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、降低運營能耗是促進公共交通可持續(xù)化發(fā)展的必經(jīng)之路。通風空調(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；通風空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能

0引言

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

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營，累計 247 條的運營線路總長達到 7978.19 公里。其中，地鐵的運營線路長度占比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，當前軌道交通總能耗 94 億 kWh, 約占全國總耗電 1.7‰，未來預計年耗電量將達 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 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)總體能耗指標不斷持續(xù)增長，在軌道交通運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)各種動力設備用電， 包括通風設備、自動扶梯、照明、控制設備等方面。在車站所有機電設備中，通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占總能耗的 70% 左右，因此牽引供電、通風空調(diào)系統(tǒng)設備的節(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)。建筑設施以及系統(tǒng)設備的節(jié)能措施應依據(jù)線路的實際運營情況、系統(tǒng)設計、設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)綠色地鐵貢獻節(jié)能減排的“乘方效應"的目標，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

從對已經(jīng)投入運營的地鐵線路能耗數(shù)據(jù)分析，可以看出地鐵系統(tǒng)運營的基本能耗特點。在考慮當?shù)氐貐^(qū)客 觀氣候特點和公共交通需求響應的基礎(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)的設計均考慮了當?shù)靥鞖狻⒄军c客流、運行負荷等因素在內(nèi)，并在設計時留有余量。由于站內(nèi)外的溫差較大導致冷凍水泵、冷卻水泵、冷水機組、風機、空調(diào)等環(huán)控系統(tǒng)設備長期滿負荷運行，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。上海地鐵標準站的機電系統(tǒng)包括給排水、環(huán)控通風、及動力照明設備等，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（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、機械通風（兼排煙）系統(tǒng)（簡稱隧道通風系統(tǒng)）；車站設備及管理用房空調(diào)、通風（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計。大小系統(tǒng)合用車站設置的集中冷源，均采用水冷螺桿式冷水機組。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)機組和管理用房空氣處理機組。系統(tǒng)末端設備設有具備動態(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置的電動壓差式旁通閥。

為實現(xiàn)新型標準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，在對先行示范車站的實踐分析的基礎(chǔ)上，規(guī)范系統(tǒng)設計節(jié)能措施主要針對于系統(tǒng)設備選型以及自動控制應用方面。站臺設定采用的風水聯(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。地鐵車站的運營用電可達到可變成本的 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營效益。

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

本文應用 eQuest 能耗模擬軟件，模擬分析上海 18號線一期標準車站的全年能耗表現(xiàn)，見圖 3。通過分設系統(tǒng)，綜合分析確定影響車站通風空調(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)冷機運行能耗與水泵能耗均呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律，在 7、8 月達到峰值。雖然屏蔽門系統(tǒng)有效降低了空氣處理機組的運行能耗，但由于與隧道區(qū)間的空氣分隔，明顯增加了排風機組的能耗。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而相加的近似法對一期各車站建筑進行模擬分析的方法。軟件模擬結(jié)果相互驗證了在車站能耗中，照明與風機的能耗權(quán)重占比較，接近平均 30%；其次為設備用能和制冷能耗，分別約占20% 左右。

從數(shù)據(jù)分析上來看，模擬計算峰值負荷數(shù)值與設計計算值接近，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置），選用 LED 節(jié)能性燈具。同時配合自動感應控制，單獨照明系統(tǒng)的節(jié)能表現(xiàn)對比基本節(jié)能要求可達到 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，在考慮設計規(guī)范要求衡上 , 空調(diào)系統(tǒng)送風溫差的設定應相對略微提，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。合理適度地提送風溫差，盡可能地降低送風量，降低系統(tǒng)能耗的上限值是從根本上提能效的手段。站臺通風空調(diào)系統(tǒng)的設計是考慮滿足運行期間客流量條件下的需求，但實際運營過程中客流量往往不會達到設計值狀態(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，可以使風機風量平均減少 30%，其功率耗能減少 45%。

在采用有效空調(diào)設備的同時，實行風水聯(lián)調(diào)的控制手段也是降低空調(diào)能耗重要策略。車站通風空調(diào)系統(tǒng)形式復雜，一者是設備較多，再者設備之間相互關(guān)聯(lián)交叉，系統(tǒng)獨立控制難以實現(xiàn)設計預期。

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

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

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)標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務的平臺。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和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務。

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、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，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)各設備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進行日報、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、科學化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結(jié)合起來，運用的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進行離線生產(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

◆預付費管理

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、儀表及默認參數(shù)進行配置；

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

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、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格式導出。

預付費看板

◆充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、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)策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節(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、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(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，指導企業(yè)實現(xiàn)及時的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。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空調(diào)的節(jié)能，是地鐵節(jié)能實施的要點。實際了解車站具體的環(huán)境因素，確定合理的室內(nèi)設計參數(shù)值，是提升能效的重要前提。在采用節(jié)能設備的同時，各系統(tǒng)根據(jù)情況變化相應地調(diào)節(jié)其運行狀況，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 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

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