城市轨道交通创新技术推广项目简介
城市轨道交通创新技术推广项目的推出起源于2006年7月19日住建部“城市轨道交通关键技术研讨会”会议纪要（建会（2006）8号），会议提出要总结我国城市轨道交通发展的成功经验，推广已取得成效的创新技术及先进工艺工法。
中国土木工程学会轨道交通分会自2006年起每年开展创新推广技术征集，并进行评选。截止目前，共发布178项城市轨道交通创新推广技术及项目。
本次从2021年2月份开始征集，共收到59项，经专家评审，共评出了“轨道交通数字勘察关键技术的研究及应用”等20项技术类项目和“青岛市地铁8号线工程北段”等8项工程类项目为城市轨道交通技术创新推广项目，在全国轨道交通建设中予以推广。其中 8项工程类技术创新项目同时作为詹天佑奖轨道交通类申报入库项目。
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地铁通风空调全链路智能联动
节能控制系统应用
完成单位：
浙江浙大中控信息技术有限公司
杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司
主要完成人：
陈佳伟、付国平、刘卫红、杨瀚栋、何顺纲、楼锦华、龚程杰、赵 峰、陶可可、汪晓璞
主要技术特点描述
1.1国内外技术发展现状
地铁作为城市公共交通的大动脉，对国民经济发展起着重要的促进作用，同时也是耗电大户。其中环控通风空调系统耗电约占30%～40%左右，因此通风空调系统的节能显得尤为重要。在工程设计时，通风空调系统的设备容量一般按地铁运行远期最大负荷需求进行选择，并预留一定的设计余量；然而在设备实际运行过程中，空调负荷往往达不到最大负荷，甚至会小很多，存在较大的富余量，若通风空调系统按设计容量长期运行，势必会造成很大的能源浪费。目前，国内绝大部分地铁线路只对水系统单独引入了节能调控技术，与末端风系统冷量需求脱节，冷量无法按需供给造成浪费。因车站通风空调系统中的风系统与水系统是一对耦合系统，它们的良好匹配是实现节能的重要保障。采取行之有效的风系统与水系统协调控制策略，在保障地铁环境质量的同时，有效降低地铁车站空调通风系统的运行能耗。
针对地铁车站这一特殊场所，美国运输部结合ASHRAE的热舒适实验结果，提出相对热指标RWI（Relative Warmth Index），评价地铁环境的热舒适度及确定地铁车站和列车空调的设计参数，优化站内通风空调系统控制逻辑。
国内地铁目前国内绝大部分地铁公司都开始展开针对地铁站通风空调节能技术方面研究。广州、深圳地铁在试点验证结束的情况开启大规模智能环控系统实施应用；苏州地铁新线全线推广通风空调节能系统风水联动技术应用；上海、石家庄、成都、青岛、郑州等地陆续开始通风空调系统数据搜集及节能技术的应用验证……
1.2关键技术内容及技术路线
1.2.1关键技术内容
在设备选型固定的情况下，实现地铁通风空调系统节能降耗主要方式在于对系统设备的合理调控。本项目地铁通风空调节能控制系统引入全链路智能联动控制技术，对通风空调系统从末端站内负荷与冷冻水热交换到冷却塔把热量散发至室外空气中全部环节进行统一调控，最大程度上提升系统的整体能效水平，降低系统能耗，从而达到节能目的。
本项目车站级节能控制系统包含节能工作站和节能控制器，通过车站原有环境与设备监控系统（BAS）进行数据采集与指令下发，实现对通风控设备、现场环境的监控。系统具备接口支持广、数据接入量大、扩展便利、投资小、实施难度低等优势。系统可根据需要将数据上送至中心节能系统，对全线通风空调数据进行汇总分析，优化车站级控制系统模型。
（1）本项目通风空调节能控制系统采用全链路联动控制技术，协调通风系统与空调水系统之间冷量平衡，避免出现冷量供大于求或供不应求等情况，使末端负荷与冷量供应相匹配，做到按需供冷。核心是根据预期负荷确定合适的冷冻出水温度及空调送风温度，结合冷冻水到末端作用延时，提前调整冷量输出，减少控制滞后，提高系统整体能效。系统根据送回风温差及室内温度露点调整送风温度，避免结露；根据混风露点满足湿度要求的前提下尽量提高出水温度，优化系统效率。
（2）本项目通风空调节能控制系统采用负荷预测技术，节能控制系统将历史信息传输给负荷预测功能模块，由负荷预测功能模块结合历史信息和实测信息(实测数据)计算并输出预测负荷值。控制器根据预测负荷值提前发出控制指令，对设备进行提前控制。使系统提供的冷量与负荷需求的冷量相匹配，最大限度地减小偏差。
①车站空调通风大系统控制模型具有大干扰、高度非线性、不确定性、大滞后的特性。控制模型单纯采用反馈控制,容易造成振荡。节能控制系统通过采用基于负荷预测的前馈控制环节,改变风机运行模式,提高通风空调系统运行方式与环境负荷变化最大程度匹配,实现节能运行。
②节能控制系统将实测数据传输至负荷预测功能块进行负荷预测，并将实测数据传输给基础数据库进行存储作为下次一负荷预测的历史数据。
③根据反馈的实测负荷(车站实际负荷量)对预测负荷值进行修正，依次循环,在线滚动运行。预测控制的滚动优化和反馈校正始终建立在实际控制过程的基础上，能够有效地克服控制系统中模型不精确、非线性和时变等不确定性的影响。
（3）本项目通风空调节能控制系统具备冷水主机优化控制功能。系统根据室外新风温湿度等参数进行负荷预判断， 冷水机组的加、减载由节能控制系统根据冷负荷的变化进行控制。系统结合各台机组的能效分布情况，来确定当前负荷率下，出水温度等参数的最佳值，或确定当前负荷率下，应选择那一台或那几台冷水机组运行，以实现最佳节能控制。当冷冻供回水温差变化为正向趋势，预测负荷大于当前单台机组最大制冷量时，增开一台能效高的机组；当温差变化为反向趋势，剩余机组制冷量能满足预测负荷需求，则卸载能效较低的机组。在对机组进行加减载控制同时，系统可根据现场实际情况自定义设置启停机保护最小时间间隔，减小对机组的冲击保障机组使用寿命。
系统根据以往实例建立以冷凝温度变化曲线记录冷却水工况、主机负荷率、主机COP数据的三维模型，根据模型选取目标高效区，再考虑整个系统能耗最低，对现场设备调整影响最小等因素寻取最优控制工艺参数，下发给车站各设备进行调控。该工艺还考虑到设备状态、整体COP、能耗值、冷量负荷预测、以及外部天气气温湿度等变化预测因素进行择优。实际方案根据现场实际情况作参数调整。
（4）本项目通风空调节能控制系统采用风系统模式优化及变送风温度、变冷冻出水温度、冷却水回水温度优化等技术。
系统根据室内外温湿度、CO2、焓值等情况动态调整通风模式，如小新风、全新风、全回风，单送单排等多种模式，全年适用。
空调季工况下系统根据送回风温差及室温露点调整送风温度，避免结露及冷量浪费。
系统结合室外温湿度及站内实际负，改变主机冷冻出水温度，提高机组COP。
在满足机房整体能效的情况下，系统优先调整冷却塔投入数量，频率，使冷却回水温度逼近室外湿球温度，优化冷却回水温度，提高散热效率。
正常情况冷却泵变频实现定温差控制，△T＝△Ts f(𝑇_𝑊 ，𝑇_qh )，△Ts为控制温差初设定值（5℃）， tw为大气湿球温度，t2为冷凝器进水温度或塔进水温度；低负荷时当供回水温差满足冷却塔散热冷量前提下，适当增大温差，如过渡季早晚及夜间。
1.2.2技术路线
第一步，梳理典型地铁车站通风空调系统存在问题，可划分为调控问题和设备问题。设备问题主要体现为冷水机组、冷冻冷却泵的设备选型，如多采用普通螺杆机，低负荷区间效率低，冷机制冷量与远期负荷不匹配；水处理仪净水效果不明显，管路结垢、热交换效率低；水泵功率、流量与冷机最低流量、管路管径不匹配。调控问题主要集中在风系统、水系统独立控制冷量输送、末端分配不平衡，风水调节不联动，环境目标温度控制不稳定，冷却塔散热效率低，冷却回水温度高，冷机冷凝负荷高效率低，供水温度保持唯一设定值，主机启动台数不合理，制冷效率低等。
第二步，针对存在问题制定解决方案，硬件设备性能问题通过改造或增加硬件方式解决，调控问题联合业主、设计、用户结合系统工艺共同探讨优化调控方式，并将其转化为实际理论成果。
第三步，制定可行的节能改造方案，并根据前序工作设计针对性的节能控制系统，并在典型站应用实施。
第四步，系统应用后跟踪系统运行情况与调控效果，对之前问题进行跟进，通过与既有模式的交叉对比，调取系统数据记录，分析问题解决情况、系统整体能效提升情况、节能效果等。
第五步，评价系统应用后效果，包括问题解决情况，整体能效提升情况，节能效果。达到预期效果后进行新线或全线推广应用。
1.3在环保、节能、创新方面的指标
地铁站通风空调系统在全链路智能联动节能控制系统应用后保证站厅站台公共区、设备管理用房环境舒适度的情况下，机房能效比不低于5.0，系统能效比不低于3.0。
1.4主要技术特点和创新点
1.4.1全链路联动调控
从全系统能效层面协调通风系统与空调水系统之间冷量平衡，避免出现冷量供大于求或供不应求等情况，使末端负荷与冷量供应相匹配，做到按需供冷。
1.4.2负荷预测
将历史信息传输给负荷预测功能模块，由负荷预测功能模块结合历史信息和实测信息(实测数据)计算并输出系统预测负荷值，根据预期负荷确定合适的冷冻出水温度及空调送风温度，控制器根据预设定值值提前发出控制指令，对设备进行提前控制。结合冷冻水到末端作用延时，提前调整冷量输出，减少控制滞后，提高全系统能效。
1.4.3可变能耗识别辅助运维
实时监控系统耗能设备用能，匹配设备的运行模式及运行规律，智能分析能耗变化趋势与设备运行规律，当能耗趋势异常时如相同频率下电机电流变大，则主动提示对电机进行检修维护，保证系统设备高效运行，从管理角度间接节能。
1.5技术成果评价、取得专利、是否
编制技术规范标准等情况说明
软件著作权登记一项:中控智慧节能控制系统 SECS V1.0；
专利一项：《一种应用于能源管理系统中可节能设备的自动判断方法》-已受理。
成果应用情况说明
2.1使用效果评价
地铁通风空调全链路智能联动节能控制系统首次应用在杭州地铁2号线飞虹路地铁站通风空调系统节能改造试点中。应用前车站通风空调系统大系统+水系统空调季日均能耗在2100千瓦时左右，系统能效2.3，机房能效3.8。节能控制系统应用后在保证车站环境舒适度的情况下，大系统+水系统空调季日均能耗1600千瓦时，系统能效提升至3.3，机房能效提升至5.4，超过高效机房5.0标准，节能效果显著，能效提升明显。
2.2市场需求分析
地铁站通风空调系统单站年均耗电量在百万千万时，节能潜力巨大，全国有轨道交通规划的城市除乌鲁木齐、哈尔滨、呼和浩特、沈阳、大连等部分之外，其余城市皆有进行通风空调节能技术研究应用计划或正在实施。其中杭州地铁三期及后续新线全部引入通风空调节能控制系统；广州地铁十三五10条线134座车站均采用智能环控系统（通风空调，下同）；深圳地铁4条新线89座车站采用智能环控系统；成都地铁四期9条线126座车站将采用引入通风空调节能控制技术；宁波地铁5、6号线共40座车站已引入通风空调节能控制系统；南宁、青岛、无锡、苏州、石家庄、西安等地已进行通风空调节能改造或新线全线引入节能控制系统。
整体而言，在地铁车站应用通风空调节能控制系统、技术已成为轨道交通行业的必然趋势。
2.3与同类产品或技术的竞争力分析，成果产业化
前景分析与国内同类产品相比具有如下技术优势：
目前国内地铁通风空调系统局部节能控制系统已相对成熟，主要体现在冷水机房群控方面，涉及厂家有汇通华城、福加自动化等，机房设备多直接接入群控系统，以提高空调系统冷源供应端机房能效为主，不涉及末端风系统负荷调节。
地铁通风空调全链路智能联动节能控制系统即中控智慧节能控制系统已实现产品化并进行应用。
中控智慧节能控制系统支持多种监控方式，可直接将通风空调系统设备接入降低系统复杂度；亦可通过环境与设备监控系统（BAS）采集系统、环境数据，转发设备控制命令，从而减少控制系统重复设置降低实施、改造成本。
中控智慧节能控制系统开放互联程度高，支持多系统互联及数据接入，可实现车站客流、屏蔽门、气象等数据信息获取，进一步分析空调能耗关联因素，提升控制效果。
地铁通风空调全链路智能联动节能控制系统支持冷源端水系统至末端系统的全链路优化调控，最大程度上实现冷量供应与末端负荷的全链路匹配，提高通风空调全系统的效率，从而降低系统整体能耗达到节能目的。
地铁通风空调全链路智能联动节能控制系统涵盖冷量输送管路压损优化、压差优化、变出水温度、冷却回水温度优化、双蒸发冷机组控制优化、负荷预测、末端通风模式优化、变露点温度控制等针对轨道交通通风空调系统设计的关键性调控技术，并经历过大量实际项目验证，进一步保证了通风空调系统整体的节能降耗效果。
截止目前地铁通风空调全链路智能联动节能控制系统已成功应用于杭州地铁2号线飞虹路通风空调节能改造试点、杭州地铁1号线三期、杭州地铁5号线全线、杭州地铁6号线全线车站。后续将应用于杭州地铁8号线、9号线、4号线二期、杭绍城际等线路。
经济效益和社会效益评价
相对于传统地铁通风空调控制技术，地铁通风空调全链路智能联动节能控制系统可节省20%以上的电能消耗。参照杭州地铁2号线飞虹路站通风空调节能改造试点实际运行数据，空调季空调季、过渡季大系统+水系统综合节能率在25-43%之间，日节电量在600-800度；通风季综合节能率58%，日节电量约270度；单站年节电量约15万度左右。
按杭州地铁2号线33个车站计算，应用地铁通风空调全链路智能联动节能控制系统后，全线每年可节约用电495万度，按地铁运营电价0.71元/kW.h计算，折合减少电费支出351万元，减少碳排放493.5顿。
（消息由城市轨道交通网CCRM综合整合，文章来源于中国土木工程学会轨道交通分会，涉及版权请联系删除，如有转载请标明出处）
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