基于BIM的蘭州軌道交通通風(fēng)空調(diào)能耗監(jiān)控平臺(tái)研究

張 輝1 張 鑫 張 波 蔣 浩 李 欣

(1.蘭州市軌道交通有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，蘭州 730020； 2.北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100068)

1 概述

蘭州軌道交通1號(hào)線一期工程是蘭州市在建的第一條軌道交通線路，全線長(zhǎng)約26 km，共設(shè)20座車站，全部為地下線。蘭州軌道交通為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的工作要求，結(jié)合蘭州本地氣候環(huán)境特點(diǎn)和軌道交通工程特點(diǎn)[1]，以車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為能耗監(jiān)控試點(diǎn)，對(duì)節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)車站能耗數(shù)據(jù)采集、分析[2]，最終實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)控制[3]，以BIM可視化為數(shù)據(jù)展現(xiàn)承載方式，建立車站能耗監(jiān)控平臺(tái)[4]。

2 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)方案簡(jiǎn)述

蘭州市為溫帶大陸性氣候，軌道交通1號(hào)線工程的車站公共區(qū)大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)采用全高非封閉站臺(tái)門(mén)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)降溫采用直接蒸發(fā)冷卻空氣處理[5]，原理是被處理空氣與霧化的水直接接觸進(jìn)行熱濕交換[6]，在提升空氣濕度同時(shí)，降低溫度。此種空調(diào)方案適應(yīng)于蘭州市本地氣候特點(diǎn)，也是西北部地區(qū)地鐵目前主推的方案[7]。大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組和風(fēng)閥組成，其中送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組為變頻設(shè)備，可對(duì)運(yùn)行功率進(jìn)行調(diào)節(jié)[8]。大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兼作排煙系統(tǒng)。

圖1 車站單端大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)圖

表1 車站大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備統(tǒng)計(jì)

設(shè)備名稱功率臺(tái)數(shù)控制方式大系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)55KW4變頻大系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)75KW4變頻直接蒸發(fā)機(jī)組4KW4變頻

3 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

能耗監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)由五部分邏輯關(guān)系組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)傳輸、接口[9]。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的重要基礎(chǔ)，是所有統(tǒng)計(jì)分析功能的數(shù)據(jù)來(lái)源。數(shù)據(jù)采集可以分為內(nèi)部數(shù)據(jù)采集和外部數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集一部分為傳感器數(shù)據(jù)采集，一部分為既有生產(chǎn)系統(tǒng)(ISCS)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)采集為地鐵外部數(shù)據(jù)參數(shù)，如氣象數(shù)據(jù)、災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)分析等功能的重要核心部件，也是整個(gè)平臺(tái)數(shù)據(jù)功能應(yīng)用的重要支撐。首先應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)系統(tǒng)直接采集、接入和導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合、查錯(cuò)、查漏、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)篩除、遺漏數(shù)據(jù)補(bǔ)全或標(biāo)記、數(shù)據(jù)匹配等。數(shù)據(jù)處理包括設(shè)備用量統(tǒng)計(jì)、能耗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證、能耗數(shù)據(jù)指標(biāo)的運(yùn)算。

3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用主要是平臺(tái)對(duì)運(yùn)營(yíng)使用人員提供應(yīng)用服務(wù)功能。平臺(tái)以BIM可視化為數(shù)據(jù)展現(xiàn)基礎(chǔ)，給用戶提供各種數(shù)據(jù)的信息化應(yīng)用功能，以提高人員對(duì)車站能耗的管理，以及對(duì)耗能設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化控制。數(shù)據(jù)應(yīng)用以工作站終端形式提供友好的人機(jī)界面。

3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸

網(wǎng)絡(luò)傳輸主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的傳送，是貫穿數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要途徑。

3.5 接口

接口是平臺(tái)與其他信息資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接的重要橋梁，平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放的采集接口與外部數(shù)據(jù)接口和內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

能耗監(jiān)控平臺(tái)的車站系統(tǒng)在東方紅廣場(chǎng)站進(jìn)行示范，平臺(tái)由數(shù)據(jù)運(yùn)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器、監(jiān)控終端、智能電表、交換機(jī)、防火墻等設(shè)備組成。

平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集功能主要由接口服務(wù)器完成，與車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)進(jìn)行通信互聯(lián)，采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容包含車站公共區(qū)環(huán)境溫濕度/二氧化碳數(shù)據(jù)、大系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，車站電力總能耗數(shù)據(jù)，車站售檢票客流數(shù)據(jù)； 大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)送風(fēng)機(jī)、大系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)、直接蒸發(fā)循環(huán)水泵供電回路增加的智能電表設(shè)備，通過(guò)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)PLC總線[10]，將數(shù)據(jù)傳輸給ISCS，再通過(guò)接口傳送給能耗平臺(tái)。系統(tǒng)設(shè)置與互聯(lián)網(wǎng)連接的路由器設(shè)備，采集社會(huì)發(fā)布的公共氣象數(shù)據(jù)和災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)等[11]。與ISCS通信接口需要設(shè)置防火墻設(shè)備。

圖2 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案構(gòu)成

圖3 數(shù)據(jù)采集信息內(nèi)容

數(shù)據(jù)運(yùn)算服務(wù)器主要完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，部署數(shù)據(jù)計(jì)算單元，根據(jù)功能需求編制計(jì)算模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，運(yùn)算原理如下：

(1)對(duì)車站溫度數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)等多維度數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)性分析；

(2)通過(guò)關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，結(jié)合外部環(huán)境參數(shù)及其他擾動(dòng)因素，建立自學(xué)習(xí)機(jī)制；

(3)通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的構(gòu)成關(guān)系，建立參數(shù)預(yù)測(cè)模型；

(4)分析設(shè)備的運(yùn)行模式，為設(shè)備控制提供參數(shù)控制優(yōu)化方案。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)采集和運(yùn)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量滿足不少于4T，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份處理。

應(yīng)用服務(wù)器是負(fù)責(zé)對(duì)用戶進(jìn)行應(yīng)用功能發(fā)布，并運(yùn)算BIM建模圖形化界面，監(jiān)控終端設(shè)備訪問(wèn)應(yīng)用服務(wù)器，獲得平臺(tái)功能服務(wù)。

5 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)服務(wù)對(duì)象為地鐵運(yùn)營(yíng)公司，平臺(tái)建設(shè)結(jié)合運(yùn)營(yíng)單位使用需求，強(qiáng)化運(yùn)營(yíng)單位對(duì)車站能耗的管理，及時(shí)對(duì)耗能設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制，全面了解車站環(huán)境條件并進(jìn)行有效決策。

平臺(tái)功能定位為地鐵車站能耗監(jiān)測(cè)、分析及控制參數(shù)優(yōu)化，初期研究對(duì)象主要為車站大系統(tǒng)空調(diào)能耗分析及控制參數(shù)分析，在目前車站條件下接入設(shè)備能耗數(shù)據(jù)、內(nèi)部運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、外部環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車站多種數(shù)據(jù)匯集分析，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、能耗可視化，驗(yàn)證、優(yōu)化控制參數(shù)。

5.1 BIM可視化顯示

平臺(tái)采集能耗數(shù)據(jù)，并將采集到的原始數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。平臺(tái)以BIM系統(tǒng)為數(shù)據(jù)可視化支撐，數(shù)據(jù)運(yùn)算為核心，圍繞大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能管控進(jìn)行研究。

圖4 基于BIM的能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)界面

圖5 在BIM模型中顯示設(shè)備狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

平臺(tái)具有以BIM模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維可視化展示和數(shù)據(jù)顯示功能，通過(guò)點(diǎn)擊設(shè)備模型，顯示設(shè)備數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。通過(guò)三維可視化的系統(tǒng)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、直接蒸發(fā)冷水系統(tǒng)、供配電監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示、能源消耗狀況記錄分析、設(shè)備異常情定位等功能，最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)各系統(tǒng)信息共享和協(xié)調(diào)互動(dòng)功能[12]。

5.2 能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計(jì)計(jì)量的手段和方法，采用圖表、柱狀圖、曲線等表現(xiàn)形式[13]，對(duì)大系統(tǒng)空調(diào)能耗數(shù)據(jù)情況進(jìn)行分析，為優(yōu)化能耗效率提供支撐[14]。

能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)依據(jù)能源分類、分項(xiàng)原則，對(duì)系統(tǒng)采集、提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗的統(tǒng)計(jì)，運(yùn)營(yíng)時(shí)間與非運(yùn)營(yíng)時(shí)間的能耗統(tǒng)計(jì)，各類能耗及其分項(xiàng)能耗的比例、最大值、最小值、平均值及能耗指標(biāo)(車站、人均或單位面積能耗等)等統(tǒng)計(jì)，提供可按任意時(shí)間段(如小時(shí)、日、月、季、半年、年)統(tǒng)計(jì)等信息。

能源數(shù)據(jù)分析應(yīng)將影響能耗的因素與實(shí)際能耗信息，進(jìn)行能源的質(zhì)量、負(fù)荷、需量、能效、平衡以及同比、環(huán)比、節(jié)能潛力等分析。

圖6 平臺(tái)的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能

圖7 平臺(tái)的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能

5.3 能耗數(shù)據(jù)展示

能源數(shù)據(jù)、信息的查詢與顯示，應(yīng)根據(jù)用戶的操作權(quán)限，查詢到相應(yīng)權(quán)限的能源數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，以柱狀圖、餅圖、趨勢(shì)曲線、表格等多種形式顯示能源數(shù)據(jù)和信息。

圖8 平臺(tái)的綜合統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能

5.4 輔助決策

5.4.1 空調(diào)系統(tǒng)能耗診斷

空調(diào)系統(tǒng)能源診斷應(yīng)以系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)為依據(jù)，基于設(shè)備運(yùn)行情況與外部氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)行合理用能程度監(jiān)測(cè)等。

5.4.2 能源效率分析

系統(tǒng)對(duì)車站大系統(tǒng)空調(diào)能源效率進(jìn)行分析，從設(shè)備運(yùn)行和客流運(yùn)營(yíng)等角度分析整個(gè)系統(tǒng)的能源效率指標(biāo)。

5.4.3 能耗指標(biāo)管理

圖9 節(jié)能效果綜合評(píng)價(jià)功能

圖10 基于數(shù)據(jù)分析的冷量預(yù)測(cè)

平臺(tái)將車站能耗的既有年度、月度、逐日的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，與用能單位面積等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，得到指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)桿值； 根據(jù)數(shù)據(jù)的逐步完善以及節(jié)能手段的實(shí)施進(jìn)行標(biāo)桿值的重新核定和修改。

5.4.4 冷量預(yù)測(cè)

平臺(tái)對(duì)直接蒸發(fā)冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及環(huán)境監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，自動(dòng)預(yù)測(cè)出后一日車站內(nèi)所需的冷量，為節(jié)能控制提供數(shù)據(jù)支持。

6 節(jié)能優(yōu)化控制方式

車站大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行控制模式由BAS進(jìn)行控制，同時(shí)兼做防排煙控制。平臺(tái)不改變?cè)邢到y(tǒng)控制方式和控制權(quán)限，在BAS進(jìn)行時(shí)間表模式控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)采集的內(nèi)部、外部環(huán)境參數(shù)變化和控制參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算和關(guān)聯(lián)分析，輸出送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)的變頻控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)控制。在非空調(diào)季和火災(zāi)模式時(shí)，仍由BAS進(jìn)行模式控制。

圖11 節(jié)能優(yōu)化控制的原理

7 結(jié)論與展望

我國(guó)軌道交通節(jié)能減排是地鐵工程建設(shè)的政策導(dǎo)向之一，隨著我國(guó)西北部城市軌道交通工程的不斷增加，帶有地區(qū)氣候特點(diǎn)的通風(fēng)空調(diào)降溫方式逐步推廣應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)備能耗控制方法和管控措施也在不斷完善[15]。目前蘭州軌道交通節(jié)能管控平臺(tái)在車站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以監(jiān)測(cè)為手段，以管控為目的的節(jié)能平臺(tái)，是適合于當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)管理需求的，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集積累，逐步優(yōu)化參數(shù)控制量分析方法，形成完整的大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備能耗管控系統(tǒng)，為蘭州軌道交通設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能管控，打下了技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。