淺析軌道交通建筑能耗分析及節(jié)能措施

摘要：面對城市軌道交通的能耗增長，優(yōu)化地鐵車站建筑、降低運(yùn)營能耗是促進(jìn)公共交通可持續(xù)化發(fā)展的必經(jīng)之路。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比較大，節(jié)能潛力也是大的。本文以上海首條綠色地鐵的項目實踐經(jīng)驗為例，在分析地鐵 能耗表現(xiàn)、影響因素和應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上，提出相對有效的節(jié)能措施，為后續(xù)地鐵能效提升方案工作明確方向。

關(guān)鍵詞:地鐵車站；能耗；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能

0引言

二十一世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的快速提升以及城市化建設(shè)發(fā)展的騰飛，當(dāng)前中國城市發(fā)展規(guī)模的擴(kuò)大和城市人口數(shù)量的劇增，對城市基礎(chǔ)設(shè)施的要求亦不斷攀升。面對國家加快推進(jìn)節(jié)能降碳的發(fā)展目標(biāo)，公共交通系統(tǒng)的節(jié)能減排的意義更為深遠(yuǎn)。

我國城市軌道交通發(fā)展的速度之快、規(guī)模之大，在世界范圍內(nèi)都是罕見的。尤其是近五年，我國城軌交通發(fā)展迅猛，并且運(yùn)營線路長度逐年直線增長。據(jù)統(tǒng)計截至 2020 年底，中國內(nèi)地累計已有 40 個城市開通城軌交通運(yùn)營，累計 247 條的運(yùn)營線路總長達(dá)到 7978.19 公里。其中，地鐵的運(yùn)營線路長度占比79%，占明顯重要地位。 從地鐵交通占有率以及其呈逐年上升趨勢中不難總結(jié)，我國的城市交通發(fā)展是以地鐵為方向，協(xié)同多種線路發(fā)展的模式。從整體的能耗表現(xiàn)來看，當(dāng)前軌道交通總能耗 94 億 kWh, 約占全國總耗電 1.7‰，未來預(yù)計年耗電量將達(dá) 400 億度，占未來全國總耗電 5 ‰以上，其溫室氣體的總排放量達(dá) 14%，僅次于建筑行業(yè)。無論從綠色低碳的發(fā)展要求，還是從減輕城市運(yùn)營成本的角度考量，地鐵節(jié)能的必要性毋庸置疑。軌交系統(tǒng)總體能耗指標(biāo)不斷持續(xù)增長，在軌道交通運(yùn)營過程中消耗能源的主要形式是電能。資料顯示，2020 年我國城軌交通總電能耗 172.4 億千瓦時，同比增長 12.9%。

根據(jù)對地鐵的用電負(fù)荷統(tǒng)計分析，能耗和用電量均主要分布在列車牽引用電和車站內(nèi)各種動力設(shè)備用電， 包括通風(fēng)設(shè)備、自動扶梯、照明、控制設(shè)備等方面。在車站所有機(jī)電設(shè)備中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占總能耗的 70% 左右，因此牽引供電、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能潛力很大，更是節(jié)能工作的方向。

站在全生命周期的角度來分析城市軌交用能特點(diǎn)和系統(tǒng)能耗情況是節(jié)能優(yōu)化的前提，也是落實節(jié)能效益的 基礎(chǔ)。建筑設(shè)施以及系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能措施應(yīng)依據(jù)線路的實際運(yùn)營情況、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備采用和控制等因素，綜合分析并采取有效的實施管理，才能獲得實際效益。

以上海地鐵為例，為實現(xiàn)綠色地鐵貢獻(xiàn)節(jié)能減排的“乘方效應(yīng)"的目標(biāo)，方案籌劃之前通過實際能耗狀況 調(diào)研，分析不同線路和車站之間的用電差異總結(jié)不同車站類型、建筑面積、系統(tǒng)運(yùn)行管理與整體能耗表現(xiàn)的關(guān)聯(lián)性。此外，更從數(shù)據(jù)分析出發(fā)開展針對性的地鐵節(jié)能工作，并對比分析節(jié)能技術(shù)運(yùn)用的現(xiàn)實效益，以此在節(jié)能減排工作體系中尋求有效突破了大量能源的消耗。總體而言，地鐵能耗主要表現(xiàn)為各系統(tǒng)能耗占比差距明顯，并且時間及區(qū)域分布不均衡。

1軌道交通的能耗特點(diǎn)

從對已經(jīng)投入運(yùn)營的地鐵線路能耗數(shù)據(jù)分析，可以看出地鐵系統(tǒng)運(yùn)營的基本能耗特點(diǎn)。在考慮當(dāng)?shù)氐貐^(qū)客 觀氣候特點(diǎn)和公共交通需求響應(yīng)的基礎(chǔ)上，軌道交通能耗的時間分布與大眾出行的時間基本一致。軌交環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計均考慮了當(dāng)?shù)靥鞖狻⒄军c(diǎn)客流、運(yùn)行負(fù)荷等因素在內(nèi)，并在設(shè)計時留有余量。由于站內(nèi)外的溫差較大導(dǎo)致冷凍水泵、冷卻水泵、冷水機(jī)組、風(fēng)機(jī)、空調(diào)等環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備長期滿負(fù)荷運(yùn)行，往往造成了大量能源的消耗。總體而言，地鐵能耗主要表現(xiàn)為各系統(tǒng)能耗占比差距明顯，并且時間及區(qū)域分布不均衡。

上海地鐵自始至終都以構(gòu)建由“管理保障、專項規(guī)劃、規(guī)程規(guī)范、專項技術(shù)"四大體系組成的節(jié)能減排工作體系為基礎(chǔ)，提出“打造綠色地鐵"目標(biāo)。上海地鐵標(biāo)準(zhǔn)站的機(jī)電系統(tǒng)包括給排水、環(huán)控通風(fēng)、及動力照明設(shè)備等，其中作為主要用能的環(huán)控系統(tǒng)構(gòu)成包括：車站公共區(qū)空調(diào)、通風(fēng)（兼排煙）系統(tǒng)（簡稱大系統(tǒng)）；車站區(qū)間排熱（兼排煙）系統(tǒng)（簡稱排熱系統(tǒng)）；區(qū)間隧道活塞通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)（兼排煙）系統(tǒng)（簡稱隧道通風(fēng)系統(tǒng)）；車站設(shè)備及管理用房空調(diào)、通風(fēng)（兼排煙）系統(tǒng)（簡稱小系統(tǒng)）；空調(diào)冷凍水系統(tǒng)（簡稱水系統(tǒng)）。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)制式統(tǒng)一采用全封閉站臺門系統(tǒng)，且按站臺門一步到位設(shè)計。大小系統(tǒng)合用車站設(shè)置的集中冷源，均采用水冷螺桿式冷水機(jī)組。冷凍水系統(tǒng)采用變頻變水量閉式循環(huán)系統(tǒng)，并由分水器分別供給公共區(qū)域組合式空調(diào)機(jī)組和管理用房空氣處理機(jī)組。系統(tǒng)末端設(shè)備設(shè)有具備動態(tài)壓力平衡能力的電動兩通調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)冷凍水量及冷凍水供回干管或集水器和分水器間設(shè)置的電動壓差式旁通閥。

為實現(xiàn)新型標(biāo)準(zhǔn)車站建筑對比其他同類型車站綜合節(jié)能率為 15% 以上的目標(biāo)，在對先行示范車站的實踐分析的基礎(chǔ)上，規(guī)范系統(tǒng)設(shè)計節(jié)能措施主要針對于系統(tǒng)設(shè)備選型以及自動控制應(yīng)用方面。站臺設(shè)定采用的風(fēng)水聯(lián)調(diào)聯(lián)動空調(diào)系統(tǒng)，有效地降低車站空調(diào)運(yùn)行能耗。同時全線配以 LED 照明和智能燈光控制系統(tǒng)，減少光污染之余更在降低能耗方面取得明顯成效。

比較城市其他交通運(yùn)行方式而言，地鐵車站有低能耗方面的表；但其建筑和系統(tǒng)規(guī)模都十分龐大，從而導(dǎo)致地鐵車站的能耗在整體城市能耗中比重較大。地鐵車站的運(yùn)營用電可達(dá)到可變成本的 30% 以上之多，因此需要實施針對性的有效控制措施降低能耗以提升運(yùn)營效益。

對于夏熱冬冷地區(qū)屏蔽門車站，公共區(qū)域與設(shè)備房負(fù)荷差異性較大，因而多采用兩套系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計的方案。根據(jù)設(shè)備房區(qū)域大小及機(jī)組熱量計算即可確定機(jī)組的冷量，而且相比較大系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，小系統(tǒng)較為穩(wěn)定。地鐵車站公共區(qū)域的冷負(fù)荷的考慮則主要包括：設(shè)備和照明的產(chǎn)熱、人員散熱、滲透能耗和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱等。

本文應(yīng)用 eQuest 能耗模擬軟件，模擬分析上海 18號線一期標(biāo)準(zhǔn)車站的全年能耗表現(xiàn)，見圖 3。通過分設(shè)系統(tǒng)，綜合分析確定影響車站通風(fēng)空調(diào)能耗的主要因素。此外，采用逐項類比的方法來確定單項節(jié)能措施的應(yīng)用成效。

不同車站能耗模擬結(jié)果中都顯示在夏季制冷階段，系統(tǒng)冷機(jī)運(yùn)行能耗與水泵能耗均呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，在 7、8 月達(dá)到峰值。雖然屏蔽門系統(tǒng)有效降低了空氣處理機(jī)組的運(yùn)行能耗，但由于與隧道區(qū)間的空氣分隔，明顯增加了排風(fēng)機(jī)組的能耗。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比在冬季和過度季節(jié)的新風(fēng)能耗比重也有所增加。

由于e-Quest模擬軟件并不支持建筑雙系統(tǒng)的模擬，故而采用在不同時間段分別建模進(jìn)而相加的近似法對一期各車站建筑進(jìn)行模擬分析的方法。軟件模擬結(jié)果相互驗證了在車站能耗中，照明與風(fēng)機(jī)的能耗權(quán)重占比較，接近平均 30%；其次為設(shè)備用能和制冷能耗，分別約占20% 左右。

從數(shù)據(jù)分析上來看，模擬計算峰值負(fù)荷數(shù)值與設(shè)計計算值接近，軟件模擬值與實測數(shù)值的誤差通常在 10%以內(nèi)。因此，可以將模擬計算分析結(jié)果應(yīng)用于實際節(jié)能優(yōu)化措施的決策。

2地鐵車站節(jié)能措施

鑒于車站環(huán)控系統(tǒng)的組成及能耗因素的影響，總結(jié)其他建筑節(jié)能優(yōu)化及措施應(yīng)用效益的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，針對性地對不同系統(tǒng)采取相應(yīng)有效的節(jié)能措施，其節(jié)能效益還是十分顯著的。

首先在照明系統(tǒng)方面，減少不必要的照明（例如在保證安全的前提下，亞光材料的反光涂料可以減少長條燈帶的設(shè)置），選用 LED 節(jié)能性燈具。同時配合自動感應(yīng)控制，單獨(dú)照明系統(tǒng)的節(jié)能表現(xiàn)對比基本節(jié)能要求可達(dá)到 50% 以上，平均節(jié)能率超過 30%。所以根據(jù)實際使用情況，制定合理的相關(guān)照明指標(biāo)要求，大力采用節(jié)能燈具結(jié)合布局改善既是對地鐵照明系統(tǒng)節(jié)能有效的策略。

由于站臺建筑的特殊性，在考慮設(shè)計規(guī)范要求衡上 , 空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫差的設(shè)定應(yīng)相對略微提，這樣既避免系統(tǒng)結(jié)露情況的出現(xiàn)，在實際使用期間滿意調(diào)研上也得到較為滿意的結(jié)果。合理適度地提送風(fēng)溫差，盡可能地降低送風(fēng)量，降低系統(tǒng)能耗的上限值是從根本上提能效的手段。站臺通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計是考慮滿足運(yùn)行期間客流量條件下的需求，但實際運(yùn)營過程中客流量往往不會達(dá)到設(shè)計值狀態(tài)，所以對大系統(tǒng)采用變頻裝置及時按需調(diào)節(jié)風(fēng)量是有效的節(jié)能手段。數(shù)據(jù)分析顯示通過變頻控制，可以使風(fēng)機(jī)風(fēng)量平均減少 30%，其功率耗能減少 45%。

在采用有效空調(diào)設(shè)備的同時，實行風(fēng)水聯(lián)調(diào)的控制手段也是降低空調(diào)能耗重要策略。車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式復(fù)雜，一者是設(shè)備較多，再者設(shè)備之間相互關(guān)聯(lián)交叉，系統(tǒng)獨(dú)立控制難以實現(xiàn)設(shè)計預(yù)期。

基于系統(tǒng)效率原則、考慮負(fù)荷對冷量的需求變化，全局化動態(tài)協(xié)調(diào)模式的風(fēng)水系統(tǒng)聯(lián)動控制很好地保證不同情況下通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行表現(xiàn)。先行試驗車站的實際研究表明，風(fēng)水變頻控制的引用使空調(diào)季節(jié)車站通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能率提升 30% 以上，大幅降低了車站運(yùn)營的整體能耗及運(yùn)營成本。

此外，節(jié)能電梯和性能電氣設(shè)備的比例應(yīng)用在車站長時間運(yùn)營的過程中也有相當(dāng)?shù)墓?jié)能貢獻(xiàn)。

3 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費(fèi)管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運(yùn)維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運(yùn)維等領(lǐng)域。

（3）平臺結(jié)構(gòu)

（4）平臺功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢或打印，提工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術(shù)，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機(jī)結(jié)合起來，運(yùn)用的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提能源質(zhì)量、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

◆預(yù)付費(fèi)管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機(jī)、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表中心：提供售電、售水財務(wù)報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費(fèi)看板

◆充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運(yùn)營分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

◆智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關(guān)策略配置及后臺遠(yuǎn)程管理和移動管理等，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

◆安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測器，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)及時的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。原先針對“九小場所"和危化品生產(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細(xì)化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)語

關(guān)注地鐵總體能耗比例較大的通風(fēng)空調(diào)的節(jié)能，是地鐵節(jié)能實施的要點(diǎn)。實際了解車站具體的環(huán)境因素，確定合理的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)值，是提升能效的重要前提。在采用節(jié)能設(shè)備的同時，各系統(tǒng)根據(jù)情況變化相應(yīng)地調(diào)節(jié)其運(yùn)行狀況，是優(yōu)化系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵所在。

本文通過分析上海地鐵 18 號線一期車站建筑能耗表現(xiàn)與節(jié)能措施的效果，總結(jié)了地跌主要節(jié)能措施的應(yīng) 用，為今后地鐵節(jié)能優(yōu)化工作給予參考。面對不同的車站類型、站臺規(guī)模、運(yùn)行模式和客流特征等因素，仍然需要通過分析研究及實際調(diào)研的方法，結(jié)合包括建筑設(shè)計、土建技術(shù)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等因素，實現(xiàn)地鐵更優(yōu)的能效表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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