止進一步的減載操作，以確保至少有一臺機組在運行，維持基本的冷卻需求。

（5）在末端冷卻需求較低，僅有一臺冷水機組運行時，若該機組負荷降至25%并處于減載待機狀態，風水聯動控制系統將接收到冷水機組的待機信號。此時，系統將保持冷水泵的運行，以維持冷水管內的水流循環。當冷水管溫度升高至需要加載時，冷水機組將自動加載并開機，隨后風水聯動控制系統將繼續保持運行狀態，確保整個系統的穩定運行。

在相同工況下，凍水出水溫度在同等工況下每提高1攝氏度，機組可節能約3%。啟用冷水機組時，系統根據室外溫濕度智能重置2臺冷水機組出水溫度。設定邏輯如下：

（1）冷水機組出水溫度隨室外溫度變化而動態調整，以適應不同環境需求。

（2）系統根據末端冷負荷實時調整冷水機組出水溫度，確保精準滿足冷卻需求。

（3）通過主動尋優控制邏輯，系統智能調節冷水機組出水溫度，實現最佳能效。

2. 空調大系統控制策略

根據回風溫度調節大系統空調箱頻率，按空調箱體送風溫度調節大系統二通閥。通過兩個不同傳感器消除系統干擾，利用兩個獨立的閉環調節系統實現調節風量和水量。根據室外氣候值大小及末端負荷預測模型，動態調整風水聯動控制系統大系統。

全新風模式下大系統空調箱早上開啟晚上關閉，小系統空調箱24小時全開。在通風模式下，大系統空調箱體頻率（變頻變風量）按相關規則控制，小新風模式下用回風溫度做反饋控制表冷閥開度，全新風模式下用站廳/站臺平均溫度做反饋控制表冷閥開度，通風模式下表冷閥全關。

3. 空調小系統控制策略

風水聯動控制系統采用串級控制，負荷上升時優先調節二通閥開度，達最大后調送風機頻率；負荷降低時則先調送風機頻率至最低，再調二通閥開度，確保系統高效穩定運行。

小系統的回風溫度設定值和送風溫度設定值是根據室外氣量的大小和負荷預測模型動態調整的，以保證小系統的冷量輸出與終端需求相匹配。

4. 主動尋優控制策略

通過預測地鐵站人流量變化，建立遺傳算法優化的BP神經網絡模型。相較于傳統BP神經網絡，該模型預測誤差降低了約10%，這一模型不僅提高了預測準確性，還有助于地鐵站優化運營管理和提升乘客體驗。分析室內熱源和新風負荷影響因素，得出人員冷負荷、滲透風冷負荷、設備冷負荷以及新風負荷計算模型，以預測人流量數據為基礎車站冷負荷結果。結果表明，室內熱源冷負荷和新風負荷均不斷波動，其高峰和低谷冷負荷之差較大，不能忽視其波動。分析地鐵站空調風系統和水系統換熱過程，分別以變風量和定風量運行模式進行分析，結果顯示，在平常時段變風量運行模式比定風量運行模式更節能，而在高峰時段，定風量運行模式比變風量運行模式更節能。主動尋優系統應用于地鐵站空調系統控制時，該控制策略具有較好的溫度跟蹤性能，且在保證溫度效果的前提下，與實際系統相比，能源節省約12%。

四、風水聯動節能控制系統與BAS控制系統的比較

（一）區別

1. 模式表發布的區別

風水聯動系統根據實時天氣情況自動判斷最適合的運行模式，并在4、5、9、10月間多次切換模式，這種操作邏輯可充分利用室外低焓空氣，降低冷水機組的負荷率。而BAS控制系統在固定的月份（4月份）切換到全新風模式，并在固定的月份（6月份）切換到小新風模式，然后在固定的月份（10月份）切換到全新風模式，最后在固定的月份（11月份）切換到通風模式。

2. 冷凍水供水溫度控制的區別

風水聯動系統動態設定冷凍水機組冷凍水出水溫度，根據末端空調冷負荷需求和室外焓值變化，在7℃～12℃之間變化，提高冷凍水機組運行。而BAS控制系統冷水機組冷凍水出水溫度長期保持在7℃。

3. 末端風量及變水量變化

風水聯動控制系統采用風水聯動控制方案，優先調節電動二通閥在末端負荷上升時的開度水量，末端負荷下降時優先降低風機頻率，從而實現空調風機耗電少，系統整體能效更高。而BAS控制系統中，空調風機頻率根據設定值運行，與末端冷負荷變化無直接關聯。

（二）結論

通過對軌道交通智慧站點運營環境中暖通節能技術的全面總結和深入探討，發現風水聯動節能控制系統與傳統BAS控制系統相比，表現出更加突出的節能效果和更高的運營效率。這為城市軌道交通地下車站的暖通空調節能技術進步與發展提供了極具參考價值的方向和策略。

參考文獻：

［1］ 范穎慧. 地鐵車站空調系統節能控制策略［J］. 城市軌道交通研究，2023，26（11）：249-251+255.

［2］ 丁天一，曹勇，崔治國，等. 基于負荷特征識別的地鐵站空調智能控制系統研究［J］. 建筑科學，2023，39（04）：286-294.

［3］ 劉歡. 變頻控制技術在地鐵站空調通風系統中的節能應用研究［J］. 工程機械與維修，2023（06）：61-63.

［4］ 王晨宇，李亞芬，高學金，等. 地鐵站空調冷卻水系統節能控制策略研究［J］. 建筑科學，2017，33（02）：102-106.

［5］ 焦煥炎，馮浩東，魏東，等. 基于強化學習的地鐵站空調系統節能控制［J］. 控制與決策，2022，37（12）：3139-3148.