地铁环控系统节能技术探讨

地铁环控系统节能技术探讨

高旭聪

440106199009220074

摘要：随着中国城市化趋势和经济的快速发展，大中城市的居民人数翻了一番。地铁作为一种快捷、准时、大流量、舒适、环保的交通工具，在各大城市迅速投入建设。然而，地铁在地下10多米深的隧道中运行，行人密度大。环控已成为地铁的重要组成部分。

关键词：地铁；环控系统；节能策略

引言

环境控制系统的功能主要是控制相对封闭空间环境的热环境和地铁内部空间的空气质量，为客户和员工提供舒适、安全、便捷的服务，满足地铁系统设备的地铁运营要求。面对地铁运营投入的环控系统能耗困境，必须通过设备优化找到一些可行的节能措施，才能有效应对当前高能耗的局面，这对地铁的经济效益具有重要意义。

一、地铁环控系统的主要概况

（一）地铁环控系统的主要特点

地铁是一种特殊的建筑系统，作为人流量最大的交通工具，具有面积大、空间广、区域应用功能复杂、区域之间没有隔断、人员流动性大等特点，不同建筑功能的区域负荷通常会处于相对快速变化的状态。这样的环境特性会在地铁空调通风系统的实际运行中造成局部负荷突变、负荷跨区域变化、路段实际使用功能变化、调节死角等诸多问题。地铁环境控制系统的监测对象通常是时变性和非线性的，但其负荷的变化具有随机性或统计性的特点。因此，环境控制系统不仅可以采用建立模型辨识的方法，还可以采用人工智能神经网络控制器来控制地铁空间多输入、多输出非线性之时变系统。

（二）地铁环控系统的主要组成部分

地铁环境控制系统按环境控制系统的控制方式可分为中央环境控制系统、车站环境控制系统和地环控系统系统。中央级环境控制系统的控制装置主要设置在控制中心，对隧道通风系统进行监控，执行隧道通风系统的预定运行模式。同时对全线车站环境控制系统进行监控，下达各种紧急通风模式指令。车站的控制设备主要集中在车站内专门放置设备的区域。可以看到车站管辖范围内的隧道通风系统、车站规模系统和供水系统，及时向OCC传达信息，执行中控室下达的各种运行模式指令。就地控制主要设置在各站的环控电控室，具有单台设备就地控制功能。地铁环控系统按电气负荷分类可分为Ⅰ类负荷、Ⅱ类负荷和Ⅲ类负荷。环控系统Ⅰ类负荷设备与火灾和事故通风有关，主要包括：车站大系统排烟风机及其风阀、隧道风机、排热风机、防火阀等。Ⅱ类负荷包括其他除I类负载外，与火灾和事故通风无关的风扇、柜式空调和电动空气阀。III类负载包括除I类和II类负载之外的其他环境控制设备。

1. 中央级环控系统

中央级环境控制系统通常由控制中心的局域网组成。为保证系统的安全性和可靠性，中心局域网采用双以太网冗余结构，中心局域网通过路由器或其他接入设备与通信骨干网相连。中央环控系统主要由以下设备组成：①监控工作站：选择两台监控主机相互备份，完成调度员的日常控制、监控和调度管理。②维护计算机：通常用于系统软件维护、配置、运行参数定义、系统数据库的形成、用户操作画面的修改和添加等。③网络服务器：采用热备结构，一般实现控制中心监控系统所有网络的管理、数据存储和处理，同时提供共享资源。④路由器等：主要用于通信骨干网通信主干网的连接。⑤打印机：主要使用事件以及报表的打印。⑥模拟屏：主要用于显示路段、车站、隧道通风系统设备的运行状态和报警信息。

2. 车站级环控系统

车站级环境控制系统的设计思路主要是利用现场总线技术进行联网控制。各智能直联数字控制单元在完成自身监控任务的同时，不断将地铁站各区域传感器测得的环境参数和空调设备的实时运行数据通过控制网络传送至上位控制管理计算机，提交给运行在上位机上的智能优化协调控制软件，同时智能优化软件对测量信息进行更有效的融合，并将融合优化结果作为动态设置下传给现场控制器系统控制的价值。智能优化软件根据现场运行数据和测量信息不断修改控制器的设定值，相当于在之前的独立系统中增加了一个控制外环。即使在环控主机不工作的情况下，现场设备仍可以按照之前设定的控制方式正常工作。车站级环境监测系统设备通常设置在车站环境控制室内。环控室所有环控设备可组成局域网，通过lon接入设备与LonWorks控制网络相连。

（三）环控系统功能

1.在地铁正常运行过程中，排除余热和湿气，为乘客在地面与地铁列车之间创造过渡舒适的环境，为工作人员创造舒适的工作环境。

2.满足站内各种设备和管理室的工艺和功能要求，提供设备正常运行所需的温湿度条件。
3.当列车因拥堵停在段隧道内时，为隧道提供一定量的新鲜空气，并排出列车空调散发的热量，从而在短时间内保持乘客可以接受的环境条件。

4.在发生火灾、可燃气体泄漏等突发事件时，可提供快速有效的排烟排烟手段，为乘客输送必要的新鲜空气，引导乘客撤离至安全区域。

二、城市轨道交通环控系统应用的必要性

我国的城市地铁线路建设在狭长的地下渠道中,由于地下管道的空气环境条件有限,而每天仍必须面临由成千上万的大量旅客，多台由轨道交通车厢和地铁组成的各种电力设备。人员流动和机械设备的日常工作都会造成在地下通道内产生的大量热能,如若不能适时进行有效排除则会造成地下铁路隧道内气温的增高。此外,在地铁内机械设备的运转该过程中还会产生巨大的噪声、密集的人群,也会造成地铁隧道内空气质量的显著降低,并且还会形成大量废弃物。上述原因都使得当今都市地铁的环境保护越来越变差。除造成影响地铁隧道内的环境保护之外,一旦在人数密集但活动空间狭窄的地铁隧道出现火灾事故那么工作人员的应急撤离以及火灾事故产生的烟雾清除工作也是一个难点。鉴于以上对这些原因的阐述,笔者觉得在当前我国的地铁中使用环控系统已经刻不容缓。环控系统还能够有效提升地铁隧道中的通风系统,从而及时有效的提升了当前都市中地铁内的空气质量环境。而环控系统在地铁中的运用,不但能够给广大的地铁旅客创造舒适、清洁的乘坐环境,还能够保证车厢和其他相关设施在正常的工作环境下开展工作,保证了设备工作的正常使用寿命。

三、地铁环控节能控制途径
（一）通风、空调运行模式的优化
  通风控制系统一般采取送气不排风管理模式,使用列车出口成为排风路,能够节约大系统回排风机的功率。若采取排风不输送管理模式,使用列车出口成为进风路,可以节约大空调箱送风机的功率。但实际上,因为回排风路上并不是滤网和表冷器等局阻,回排风路的电阻也等于送风路的电阻,所以在同样条件下排风不送风的功耗也要低于送气不排风的功耗。但由于排风不输送受新风温影响,在户外气温过低时,若采取排风不输送由出口直接入风,则迎面刮起寒风将使出正进站的旅客明显地感到不舒服;而此时若采取送风不排风,由出口排风,但由于排风温超过外温,则迎面刮起的暖风将使正进站的旅客明显感到更舒服。必须注意的是,当使用单排或单送模型时,出口送/排风可以与无组织入/出风相重叠,须充分考虑出口风力过大的实际问题。
（二）应用高效设备与变频技术
  根据环境温度湿度,使用经过验证的电源管理和最节能的冷却控制技术,大幅降低系统耗电量。站台IECS奉行健全的控制策略,包括冷却水流量控制、冷却水流量控制、冷却塔值控制、大型系统气流控制、小型系统气流控制、气流控制和气流控制策略,以确保空调系统和系统的高效运行。
（三）降低机组电耗
  确保地铁站的空气质量在-一个合理舒适的范围内,二氧化碳含量是一项很关键的参考指标,如果地下站点内没有完全密闭空气,车站出入口的通风或换气、区间活塞风的泄漏等,都可对该站增添新风。陈治对地铁车站闭式系统的调研,证明在不输入新风和不排风的状况下,在部分时段内,地下铁路空气质量也可达到国家标准要求。
  地铁设备为了适应运营中的高负载需求,风机风量设计上往往有必要的冗余,设备满负荷运转容易产生能量耗费。同时车站场的热负荷会因客流量、外部环境参数、列车对数等的改变而动态变化,因此为了保持车站内环境的平衡,中央空调系统经常处在调节状态下。与传统手动定频调控方法比较,按照实际负荷要求对风量实施的变频调控方法节能效率明显刊。变频调控方法不但能够合理地调节使用能量,而且还能够降低对设备的磨损,从而减少了其维护工作时间,并大大提高了设备的性能。变频调控系统除增大变频器数量以外,还必须将变频器调控方式纳入软件控制系统中,将变频器控制系统的有关参数反馈至站点BAS或传递至调度中枢,再利用BAS系统完成对站点温度的自动控制和在必要时的自动干预,以达到对站点环境舒适和节能的要求。
（四）空调水系统流量调节
  在空调控制系统中,对于冷冻泵和冷却水泵的选型,一般都是按照地铁站场的总容积进行设计和选择的,通常都是根据站场的最大负荷来选型的,而且往往还在某个程度上留有余地。不过根据目前地铁站的运营状况分析,由于地铁站的通风空调系统一般都处在较低负载的工作状态,所以要想在最大限度上降低地铁站通风空调的总功率,使用变频控制器是较为理想的方法,同时也是较为简单和可行的方法。
（五）建设方案
  建设方案也在相当程度上直接影响了环控系统的能源。地铁是一种相对的密闭体,内部提供了与外部良好的换气条件,因此可以通过合理使用室内外自然冷风排出内部余热。在外部开口有限时,如果仅仅通过机械力排出内部余热,则势必提高系统内部能源量。另外对室内温、湿条件一致,或接近且工作时间相同的设施管理住宅尽可能接近布局。如果规划为一个系统的各房间内尽可能接近布局那么,就可以合理布设风机,防止在全系统内部风管重叠交叉时翻上或翻下,进而降低整体控制系统的局部整体电阻;而且由于控制系统的电阻是由最不利环路计算出来的,划分为一个系统的各房室尽可能接近设计布置的话,可降低整体设备管理用房对环控系统的沿程阻力。因而降低了设备管理用房内各控制系统风机的工作功率。

结束语

地铁作为一种便捷、快捷、舒适的现代化公共交通工具，在城市的快速发展中发挥着重要作用。作为地铁系统不可缺少的组成部分，地铁环境控制系统的运行方式和能耗也不容忽视。环境控制系统在满足其功能的情况下，根据实际情况优化运行和调整，尽可能地节约能源。

参考文献

[1]刘浩平. 天津既有地铁环控改造方案探讨[J]. 科技风,2018(17):138. DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.201817129.

[2]庞李彬.地铁环控系统节能技术探讨[J].铁路技术创新,2016(04):74-76.DOI:10.19550/j.issn.1672-061x.2016.04.016.

[3]周吉日. 地铁环控系统中应用变频技术的节能效果研究[D].西南交通大学,2007.

[4]刘洪, 天津市地铁环控系统节能技术研究. 天津市,天津市地下铁道总公司,2005-01-01.

[5] 刘佳慧，龙静，潘志刚，陈焕新，刘江岩，黄荣庚，李正飞.基于数据挖掘技术的地铁站环控系统用能诊断[J].制冷学报，2018，39（03）:1-6.
[6]王宝玉.关于城市轨道交通环控系统研究方法的分析与探究[J].科技风，2018（05）:247.

[7]邓元媛.地铁环控大系统变风量节能效果模拟[J].建筑热能通风空调，2017（1）.

[8]王思宇. 地铁环控系统回风风量节能控制研究[D]. 北京工业大学, 2016.