西安地铁通风空调系统节能改造研究

孙佃升

西安地铁通风空调系统节能改造研究

孙佃升

（西安市地下铁道有限责任公司，710018，西安//高级工程师）

根据西安市地铁车站内外环境、客流量等因素的变化，采用地铁车站环境控制及能源管理系统，对原有通风空调系统按各种不同运行工况进行节能改造，包括：空调末端负荷节能控制、空调主机热转换效率控制、通风空调系统末端送风量调节控制、风系统与水系统协调控制等。西安地铁2号线3个车站的改造后测试结果证明，对地铁节能降耗作用明显，可为同类工程的改造设计和实施提供参考。

地铁；通风空调系统；模糊控制；节能改造

Author′s addressXi′an Metro Co.，Ltd.，710018，Xi′an，China

作为城市公共交通的地铁，凭借其载客量大、安全、准点、快捷、舒适、环保等优点已然成为了现代社会城市居民出行的首选。人们在享受地铁带来的各种便捷的同时，也必须清醒地认识到，地铁系统也是城市电力部门和公共交通中的耗能大户，因此，做好地铁的节能降耗将对城市能源的合理配置起到重大作用。

1 地铁通风空调系统节能改造的必要性

地铁车站一般位于地下，其建筑空间与外部空间相对封闭，由于列车、机电设备及大量乘客所产生的热量以及土壤的热惰性，使得地下车站及隧道内的温度较高。目前，国内地铁大多利用通风空调设备来改善车站和隧道空间内的温度、湿度、风速和空气质量。

我国轨道交通运营线路的能耗统计数据显示，轨道交通总用电量中，牵引用电约占50%～60%，车站及区间动力及照明用电约占40%～50%。对于地下车站，其通风空调系统的能耗约占整个车站总用电量的50%～60%，通风空调设备能耗在整个轨道交通运营成本中占有很大的比重。特别是随着各地轨道交通网络规模的不断扩张，投入运营的线路里程和车站数量也在不断地增加，轨道交通总体的运营能耗量呈现出快速增长的趋势，能耗问题越来越显突出。因此，做好地铁通风空调系统的节能改造已成为迫在眉睫的问题。

2 西安地铁通风空调系统原状

西安地铁目前已开通两条线路，运营线路51.8 km，共设车站39座（全部为地下车站）。为在开展地铁通风空调系统节能改造的同时，保证地铁运营的安全性和连续性，西安地铁首先选取了2号线的3个车站（纬一街站、钟楼站、市图书馆站）作为试验站，对其原有的通风空调系统进行节能改造。这3个车站原有通风空调系统情况如下。

（1）3个站点原通风空调年能耗为：纬一街站114.34万kW·h、钟楼站169.37万kW·h、市图书馆站114.78万kW·h。

（2）原通风空调大系统设备电机功率在15 kW以上的采用了变频器控制，但是运行频率由人工设定，不能满足负荷实时变化的需求。

（3）原通风空调小系统没有做节能控制，所有设备每天24 h均在工频状态运行。

由此可以看出，原通风空调系统年耗电量较大，系统不能根据具体负荷大小变化情况来调整运行工况，故节能降耗有很大空间可以挖掘。

3 改造方案

地铁通风空调系统的改造方案主要是针对制冷系统主要设备（制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机等）和末端设备进行优化节能控制，通过改造以实现整个系统的最佳冷却水自适应优化控制、负荷预测冷冻水智能模糊预期控制、能量动态预测风机预期控制、二氧化碳含量趋势变化及新风补给量/排风量预期模糊控制等功能，最终达到地铁通风空调系统高效、低耗、安全、节能的运行目标。

3.1 空调末端负荷节能控制

地铁空调末端的实际负荷（即空调末端对冷冻水的需求量）是随多种因素的变化（季节交替、气候变化、昼夜轮回、人流量增减等）而不断地变化的。由于这些因素的综合影响，空调系统的负荷是一个随机变量，且始终处于动态变化之中。由图1空调能耗曲线可以得出：可节约的功率△W=△W1+△Wh。

图1 地铁空调系统能耗曲线

当环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时预测计算出末端空调负荷所需的制冷量，以及各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在模糊控制器给出的最优值范围内。通过统计的方法计算出空调主机的输出负荷，推测未来时刻系统的运行参数，达到冷冻水回水温度的精确控制，在保证服务质量的前提下，最大限度地利用温差空间，降低水泵能耗。

随着空调末端负荷的降低，冷冻水向空调主机蒸发器传递的热量也相应降低。根据热力学第一定律，冷凝器内传递给冷却水的能量和冷却塔传递给大自然的能量也相应降低，运送负荷的冷却水流量和冷却塔散热风机风量也应降低。根据流体力学原理，通过对冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机运行的匹配调节，可使相应的输入电能大幅度降低。

假设水泵流量为Q，压力为p，转速为n，电机功率为N，工况1与工况2的各项参数比有如下关系：

由式（1）、（2）、（3）可以推出：

由式（4）可以看出，减少水泵流量（降低水泵转速），可以大幅度降低水泵电机功率消耗，实现有效节能。水泵调速节电比率如表1所示。由表1可知，如果年平均水泵流量能在额定值的58%～74%间进行调整变动，则可实现空调系统系统年平均节电60%～80%。

表1 地铁空调调速节电比率

3.2 空调主机热转换效率控制

空调主机热转换效率随着空调运行条件及空调末端负荷的变化，冷凝器的最佳热转换温度随之偏移，能源利用率（COP）也随之降低，因此，要提高空调主机热转换效率，须从冷却水系统的“最佳转换效率”控制着手，利用模糊控制器分析采集到的实时数据及系统的历史运行数据，计算出主机冷凝器的最佳热转换温度点及冷却水最佳出、入口温度，并将传感器检测到的冷却水出、入口温度与此最佳温度参数作比较，利用经模糊运算后输出优化后的控制参数，调节冷却水泵和冷却塔风机的工况，控制冷却水泵和冷却塔风机转速，动态调节冷却水的流量和冷却塔风机的风量，使冷却水的进、出口温度逼近模糊控制器给定的最优值，从而实现空调主机在任何环境条件和负荷情况下，均接近最佳热转换工作状态，达到最佳的空调热转换效率。分析模型如图2所示。

3.3 通风空调系统末端送风量调节控制

合理确定通风空调系统末端风阀的开度，对地铁车站空调系统的节能降耗至关重要。由于外界环境温度以及地铁车站空调末端区域内人流量的变化，地铁车站内环境对冷热量及新风量的需求也会随之变化。通过对被控区域的二氧化碳含量连续采集和记录，结合系统的固有特性分析其变化趋势，并综合考虑新风温度和回风温度的关系，以确定新风补给量/排风量的最佳值。实践证明，在满足新风量不小于总送风量10%的基础上，合理调节定位风阀的开度，可在确保车站内空气品质的同时提高风源的利用率，最大限度地达到节能的效果（见图3）。

3.4 空调末端水阀调节控制

由于空调末端环境负荷的变化，如果系统供水流量固定不变则会导致空调系统供给冷热量与末端负荷需求不能完全匹配，从而产生末端环境冷热不均，冷热量供给不足或者浪费的现象。地铁车站通风空调系统的节能降耗改造是根据现有冷冻水输送能量数据的统计和计算，获得负荷变化规律，从而依据空调趋于空气设计状态的焓值设定送风温度，从而改变水阀开度，调节输出的冷/热量，使区域冷/热量供给和送风温度均稳定在设定值范围，从而达到地铁通风空调系统高效低耗的节能目的。

3.5 风系统与水系统的协调控制

通风空调系统的节能降耗与空调的风系统与水系统的协调控制是分不开的。通过对风系统与水系统的协调控制，调整末端空气处理机组表冷器的冷冻水阀，修正制冷站的总输出冷量，调整各空气处理机组的送风温度，使输出与需求相匹配，从而达到降低末端设备与制冷站总体能耗的目的，使整个通风空调系统始终处于最高效率点运行（见图4）。

4 系统改造后测试

图2 空调主机热转换效率控制模型

图3 通风空调系统末端送风量调节控制流程

图4 风系统与水系统协调控制模型

西安地铁2号线纬一街站、图书馆站、钟楼站3个站的节能改造试验项目，采用了贵州汇通华城股份有限公司生产的SECEMS地铁车站环境控制及能源管理系统。为了验证通风空调系统的综合节能效果，根据国家标准GB/T 26759-2011《中央空调水系统节能控制装置技术规范》中规定的节能测试条件和方法进行了节能测试，相关测试数据如表2所示。测试数据抽取于2015年7月8日至7月20日3个测试站的抄表数据。

由表2可以看出，西安地铁2号线纬一街站、钟楼站和市图书馆站在进行通风空调系统节能改造后，大幅度降低了地铁车站的通风空调系统能耗，节能效果显著。

表2 西安地铁2号线通风空调系统节能改造测试数据

5 结语

地铁的节能降耗对于降低城市的能源消耗具有至关重要的作用。本文以西安地铁2号线3个试验站通风空调系统节能改造为例，提出了一套节能控制的解决途径。经测试验证，该节能改造方法不仅解决了能耗的问题，而且提高了地铁车站环境的舒适度，对于今后地铁车站环境改造具有较好的推广价值。

［1］国家质量监督检验验疫总局.中央空调水系统节能控制装置技术规范：GBT 26759—2011［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［2］顾庆宜.北京地铁复八线通风空调系统综合节能改造［J］.都市快轨交通，2012，25（5）：115-117.

［3］佘光华.地铁通风空调系统节能研究［J］.制冷与空调，2008（2）：14-17.

［4］梁永辉.基于变频控制的中央空调节能系统研究［J］.科技与企业，2012（9）：160.

［5］王宪.深圳地铁车站中央空调系统变频节能改造方案分析［J］.制冷，2011，30（4）：45-48.

［6］薛志峰，江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析［J］.暖通空调，2004，34（9）：8-10.

中国中车科技领军人才研修项目在同济大学举行

7月2日至8日，中国中车的科学家、首席技术专家50余名齐聚同济大学，参加由中国中车人事部和同济中车创新研究中心联合主办的“中国中车科技领军人才研修项目”。开班仪式上，同济大学副校长顾祥林致欢迎辞，对中国中车领军技术人员来到同济校园表达热烈欢迎，并希望通过此次活动，拉开中国中车与同济大学全面深化合作的序幕。中国中车总工程师张新宁做了学习动员讲话，表示此次活动是中国中车成立以来首次进行的科技领军人才集中研修，希望学员们珍惜校园学习机会，积极交流，增进了解，开拓视野。同济大学工程与产业研究院院长张亚雷为学员代表授戴了同济大学校徽。此次研修活动，是2016年11月16日中国中车与同济大学在上海共建“同济中车创新研究中心”后，由中心主办的首次高端人才培训活动，得到了继续教育学院、创意学院等相关学院的大力支持。课程设置结合中国中车发展战略和同济大学的学科优势，时间紧凑、内容丰富、形式多样。不仅覆盖了轨道车辆技术、磁浮交通技术、车用生物基复合材料、机器人与智能驾驶、大数据等专业领域，而且涉及了国内经济形势研判、设计与企业战略、设计驱动创新等交叉学科内容。来自同济大学不同学院的16位知名院士、教授向学员们详细介绍了相关领域的技术发展现状、关键技术、发展趋势等。同时举办主题为创新创意镌刻制造业的“未来简史”沙龙，由4位不同领域的专家引领学员，围绕创新创意，积极开展互动，畅所欲言，场面热烈。除专业学习外，学员们先后参观了同济大学新能源汽车及动力系统国家工程实验室、地面交通工具风洞中心、国家磁浮交通工程技术研究中心等科研基地。同时创新了交流模式，中国中车的科学家们走上讲台，开展内部技术交流。结业典礼上，班长代表全体学员从“开视野”“创思维”“增了解”“促友谊”四个方面总结此次研修活动，表示学有所获，不虚此行。中国中车人事部、同济大学科研院等相关负责人都表示，希望双方能够互通有无、相互借鉴、共同促进、合作共赢。此次活动的圆满落幕，充分发挥了同济中车创新研究中心作为校企合作平台的作用，为中国中车科技领军人才与同济大学的知名教授之间搭建了技术深度交流和理念创新融合的舞台，通力合作，助推中国制造向中国创造、中国速度向中国质量、中国产品向中国品牌转变。

（摘自2017年7月11日同济大学新闻网，同济中车创新研究中心供稿）

Energy-saving Reconstruction of Xi'an Subway Ventilation and Air Conditioning System

SUN Diansheng

According to the changes of internal and external environment factors，the passenger flow and different operating conditions of Xi'an subway stations，the energy-saving reconstruction in the original ventilation air conditioning system can effectively reduce subway energy consumption，including the end load energy control，heat transfer efficiency of the main engine，end air output control，wind and water systems coordination and so on.The testing result of 3 stations on Xi'an subway Line 2 shows that the energy-saving reconstruction of air conditioning system is very effective，which can provide a reference for similar engineering design and application of the method.

metro；ventilation and air conditioning system；fuzzy control；energy saving

U231.5

10.16037/j.1007-869x.2017.08.033

2016-03-04）