地铁站环控系统节能控制研究综述.pdf
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1、2023年9 月第3期(第42 卷总16 4期)制冷1文章编号:ISSN1005-9180(2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 6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)摘要】本文从需求侧和供给侧2 个层面,对地铁站环控系统运行阶段的节能控制技术进行梳理分析,介绍了地铁站环控系统节能控制的研究进展,总结了现有地铁站环控系统节能运行存在的不足,并对地铁站环控系统节能控制的未来发展方向进行了展望,希望能对地铁站环控系统能效提升带来一定的参考价值。关键词地铁站;环控系统;节能控制中图分类号 TB66文献标志码 Adoi:10.3969/J.ISSN.1005
2、-9180.2023.03.001Review on Energy-saving Control of Railway StationEnvironmental Control SystemGUO Jiaojie(ChinaRailwayDesignCorporation)Abstract:This paper analysis the energy-saving control technology of railway station environmental control system formthe demand and supply side,introduces the res
3、earch progress of energy-saving control of railway station environmentalcontrol system,and summarizes the insufficient of existing energy-saving operation of railway station environmentalcontrol system.Finally,the future development direction of energy-saving control of railway station environmental
4、control system is prospected,hoping to bring some reference value to the improvement of energy efficiency of railwaystation environmental control system.Key words:Railway Station;Environmental Control System;Energy Saving Control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
5、来看,当前轨道交通总能耗约站全国总耗电1.7%o,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。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。收稿日期:2 0 2 2-10-7作者简介:郭娇杰(19 9 7.0 5),女,助理工程师,硕士研究生。E-mail:G u o j i a o j i e t j u.e d u.c nREFRIGERATION21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
6、%,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
7、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,
8、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No.3,2023(Vol.42Total No.164)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恰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
9、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
10、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人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?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人温度更低的站台,仍会感到舒适,最后进人到舒适的车厢,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。HanJ8提出,车站内乘客多
11、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2023年9 月第3期(第42 卷总16 4期)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 1指出单纯以RWI静态指标评价车站内的热舒适度存在偏差,因乘客进人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I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
12、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:新回风比优化风
13、系统节能控制变风量控制水泵变频控制局部优化供给侧节能控制风水系统联动优化图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*12.6m(h 人=)、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制冷值,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,室外新风恰值较高,过多的引人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
14、风量,进而减少恰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CO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CO传感器,根据CO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
15、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,现多采用外部输人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出水温度控制的。由此可见,现阶段地铁站风系统的新回风比水系统节能控制冷冻水系统节能优化全局优化冷却水系统节能优化冷源整体效率优化3优化
16、、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。REFRIGERATION42.2.2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
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- 地铁 站环控 系统 节能 控制 研究 综述