城軌交通車站環(huán)境安全策略研究*

張振海 田小芳 蔣建煒 李涵驍 蔣哲人

1.北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發(fā)中心 2.北京市地鐵運營有限公司3.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 4.同方節(jié)能工程技術有限公司

1 研究內容和方法

本文首先構建了軌道交通綠色站點內涵體系；其次對綠色站點的現(xiàn)狀進行了研究與分析；再次探討了軌道交通站點重點的能源、資源節(jié)約技術；最后以北京地鐵8號線為主，在全路網多個站點，對包括通風空調能源管理與在線診斷技術、中央空調全自動清洗技術在內的多項技術進行了示范應用，如下圖。

2 主要研究成果

2.1 軌道交通綠色站點理念及內容

軌道交通綠色站點就是在規(guī)劃、設計、施工、運營等階段要考慮綠色技術，在環(huán)境保護、節(jié)能降耗、生態(tài)平衡、人文景觀、安全舒適等問題上達到人與自然和諧、具有良好的可持續(xù)發(fā)展的軌道交通站點。

圖 城軌交通車站環(huán)境安全策略研究路線

軌道交通綠色站點以節(jié)能降耗、環(huán)境保護為價值尺度，運用各種技術手段，在確保安全、快捷、高效的條件下，減小能源消耗以及對環(huán)境的負面影響，同時有良好的經濟效果和可持續(xù)發(fā)展能力。主要考慮在城市軌道交通全壽命周期內，最大限度地節(jié)約資源，實現(xiàn)高效、安全地運載乘客的同時，減少對環(huán)境的污染，為乘客提供舒適、健康、便捷的乘車體驗。

軌道交通綠色站點內涵體系包括：能源資源節(jié)約策略與措施，環(huán)境治理策略與措施。能源資源節(jié)約策略與措施從節(jié)地、節(jié)電、節(jié)水方面，通過采取相關技術及設備措施，實現(xiàn)節(jié)能；環(huán)境治理策略與措施從空氣質量檢測、通風模式優(yōu)化等方面，通過采取相關技術及設備措施，使站點環(huán)境友好，提升舒適度。

2.2 軌道交通站點照明系統(tǒng)能耗

根據(jù)《城市軌道交通照明》（GBT 16275-2008）要求，當被測房間或場所實測照度值滿足照度標準時，其照明功率密度實測值（LPDc）站臺和出入口不應大于9.0、站廳不應大于10.0。而目前車站的照明模式多分為全開和節(jié)能兩種模式，以森林公園南門站為例，實測的功率密度，見表1。

表1 不同照明模式下實測的森林公園南門站各區(qū)域照明密度

針對照明系統(tǒng)的能耗，本項目重點比較了LED燈（15號線）與熒光燈（5號線）2015～2016年的能耗情況，從中發(fā)現(xiàn)：在滿足設計照度的情況下，合理分配照明適度，切換照明模式可有效的降低功率密度，同時節(jié)約能源；經過照明節(jié)能改造、燈具以LED節(jié)能燈為主的車站，其照明系統(tǒng)的折算功率密度比沒有經過節(jié)能改造、燈具以傳統(tǒng)日光燈為主的車站的照明系統(tǒng)折算功率密度要低很多，即經過LED節(jié)能燈具改造的車站照明系統(tǒng)能源利用效率更高。

此外本研究還對8號線各站照明系統(tǒng)模式表按照運營節(jié)能要求進行了修改，主要為BAS系統(tǒng)PLC程序修改和ISCS工作站模式對照表的修改，修改完成后運營人員可隨意對全站照明回路各個照明模塊的開啟/關閉情況進行組合，從而達到節(jié)能的目的。

2.3 軌道交通站點電扶梯系統(tǒng)能耗

本研究在車站內電扶梯系統(tǒng)全年耗能趨勢分析的基礎上，以每天的運營時間為一個計量周期，對早高峰、平峰以及晚高峰三個時間段內不同驅動和提升高度的上、下行扶梯分別進行對比分析，發(fā)現(xiàn)電扶梯的能耗與實際客運量有直接的正比關系，而與運行方向（上、下行）關系不大。

2.4 通風空調系統(tǒng)能耗

通風空調系統(tǒng)的節(jié)能重點在于結合地鐵車站熱環(huán)境的特點對設備進行精細化的控制和運行。在地鐵車站熱環(huán)境的研究方面，已有相關研究對其進行了論述：朱培根、朱穎心等提出了水力網絡流動不穩(wěn)定過程的算法，以及分析長期不穩(wěn)定傳熱的特征值法，在此基礎上開發(fā)了地鐵熱環(huán)境模擬分析軟件STESS[1]。對于活塞風對站臺的影響，李先庭用CFD方法（計算流體力學）進行了數(shù)值模擬[2]，李曉鋒則用示蹤氣體實驗方法進行實際測試[3-4]，江泳等學者研究了車站通風空調系統(tǒng)的運行策略[5]。上述研究為通風空調系統(tǒng)節(jié)能奠定了良好基礎。然而，隨著地鐵建設飛速發(fā)展，出現(xiàn)了新的站臺形式（全屏蔽、半屏蔽），空調需求發(fā)生了改變，既有研究成果已經不能適應當前通風空調系統(tǒng)節(jié)能運行的需求，在車站冷負荷構成、空調系統(tǒng)動態(tài)模擬、高魯棒性控制策略等方向上亟待研究，并需要在此基礎上提出能夠適應車站現(xiàn)狀的通風空調系統(tǒng)節(jié)能運行策略。

本研究采集了2015和2016年北京地鐵1號線、2號線和10號線通風空調系統(tǒng)平均單位面積年耗電量，發(fā)現(xiàn)采用空調制式比機械通風制式的要節(jié)能，見表2。

表2 不同制式的通風空調能耗比較

為了實現(xiàn)對車站通風空調系統(tǒng)的精細化能源管理，項目組開發(fā)了通風空調能源管理與在線診斷系統(tǒng)，在森林公園南門站搭建了能源管理與在線診斷系統(tǒng)的自控體系的硬件架構，充分利用了該站通風空調節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設備，并對其進行了系統(tǒng)升級改造，同時完善了傳感器采集范圍。從而可以采集到更加全面的數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)進行在線診斷，保證數(shù)據(jù)傳輸有效、準確，控制更加精細化?，F(xiàn)場運維人員對影響能耗的問題進行了針對性的處理，之后系統(tǒng)的能效水平得到了明顯提升。

2.5 空調系統(tǒng)節(jié)水研究

本研究首先收集了2016年北京地鐵除4號線和14號線以外其它線路的水資源消耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計范圍內約80%的車站用水量高于175L/（萬人次·d），約20%的車站超過了419L/（萬人次·d），平均車站每萬人次每日用水量252.50L/（萬人次·d）。約80%的車站用水量高于11.3m3/（站·d），約20%的車站超過了29.5m3/（站·d），平均車站每日用水量21.11m3/（站·d）。車站的水資源消耗多集中在夏天空調季，其中的主要原因是通風空調系統(tǒng)用水所致，而衛(wèi)生間用水在各個季節(jié)變化不是很明顯。

由于每座地下車站均設置了中央空調系統(tǒng)，中央空調系統(tǒng)采取的是循環(huán)冷卻水降溫方式，中央空調水系統(tǒng)在運行時需要做水質處理、定時排污、監(jiān)測水樣等工作，循環(huán)水系統(tǒng)水質管理的好壞對制冷設備的工作狀態(tài)、效率影響較大，與空調系統(tǒng)能耗、水耗相關性極大，為提高水質處理管理的水平，尋求適用于地鐵現(xiàn)狀的水質處理方式，本研究以北京地鐵三條線路的10座車站為點，于2017年空調季對八種水處理技術（旁流過濾+在線吸垢析、旁流過濾+HT交變電場、旁流過濾+BTS自動膠球清洗機、旁流過濾+電解全效綜合處理、旁流過濾+電化學析垢裝置、旁流過濾+電子除垢系統(tǒng)、旁流電解析垢器、熒蹤迅彩智控水處理裝置）集中進行了試驗。

我們對處理前后水質水樣的電導率數(shù)據(jù)、氯離子含量、總硬度、總堿度和總磷等做了對比分析。結合采集的10座車站處理前后冷凝器同部位銅管內壁照片，發(fā)現(xiàn)：適用于軌道交通地下車站空調循環(huán)水系統(tǒng)處理的方案應是一套組合方案：旁流過濾+電解法水處理+膠球清洗裝置組合應用較為理想；傳統(tǒng)的旁流過濾+加藥控制方案應為最穩(wěn)定的方案，該方案應增加膠球清洗裝置，同時應采用指示劑標定控制水系統(tǒng)藥劑濃度，以獲得最優(yōu)的水質處理、腐蝕控制、菌澡控制效果。

2.6 車站室內空氣質量測試

本研究根據(jù)北京地鐵的站點特征、站點類型、線路的服役時長等因素，綜合了季節(jié)、氣候和天氣狀況等條件，選取了換乘站鼓樓大街和南鑼鼓巷、普通站森林公園南門、半地上換乘站霍營等四座車站，測量了PM10、PM2.5、NO2等污染物含量，分析了車站室內空氣質量與車站室外天氣狀況、屏蔽門的有無和客流量大小之間的關系。

通過車站室內空氣質量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)：軌道站點內部空氣質量以輕度污染及以上為主；軌道站點內部空氣質量受到外部空氣質量、屏蔽門高度、客流、通風模式等影響；軌道站點內部自生污染以PM10為主，內循環(huán)有利于將外界的污染物隔離在外，但是不利于自生的污染物的擴散；全封閉式屏蔽門有利于將軌道站點自生的污染控制在內；顆粒物濃度與客流量呈良好的正相關性。

3 結論

本研究通過文獻資料和現(xiàn)場咨詢調研，梳理了軌道交通行業(yè)節(jié)能技術應用、能源和資源管理現(xiàn)狀，

在總結政策、規(guī)章制度及相關標準的基礎上，形成了軌道交通綠色站點內涵體系。分析了軌道交通站點現(xiàn)有節(jié)能技術節(jié)能效果，評估了既有設備及運行策略能效水平，研究了節(jié)能新技術、節(jié)能信息化管理措施，形成了軌道交通站點節(jié)能技術改善策略方案，開展了關鍵節(jié)能技術試點應用及效果研究，并進行了軌道交通站點內環(huán)境空氣質量水平分析。特別是在機電設備方面，本研究以北京地鐵機電系統(tǒng)為研究對象，重點研究地鐵車站的節(jié)能解決方案，包括通風空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，研究如何通過節(jié)能改造和自控優(yōu)化實現(xiàn)地鐵車站的節(jié)能減排。本研究既包含對既有節(jié)能技術的調研、對比、分析和綜合，也包括新技術的研發(fā)和試用，在保證車站功能需求的前提下，大幅降低車站運行能耗，對實現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能減排具有重要作用。