基于BIM的兰州轨道交通通风空调能耗监控平台研究

张 辉1 张 鑫 张 波 蒋 浩 李 欣

(1.兰州市轨道交通有限公司运营分公司，兰州 730020； 2.北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京 100068)

1 概述

兰州轨道交通1号线一期工程是兰州市在建的第一条轨道交通线路，全线长约26 km，共设20座车站，全部为地下线。兰州轨道交通为响应国家节能减排的工作要求，结合兰州本地气候环境特点和轨道交通工程特点[1]，以车站通风空调系统为能耗监控试点，对节能监控平台进行研究，实现车站能耗数据采集、分析[2]，最终实现通风空调设备运行参数控制[3]，以BIM可视化为数据展现承载方式，建立车站能耗监控平台[4]。

2 车站通风空调系统方案简述

兰州市为温带大陆性气候，轨道交通1号线工程的车站公共区大系统通风空调采用全高非封闭站台门通风空调系统，空调降温采用直接蒸发冷却空气处理[5]，原理是被处理空气与雾化的水直接接触进行热湿交换[6]，在提升空气湿度同时，降低温度。此种空调方案适应于兰州市本地气候特点，也是西北部地区地铁目前主推的方案[7]。大系统通风空调系统由送风机、排风机、直接蒸发冷却机组和风阀组成，其中送风机、排风机、直接蒸发冷却机组为变频设备，可对运行功率进行调节[8]。大系统通风空调系统兼作排烟系统。

图1 车站单端大系统通风空调系统图

表1 车站大系统通风空调设备统计

设备名称功率台数控制方式大系统送风机55KW4变频大系统排风机75KW4变频直接蒸发机组4KW4变频

3 平台架构设计

能耗监测分析平台由五部分逻辑关系组成：数据采集、数据处理、数据应用、网络传输、接口[9]。

3.1 数据采集

数据采集是平台实现监测功能的重要基础，是所有统计分析功能的数据来源。数据采集可以分为内部数据采集和外部数据采集。系统内部数据采集一部分为传感器数据采集，一部分为既有生产系统(ISCS)数据采集。系统外部数据采集为地铁外部数据参数，如气象数据、灾害预警数据。

3.2 数据处理

数据处理是对数据存储、运算、统计分析等功能的重要核心部件，也是整个平台数据功能应用的重要支撑。首先应对数据进行预处理，再进行数据处理。数据预处理主要是对系统直接采集、接入和导入的数据进行重新组合、查错、查漏、错误数据筛除、遗漏数据补全或标记、数据匹配等。数据处理包括设备用量统计、能耗数据准确性验证、能耗数据指标的运算。

3.3 数据应用

数据应用主要是平台对运营使用人员提供应用服务功能。平台以BIM可视化为数据展现基础，给用户提供各种数据的信息化应用功能，以提高人员对车站能耗的管理，以及对耗能设备的节能优化控制。数据应用以工作站终端形式提供友好的人机界面。

3.4 网络传输

网络传输主要负责系统内数据的传送，是贯穿数据采集、数据处理和数据应用的重要途径。

3.5 接口

接口是平台与其他信息资源实现数据连接的重要桥梁，平台采用标准开放的采集接口与外部数据接口和内部生产系统连接，实现数据交换。

4 系统方案设计

能耗监控平台的车站系统在东方红广场站进行示范，平台由数据运算服务器、数据存储服务器、应用服务器、接口服务器、监控终端、智能电表、交换机、防火墙等设备组成。

平台的数据采集功能主要由接口服务器完成，与车站综合监控系统(ISCS)进行通信互联，采集的数据内容包含车站公共区环境温湿度/二氧化碳数据、大系统通风设备运行状态，车站电力总能耗数据，车站售检票客流数据； 大系统通风空调送风机、大系统排风机、直接蒸发循环水泵供电回路增加的智能电表设备，通过环境与设备监控系统(BAS)PLC总线[10]，将数据传输给ISCS，再通过接口传送给能耗平台。系统设置与互联网连接的路由器设备，采集社会发布的公共气象数据和灾害预警数据等[11]。与ISCS通信接口需要设置防火墙设备。

图2 平台设计方案构成

图3 数据采集信息内容

数据运算服务器主要完成对采集的数据进行计算处理，部署数据计算单元，根据功能需求编制计算模型，对数据进行运算、统计和预测，运算原理如下：

(1)对车站温度数据、设备运行数据、客流数据等多维度数据建立关联性分析；

(2)通过关联分析结果，结合外部环境参数及其他扰动因素，建立自学习机制；

(3)通过对历史数据的构成关系，建立参数预测模型；

(4)分析设备的运行模式，为设备控制提供参数控制优化方案。

数据存储服务器负责对采集和运算的数据进行存储，存储容量满足不少于4T，并对数据进行备份处理。

应用服务器是负责对用户进行应用功能发布，并运算BIM建模图形化界面，监控终端设备访问应用服务器，获得平台功能服务。

5 平台功能设计

平台服务对象为地铁运营公司，平台建设结合运营单位使用需求，强化运营单位对车站能耗的管理，及时对耗能设备进行优化控制，全面了解车站环境条件并进行有效决策。

平台功能定位为地铁车站能耗监测、分析及控制参数优化，初期研究对象主要为车站大系统空调能耗分析及控制参数分析，在目前车站条件下接入设备能耗数据、内部运营数据、外部环境数据，实现车站多种数据汇集分析，实现环境、能耗可视化，验证、优化控制参数。

5.1 BIM可视化显示

平台采集能耗数据，并将采集到的原始数据存入数据库。平台以BIM系统为数据可视化支撑，数据运算为核心，围绕大系统通风空调系统的节能管控进行研究。

图4 基于BIM的能耗监测管理平台界面

图5 在BIM模型中显示设备状态和监测数据

平台具有以BIM模型数据为基础的三维可视化展示和数据显示功能，通过点击设备模型，显示设备数据及相关信息。通过三维可视化的系统界面，实现对通风空调系统、直接蒸发冷水系统、供配电监控系统等设备设施的运行状态的实时监控与显示、能源消耗状况记录分析、设备异常情定位等功能，最终实现相关各系统信息共享和协调互动功能[12]。

5.2 能耗数据统计

数据分析采用统计计量的手段和方法，采用图表、柱状图、曲线等表现形式[13]，对大系统空调能耗数据情况进行分析，为优化能耗效率提供支撑[14]。

能源数据统计应依据能源分类、分项原则，对系统采集、提取的数据进行能耗的统计，运营时间与非运营时间的能耗统计，各类能耗及其分项能耗的比例、最大值、最小值、平均值及能耗指标(车站、人均或单位面积能耗等)等统计，提供可按任意时间段(如小时、日、月、季、半年、年)统计等信息。

能源数据分析应将影响能耗的因素与实际能耗信息，进行能源的质量、负荷、需量、能效、平衡以及同比、环比、节能潜力等分析。

图6 平台的环境数据监测功能

图7 平台的能耗数据监测功能

5.3 能耗数据展示

能源数据、信息的查询与显示，应根据用户的操作权限，查询到相应权限的能源数据及相关信息，以柱状图、饼图、趋势曲线、表格等多种形式显示能源数据和信息。

图8 平台的综合统计报表功能

5.4 辅助决策

5.4.1 空调系统能耗诊断

空调系统能源诊断应以系统采集的能耗数据为依据，基于设备运行情况与外部气象数据进行统计和分析，进行合理用能程度监测等。

5.4.2 能源效率分析

系统对车站大系统空调能源效率进行分析，从设备运行和客流运营等角度分析整个系统的能源效率指标。

5.4.3 能耗指标管理

图9 节能效果综合评价功能

图10 基于数据分析的冷量预测

平台将车站能耗的既有年度、月度、逐日的数据进行汇总，与用能单位面积等数据进行融合计算，得到指标数据的标杆值； 根据数据的逐步完善以及节能手段的实施进行标杆值的重新核定和修改。

5.4.4 冷量预测

平台对直接蒸发冷风机运行的监测数据及环境监测等数据进行分析和计算，自动预测出后一日车站内所需的冷量，为节能控制提供数据支持。

6 节能优化控制方式

车站大系统通风空调运行控制模式由BAS进行控制，同时兼做防排烟控制。平台不改变原有系统控制方式和控制权限，在BAS进行时间表模式控制的基础上，根据采集的内部、外部环境参数变化和控制参数，通过数据计算和关联分析，输出送风机、排风机的变频控制参数，实现更优控制。在非空调季和火灾模式时，仍由BAS进行模式控制。

图11 节能优化控制的原理

7 结论与展望

我国轨道交通节能减排是地铁工程建设的政策导向之一，随着我国西北部城市轨道交通工程的不断增加，带有地区气候特点的通风空调降温方式逐步推广应用，相应的设备能耗控制方法和管控措施也在不断完善[15]。目前兰州轨道交通节能管控平台在车站进行实验，以监测为手段，以管控为目的的节能平台，是适合于当地工程建设特点和运营管理需求的，经过数据采集积累，逐步优化参数控制量分析方法，形成完整的大系统通风空调设备能耗管控系统，为兰州轨道交通设备系统的节能管控，打下了技术基础和实践经验。