基于城市軌道交通環(huán)境的暖通空調(diào)節(jié)能探討

孫 煒

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市軌道交通已然成為了城市內(nèi)外主流的公共交通工具，極大緩解了市內(nèi)交通壓力。與此同時(shí)，隨著城市居民生活水平的不斷攀升，居民出行愈發(fā)重視品質(zhì)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(biāo)配。但是舒適的出行環(huán)境往往伴隨著巨大的能耗，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]，在我國的城市軌道交通中，暖通空調(diào)在地鐵運(yùn)行中的能耗占比高達(dá)30.29%，而地鐵牽引用電僅占地鐵運(yùn)行能耗中的44.39%，在地鐵站中，暖通空調(diào)所占的能耗比例高達(dá)60%以上，同時(shí)，軌道交通系統(tǒng)的暖通溫度的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上與一般人群的機(jī)體耐受溫度和適應(yīng)溫度的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)不佳，甚至?xí)a(chǎn)生發(fā)熱和感冒等一系列不良反映。而這些不合理的溫度設(shè)定正是軌道交通系統(tǒng)造成大量能耗的主要原因?？梢哉f，暖通空調(diào)的節(jié)能問題迫在眉睫[2]。

1 主流軌道交通暖通空調(diào)系統(tǒng)

以城市地鐵暖通空調(diào)系統(tǒng)為例，為了使得地鐵站和車廂內(nèi)部的空氣質(zhì)量和溫度等得到有效調(diào)節(jié)，使其達(dá)到安全和舒適的根本目的，地鐵系統(tǒng)的暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)用了大量的相應(yīng)設(shè)備對氣體環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。按照效應(yīng)目的來分，可以分成以通風(fēng)換氣為主的排風(fēng)機(jī)組和以調(diào)控溫度濕度為主多的空調(diào)機(jī)組，上述機(jī)組既可以獨(dú)立工作又能夠在必要時(shí)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)。而按照系統(tǒng)調(diào)風(fēng)工作的基本原理，目前主流的暖通空調(diào)系統(tǒng)分為兩類，分別為：

1）屏蔽門系統(tǒng)，通過在車站與隧道軌行區(qū)之間設(shè)置屏蔽門，可以大幅度減少車廂與車站外部環(huán)境的空氣對流效應(yīng)，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(fèi)，根據(jù)研究結(jié)果顯示，屏蔽門系統(tǒng)可以降低暖通空調(diào)的冷載荷比例接近四成，整體的耗能節(jié)約達(dá)到三成以上。在車站內(nèi)部，設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)季節(jié)、人流量、環(huán)境溫度等因素對車站整體的溫度、濕度等因素進(jìn)行控制；在軌行區(qū)則設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的功能。

2）開閉式系統(tǒng)，開閉式系統(tǒng)大多與季節(jié)相匹配，隨著季節(jié)的變化不斷調(diào)整其運(yùn)行模式，在春秋季等常規(guī)性過度季節(jié)，閉式系統(tǒng)采用開式運(yùn)行的方式連通地鐵站的內(nèi)部與外部，利用“活塞效應(yīng)”進(jìn)行通風(fēng)換氣；而在冬季和夏季等季節(jié)，則進(jìn)行閉式運(yùn)行，隔絕地鐵站的內(nèi)部與外部，防止車站內(nèi)的冷熱量散失，采用通風(fēng)機(jī)對地鐵站內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)，確保車站內(nèi)部所需的新鮮空氣量。開式系統(tǒng)在中國運(yùn)用比例相對較低，因其適宜用于當(dāng)?shù)刈顭嵩碌钠骄鶜鉁夭怀^25 ℃的區(qū)域，并且地鐵運(yùn)量不宜過大，且開式系統(tǒng)容易堆積靜電粉塵，對車廂電控設(shè)備會產(chǎn)生一定概率的負(fù)面影響。而閉式系統(tǒng)的應(yīng)用相對較多，適宜用于運(yùn)行當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鶜鉁爻^25 ℃的區(qū)域，并且其能夠滿足人群高運(yùn)量和發(fā)車高密度的要求。

2 城市軌道交通中暖通空調(diào)的節(jié)能分析

城市軌道交通中暖通空調(diào)的節(jié)能首要考慮因素是在源頭處進(jìn)行處理，在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行暖通空調(diào)的選型時(shí)即要進(jìn)行考慮。在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)模式下，相關(guān)設(shè)計(jì)人員為了壓縮設(shè)計(jì)工時(shí)，對于暖通空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)定往往直接借鑒已有軌道交通系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，或者直接以選型的暖通空調(diào)設(shè)備的銘牌參數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣在很大程度上忽略了區(qū)域個(gè)體的差別，也忽略了不同區(qū)域人群的氣候耐受和適宜程度，直接表現(xiàn)氣溫的過高或者過低，濕度的不適宜等。在對暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)初期，就要考慮到不同階段和不同工況下的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、風(fēng)量等，同時(shí)也要考慮所處區(qū)域的土壤綜合傳熱系數(shù)、氣壓、空氣常規(guī)濕度等，并且應(yīng)在各項(xiàng)參數(shù)的協(xié)同運(yùn)作下進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)不適宜的高峰或者低峰值。

除了在暖通空調(diào)的系統(tǒng)形式選型方面進(jìn)行節(jié)能處理，還可以在暖通空調(diào)的智能化可控制上著手進(jìn)行改進(jìn)升級。傳統(tǒng)的暖通空調(diào)控制結(jié)構(gòu)中，大多采用定頻式運(yùn)行，其控制形式較為單一，無法根據(jù)溫度、濕度等因素的實(shí)時(shí)變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整運(yùn)行，導(dǎo)致其能耗居高不下[3-4]。

3 城市軌道交通中暖通空調(diào)的智能節(jié)能技術(shù)

現(xiàn)階段主流的暖通空調(diào)智能控制手段主要有以下幾種：

1）根據(jù)負(fù)荷控制中央空調(diào)系統(tǒng)。通過設(shè)置大量的溫度、濕度等傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場的溫度、濕度情況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后實(shí)時(shí)儲存在數(shù)據(jù)庫中，考慮到空調(diào)控制溫度與實(shí)際溫度之間存在著一定的滯后性，因此根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)信息，確定預(yù)測周期，建立起預(yù)測模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，提前進(jìn)行暖通空調(diào)的調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。中央空調(diào)系統(tǒng)控制流程如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)控制流程

2）利用無線傳感器技術(shù)控制中央空調(diào)。通過設(shè)置無線傳感器獲得室內(nèi)與室外的溫度、濕度與紅外信息等，通過設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對其進(jìn)行處理并進(jìn)行滯后性的預(yù)測計(jì)算，通過預(yù)測的計(jì)算結(jié)果隨時(shí)調(diào)整中央空調(diào)。

3）通過負(fù)荷預(yù)測實(shí)現(xiàn)對中央空調(diào)系統(tǒng)群控。通過對室內(nèi)外溫度、濕度等各項(xiàng)數(shù)值的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對中央空調(diào)各項(xiàng)工況負(fù)荷和相關(guān)工況參數(shù)的預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果控制中央空調(diào)系統(tǒng)對于具體終端機(jī)組相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)節(jié)，以及確定是否增加或減少輔機(jī)、冷凍機(jī)的工作運(yùn)行數(shù)量，還可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果實(shí)現(xiàn)對輔機(jī)、冷凍機(jī)的溫度預(yù)設(shè)和調(diào)控，減少系統(tǒng)的能源浪費(fèi)，以達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的效果，其流程圖如圖2 所示。

圖2 通過負(fù)荷預(yù)測實(shí)現(xiàn)對中央空調(diào)系統(tǒng)群控流程

4）模糊自適應(yīng)優(yōu)化控制技術(shù)。通過在回水、供水管路上設(shè)置傳感器，實(shí)時(shí)采集其溫度信號，將信號通過算法處理，根據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號，實(shí)時(shí)計(jì)算獲得冷卻水泵和冷卻風(fēng)機(jī)控制回路中的比例與積分控制器參數(shù)，使其可以實(shí)時(shí)地自動(dòng)適應(yīng)中央空調(diào)系統(tǒng)工況的變化。

5）合理選定空調(diào)系統(tǒng)的型號。按照提高氣體工作壓力的原理進(jìn)行分類，空調(diào)壓縮機(jī)可分為容積式和速度式。城市軌道暖通空調(diào)系統(tǒng)的選型應(yīng)優(yōu)先選擇容積式，如螺桿壓縮機(jī)組。該類型的工作機(jī)組可以承受較大的壓力載荷，且工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)保養(yǎng)方便。

6）壓縮輸運(yùn)系統(tǒng)能耗指標(biāo)。在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，輸運(yùn)系統(tǒng)主要對傳遞熱量和冷量的工質(zhì)進(jìn)行運(yùn)輸，執(zhí)行該項(xiàng)任務(wù)的機(jī)械機(jī)組主要是水泵和風(fēng)機(jī)，通過消耗外部功源實(shí)現(xiàn)對水、油和空氣等工質(zhì)的輸運(yùn)和轉(zhuǎn)變物理特性或者形態(tài)。輸運(yùn)系統(tǒng)的能量消耗占比較大，如果可以減少不必要的輸運(yùn)耗能，降低輸運(yùn)過程的能量損失，其整體的節(jié)能效果可以較為明顯地體現(xiàn)在整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果上，其具體方法為通過設(shè)計(jì)手段，加大執(zhí)行冷凝功能和冷卻功能部位的工質(zhì)的溫度差，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，其可直接降低輸運(yùn)工質(zhì)的單位能耗。另一種方式為降低工質(zhì)的流動(dòng)速度，使得輸運(yùn)工質(zhì)以較低的流速進(jìn)行工作。

7）多工質(zhì)聯(lián)合調(diào)控節(jié)能系統(tǒng)。地鐵暖通空調(diào)系統(tǒng)中，按照循環(huán)工質(zhì)對機(jī)組設(shè)備進(jìn)行分類，可分為以空氣為工質(zhì)的空調(diào)機(jī)組、回風(fēng)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)組等和以水為工質(zhì)的各類水泵和冷凝、冷卻機(jī)組等。分布在車站系統(tǒng)的諸多傳感器在采集完數(shù)據(jù)后，通過通信線路傳遞到空氣工質(zhì)系統(tǒng)和水系統(tǒng)控制的二級控制單元，數(shù)據(jù)在此經(jīng)過解析和初步存儲后向多工質(zhì)聯(lián)合調(diào)控系統(tǒng)的中心控制單元進(jìn)行傳輸，中心控制單元通過模擬算法進(jìn)行生態(tài)計(jì)算，向空氣工質(zhì)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的各類機(jī)組控制智能中端發(fā)送指令，決定它們以適合的參數(shù)工況進(jìn)行運(yùn)行，或者決定某些終端或者機(jī)組是否臨時(shí)關(guān)閉，以維持一定范圍內(nèi)的系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)。這種聯(lián)合調(diào)控模式充分發(fā)揮智能算法和實(shí)時(shí)控制的優(yōu)點(diǎn)，可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的目的和效果。

4 結(jié)語

我國城市軌道交通的規(guī)模正在逐年擴(kuò)大，除了對速度、長度上的要求逐漸攀升，對其舒適度、能耗節(jié)能的要求也在逐漸提升。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，暖通空調(diào)所占的能耗比例僅次于動(dòng)力牽引耗電，因此暖通空調(diào)的節(jié)能問題迫在眉睫。本文總結(jié)了地鐵軌道交通的特殊環(huán)境狀況，包括其地理和區(qū)域特性、系統(tǒng)環(huán)境特性。研究了主流的軌道交通暖通空調(diào)系統(tǒng)，探討了城市軌道交通中暖通空調(diào)的節(jié)能措施，除了在設(shè)計(jì)之初對暖通空調(diào)的選型進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)外，還可以在暖通空調(diào)的智能化可控制上著手進(jìn)行改進(jìn)升級，并且在設(shè)計(jì)時(shí)，要統(tǒng)籌兼顧地鐵軌道系統(tǒng)所處環(huán)境的特性與系統(tǒng)節(jié)能的綜合要求，最后探究了數(shù)種主流的暖通空調(diào)智能控制手段，為城市軌道交通暖通節(jié)能提供了一定的借鑒與參考[5-6]。