地铁站环控系统节能控制研究综述

郭娇杰

（中国铁路设计集团有限公司华南分公司）

近年来，中国城市化不断推进，城市人口数量激增，为缓解城市交通拥堵现状，城市轨道交通建设发展迅猛，但与之而来的是能耗的不断攀升。从整体的能耗表现来看，当前轨道交通总能耗约站全国总耗电1.7‰，未来预计将达到5‰以上，温室气体总排放量达14 %，仅次于建筑行业［1］。无论是站在绿色低碳发展还是减轻城市运营成本的角度，地铁站节能运营的重要性毋庸置疑。环控系统是地铁站的主要用能大户，挖掘环控系统的节能潜力，对于地铁站整体能耗的降低有重大意义。

1 地铁环控系统概述

1.1 地铁站环控系统用能现状

据统计，地铁站环控系统能耗约占总能耗的33 %～50%，南方地区占比一般高于北方［2］。车站环控主要由四个系统构成：隧道通风及排烟系统、大系统、小系统和水系统。大系统是站台层、站厅层的公共空间，小系统是设备及管理用房区，水系统以位于制冷机房内的制冷主机为核心，将制成的冷量输送至各空调末端。隧道通风系统平时不运行，火灾时全速运转排烟，节能潜力较小，小系统负责的设备管理用房区域的负荷占地铁站总负荷的比重较小，且负荷构成主要为设备和照明系统，相对稳定，节能空间不大［3］，因此针对地铁站环控系统节能控制方法更多的集中在大系统和水系统。

地铁站环控系统自设计、施工到运行各个阶段都存在节能空间，如设计阶段可通过设置集中冷站、冰蓄冷系统、优化设备选型方案等手段进行节能设计，本文重点关注的是地铁站运行阶段的节能控制，即如何在既有的环控系统上挖掘节能潜力。

1.2 地铁环控系统运行现状

车站根据远期高峰时段客流量计算空调负荷，车站冷水机组一般分期实施，末端空调设备则一次性配齐，由于车站初期客流量约占远期客流量的30%～50 %［4］，近期环控系统的供冷量远远大于实际需求，即使在远期，不同时段的负荷也存在较大波动。系统常年处于低负荷率运行状态，而车站内风系统多根据经验采用固定风机频率运行，水系统定流量运行，不能根据末端负荷需求实时调节控制供给，系统运行效率低下。调研总结地铁环控系统运行控制存在的问题如下：

1）地铁站人流波动性较大，室内环境影响因素复杂，内扰外扰时刻变化，使运行控制难度增加。

2）地铁站环控系统多为经验运行，缺乏科学合理的依据，受主观影响较大，难以实现供需平衡。

3）应对负荷变化的手段较为单一，调节频次少，系统运行能效较低。

目前针对地铁站环控系统节能控制的研究众多，仍缺乏体系性的汇总，大部分是针对某一控制策略做详细的研究。王扬［5］将地铁环控系统控制策略分为工况调控和环境调控两类，工况调控是根据室内外焓值将环控系统运行工况分为全新风、小新风和通风三种工况，环境调控是在工况调控的基础上通过风机水泵变频、冷机启停、二通阀调节、压差旁通阀开度调节等一系列措施实现室内环境的调节，同时尽量降低能耗，这种分类方式有些笼统。曹勇［6］将控制策略优化分为4个方面：冷源群控策略优化、风系统工况控制策略优化、风系统变频控制策略优化、风水联动控制策略优化，这种梳理方式相对清晰，但部分策略存在重合，且策略覆盖不够完整。

节能降耗的关键在于“开源”和“节流”，本文从需求侧和供给侧两个层面对地铁站节能控制方法进行梳理分析。

2 地铁站环控系统节能控制方法

2.1 需求侧节能控制方法

环控系统运行秉承“供需平衡”的原则，从源头优化负荷需求是节能的一项重点。面向需求侧的节能优化旨在减少冷量需求。车站冷负荷主要影响因素为外扰、内扰和室内设计参数，外扰即室外气象参数，包括室外温度、太阳辐射等，内扰主要包括人员、设备、照明等的散热量，外扰和内扰是不可控参数，室内设计参数为使满足室内人员舒适所需的环境参数，在保证乘客舒适度的基础上合理设计控制参数，是节能的有效措施，有不少研究针对地铁站室内环境设计参数进行了讨论分析。

马光友［7］提出按暂时舒适概念设计站厅、站台的设定温度可有效降低负荷，所谓暂时舒适，即乘客从一个环境进入另一个稍舒适的环境中，会有暂时舒适的感觉，乘客在炎热的室外进入温度稍低些的站厅，会感到凉爽，但只是暂时的，因站厅实际温度不低，但在乘客感到不舒适前就已进入温度更低的站台，仍会感到舒适，最后进入到舒适的车厢，如此全程并未出现不舒适感，但站厅、站台设定温度的升高，可有效降低负荷需求。HanJ［8］提出，车站内乘客多处于步行状态，对环境的期望较低，对车站内温度变化的敏感性不强，温度舒适范围较广。天津大学严奎超［9］对天津市地铁站控制温度进行了探讨，以RWI作为衡量地铁站内人员是否舒适的标准，得到了不同室外温度条件下站厅层、站台层的最佳设计温度。朱培根［10］指出单纯以RWI静态指标评价车站内的热舒适度存在偏差，因乘客进入地铁站是个动态过程，并提出了将车站环控系统与人员舒适度相结合的动态控制方案，为车站更加合理的室内温度控制与节能运行提供参考。辛伟宁［11］以广州某地铁站为例进行实测，发现按规范对站厅、站台的设定温度进行递减会导致RWI值波动较大，乘客在车站内行走过程中无法获得“暂时舒适”，并基于适当的相对热指标插值，提出了根据室外逐时温度确定车站内夏季各时刻室内设计温度。

目前地铁站多以单一参数对室内温度进行调控，从热舒适的角度出发对车站内各区域温度设定点进行针对性优化，有利于减少末端负荷需求，并基于优化后的温度调控方案确定合理的冷量供给策略，可在满足乘客热舒适要求的条件下实现节能。

2.2 供给侧节能控制方法

面向供给侧的节能控制旨在在保证满足末端负荷需求的前提下，使能耗最低。针对供给侧节能控制研究，本文根据控制内容将既有研究分为风系统节能控制、水系统节能控制和风水联动优化三个大类，每个类别中根据其控制方式又进一步细分成多种策略，具体总结如图：

图1 供给侧节能控制方法分类

2.2.1 风系统节能控制方法

风系统节能控制研究主要体现在2个方面：新回风比优化和变风量空调系统。现地铁站一般采用固定新回风比的运行方式，根据设计原则，新风量在以下两者之间取大值：车站远期人流量*12.6m3· (h-1· 人-1)、送风量的10 %。实际运行过程中，车站内人流量一般远小于远期最大客流值，且人流量实时变化，车站内实际供给的新风量远远高于实际需求的新风量，室外新风焓值较高，过多的引入新风量会导致空调冷负荷大大增加，在整个环控系统中，新风负荷占比最高可达40 %以上。若根据车站内实时客流量调节最小新风量，进而减少焓值更低的回风的排出，可有效降低系统运行能耗。温倩［12］构建了一种基于改进蝙蝠算法（IBA）优化LSTM网络的客流量预测模型，并基于客流预测值重新计算车站最小新风量设定值。张荣［13］提出基于人群密度估计的新风控制策略，采用PID控制调节新风阀开度，进而实现变新风量控制。部分研究通过CO2实时监测数据，控制新风量的供给，既保证了车站内空气品质，又降低了系统运行能耗。薛韩玲［14］提出在回风管内设置CO2传感器，根据CO2浓度与设定值之间的偏差来增加或降低最小新风量设定值。

变风量空调系统即VAV，这种方式主要是根据室内环境内负荷变化来不断通过风机变频来改变送风量，其将采集到的站厅/站台区域温度作为反馈量，与设定温度进行比较，采用PID控制算法调节空调机组风机频率。VAV技术相对成熟，部分研究针对空调机组风机调节算法进行了研究分析，如李韬［15］采用仿真模拟的方式，在Simulink中对纯PID控制、带Smith预估器PID控制、模糊控制及模糊PID控制的大系统温度闭环控制效果进行对比分析，证明了模糊PID控制的各项性能最优。

VAV系统运行过程中，可设置最小新风量值，现多采用外部输入的方式读取具体的数值，因此VAV在实际运行过程中最小新风量是固定的。由此可见，现阶段地铁站风系统的新回风比优化、变风量两种节能控制方式是互不干涉的。若能将两种控制方式结合起来，将变风量运行逻辑中的最小新风量值增加一个接口，和新回风比优化策略输出的最小新风量值对接，组成根据实际客流量与负荷需求实时调节新风量和送风量的空调系统，这种控制方式将进一步增加系统节能收益。

新回风比优化、VAV实质上也都属于变频控制方法，分别通过新风机和空调机组送风机的变频控制，调节新风量和送风量以适应车站内的实际负荷需求。

2.2.2 水系统节能控制方法

水系统包括冷冻水系统和冷却水系统，可控参数较多，如制冷主机出水温度、冷冻水流量、冷却水流量、冷塔出水温度等等。根据调节参数的多样性，将调控策略分为局部优化和全局优化。

局部优化即单变量或多个变量组合优化。金国建［16］指出，鉴于设计的局限性与设备选型存在的若干问题，冷冻水系统90 %的时间负荷率低于65%，通过冷冻水系统出水温度和冷冻水流量的变化可实现供冷量的调节，避免能量的浪费。变冷冻水和冷却水流量都是通过水泵的变频调节实现流量的变化，实质上与变风量一样，都属于变频技术。天津大学杨昭［17］结合热力学分析和CFD模拟的方法，对地铁站运行初期、中期、远期分别进行了模拟分析，证明了将变频技术应用于冷冻水泵、空调机组和风机等具有显著的节能效果，在保证站厅与站台层室内空气品质的同时可降低系统运行能耗，初期、中期、远期分别节能1103.4kWh、1064.3kWh、926.2 kWh。段皖秦［18］用TRNSYS搭建了西安某地铁站环控系统的模型，验证了冷冻水泵变频调节的可行性，相较于冷冻水泵定频运行节能率可达10 %以上。然而，冷冻水温的调节和冷冻水流量的调节又对制冷机组和冷冻水泵存在着相互制约的影响，提高冷冻水温度可以降低制冷机组能耗，但为满足同样的冷量供给，就意味着需要更多的冷冻水流量，这又导致冷冻水泵能耗的升高，而冷冻水流量的降低又会影响机组制冷效率。罗辉［19］从初投资及运行费用两个方面，对采用标准温差（7℃/12 ℃）和大温差（7℃/14 ℃）两种工况进行对比分析，证明采用大温差技术节能效益显著且适用于地铁单独供冷车站，现冷冻水大温差供冷技术已在地铁站得到了广泛推广。陈颖［20］开展了各影响因素与冷冻水供水温度间的相关性分析，得到不同负荷率下冷冻水供水温度的最优设定值。针对冷却水系统的节能策略研究，Yao［21］通过建立空调冷源系统能耗模型，在保证换热需求的条件下求解冷却水温度最优值。王盛卫［22］用穷举法寻找使系统高效运行的最优冷却塔出水温度。

综上，冷冻水、冷却水系统变出水温度、变流量在一定程度上都可提升地铁站环控系统运行能效，这种局部优化的方式可保证部分设备的高效运行，但环控设备运行参数高度耦合，若从全局优化的角度出发，或可挖掘出整个环控系统的最大节能潜力。杨昭［17］提出了系统性能系数逐时优化节能控制策略，以最大化该性能系数为优化目标，在线寻找最优参数组合。焦焕炎［23］提出一种基于强化学习的地铁站空调系统节能控制策略，在保证地铁站台温度要求的前提下，使整体能效最大化。杨仕成［24］提出了冷冻机房自动控制系统的能耗数学模型，当末端负荷不断变化时，系统可以主动寻优控制，使冷冻机房总体能耗最低。庄炜茜［25］以武汉地铁四号线为例，通过预判当前负荷，寻找最佳的系统运行点，实现系统运行与负荷变化的动态跟随，使整体COP最高。周志豪［26］基于冷源系统融合模型，建立了环控系统节能优化目标函数，结合优化变量范围和约束条件的限制，采用寻优算法对环控系统运行参数进行全局优化，模拟得到某制冷日采用全局优化模式可实现13.2%的节能率。

2.2.3 风水联动优化方法

上述调控方法将风系统和水系统分开控制，然而风水系统存在高强度的耦合性，只有将风系统与水系统耦合协调控制，才能最大限度得挖掘的地铁站环控系统的节能潜力。业内一直存在变风节能还是变水节能的争论，庄炜茜［25］从换热原理得角度分析认为水侧因流量变化而引起的传热系数变化对总体影响甚微，由此提出应优先调节风系统的运行策略以适应负荷需求的变化，当风系统的变化达到极小值时，再考虑水系统的变频调速控制。李俊［27］也提出实现风水联动关键在于先调节风系统，风系统长时间达不到设定温度时，再调节水系统流量。但这种说法未通过实时数据证实，且未考虑风系统和水系统耦合控制方式的多样性。郑奕［4］提出以分布式控制策略为基础的风水联动智能控制策略，实现车站冷负荷及空调系统能耗最低化的运算目标。刘光伟［28］以大系统和水系统的总能效最高为目标，结合局部模糊控制与全局模糊规则优化迭代，实现大系统和水系统耦合的全局优化控制。李军［29］在南京地铁1号线某车站引入了风水联动控制技术，可根据环境及负荷变化快速择优选择系统的运行参数，数据表明，风水联动系统能实现地铁站环控系统的能效最大化。

通过大量的文献调研可总结得出，目前关于风水联动技术的核心主要是变风量和变水量技术的融合，首先根据末端负荷需求调节送风量，固定送风温度，再根据实际送风温度与设定送风温度之间的偏差调节水系统流量。这样的控制方式其实只是实现了风水系统的部分联动，风系统和水系统还有很多其他的节能控制技术并未融合进来，对于环控系统的节能优化还存在很大的空间，因此这种风水联动的方式还是存在一定的局限性。

3 地铁站环控节能控制方法总结

对地铁站环控系统节能控制方法总结如下：

从需求侧出发，可通过动态优化车站内室内环境设定温度，根据人员流动规律与行动路径，差异化设置不同区域的室内温度设定值，以减少负荷需求。这种方法可有效避免不必要的冷量供给，且易于应用于实际。

从供给侧出发，根据控制内容的不同，地铁站环控系统节能控制方法可分为风系统节能控制、水系统节能控制和风水联动优化三种。风系统通过变新风比和变送风量直接作用于室内环境温度，变风量技术相对成熟，但结合变新风比的应用不多，两者结合将进一步优化节能空间；水系统旨在保证末端供冷需求的同时通过调节设备运行参数提高系统运行能效，这方面关于单变量优化、组合变量优化和全局优化的研究众多，往往需要建立精确的设备能耗模型，对数据体量与数据质量的要求较高，因设备存在性能差异，且随着运行时长的增长出现不同程度的性能衰减，这无疑增加了建模难度；风水联动优化则从整个环控系统全局优化的角度出发，协调风水系统的节能控制策略，这种方法更符合环控系统强耦合的特点，但这种控制方法也更为复杂，现阶段的风水联动控制方法相对简化，大部分只是对风机和水泵进行了变频联动控制，未对风水系统各种节能方法的有机融合做出尝试，技术之间的融合是否存在冲突尚待验证。

4 地铁站环控系统节能控制未来研究方向

1）环控系统全局节能优化。环控系统高耦合、非线性的特点使环控系统节能控制的难度与复杂度增加。为使系统整体能效最大化，应从全局的角度出发，构建完整的节能策略体系，综合考虑负荷需求侧、能源供给侧的优化方案，将各种节能技术进行模块化整合，协调各设备运行使提升整体运行能效。

2）基于不同数据条件的节能控制方法优化。水系统节能控制策略多是基于精确的设备能耗模型，对数据提出了较高的要求，不同地铁站数据条件差异较大，数据条件不佳的情况下的环控系统节能方案或许在实际地铁站有更大的应用空间。

3）基于智能控制系统的节能策略开发。既有地铁站多是基于BAS系统实现环控系统的控制，BAS覆盖专业广，很难做到环控系统调节的精细化，这也导致目前应用于实际的环控系统节能方案普遍简化，真正应用于实际的节能策略甚少。BAS系统只是控制调节的实现手段，随着新兴技术的快速发展，此类智能控制系统为地铁站环控系统节能控制提供了平台支撑，但其内部关于环控设备的具体节能控制逻辑尚且需要我们进入更深入的研究，未来的研究可能更倾向于与控制专业的交叉融合。