1 工程概况

　　兰州地铁1号线东方红广场站通风空调系统共分为两大机组，分别位于车站的东、西两端，编号为A端、B端。东方红广场站通风空调系统按功能划分为通风空调大系统、通风小系统、隧道通风系统。通风大系统主要面向地铁站站口、站厅、站台等环境，为乘客提供良好舒适的环境，同时也直接为站内的机电设备提供散热环境，如扶梯、电梯、照明设备等。通风大系统的设备组成包括新风消毒装置、新风冷却装置、新风机、排风机、风阀集群、管道集群。其系统设计如图1所示。

　　在地铁运营过程中，车站通风大系统的能耗在通风空调系统中占较高比例。影响通风大系统能耗较大的主要因素有2点。首先，地铁在建设过程中，考虑到远期运营需求，其设计指标大于实际运营指标，设备选型的功率参数一般都高于实际需求，能耗过高，造成浪费。其次，在运营管理中，往往采用粗放式管理，未结合车站实际产生的客流数量、室内外温度、空气质量等环境因素对设备进行动态调控，造成空调能耗浪费^[1]。因此，在研究节能策略时，应根据车站在运营阶段的实时数据制订精细化的运营方案，达到节能效果。

　　

　　图1 通风大系统设计  

　　 

　　1.1 通风空调系统设备可调性分析

　　由于东方红广场站的换乘地位及重点设备保障要求，东方红广场站通风空调小系统和隧道通风系统不允许做参数调整以保证设备安全平稳运行，满足换乘站的施工及通风要求。

　　考虑地铁站客流量每时变化及室内外焓值的日性、季节性变化，针对通风空调大系统的设备参数调节保证站内温度满足旅客舒适性要求、新风量要求、面向旅客设备散热要求。

　　通过现场调研及实际设备运转要求沟通，通风空调大系统的可调节设备及可调参数如表1所示。

　　  

　　表1 通风空调大系统设备可调性说明 

　　 

　　 

　　

　　表1 通风空调大系统设备可调性说明

　　1.2 关键高能耗设备

　　通风空调大系统中的能耗可调设备及其运行数据如表2所示。通风空调大系统的高能耗设备可按表1所示进行参数适当调整以降低能耗。

　　2 基于大数据的能耗影响因素分析

　　2.1 数据采集

　　在车站建筑结构确定的情况下，车站通风大系统的能耗基本由冷负荷决定，冷负荷越高，其能耗也越高。车站公共区的冷负荷受多种因素影响，包括室外环境因素、站内客流、灯光、设备发热等^[1]。在运营过程中，环境因素、客流人数等会实时变化，导致冷负荷也会实时变化。因此，在制定节能策略时，首先应获取到车站内外的环境参数数据、设备能耗数据、客流实时数据、屏蔽门开关状态数据等。

　　  

　　表2 通风空调大系统关键高能耗设备 

　　 

　　 

　　

　　表2 通风空调大系统关键高能耗设备

　　环境参数数据包含车站外的大气温度、湿度，车站公共区的温度、湿度、CO₂浓度及隧道内温度、湿度。在东方红广场站的公共区及隧道、风机进风口、出风口布置安装了温湿度传感器、CO₂浓度传感器，通过环境设备监控系统采集数据并存储、分析。

　　设备能耗数据主要包含公共区的电梯、照明设备、闸机等设备能耗，通过电力监控系统采集。

　　客流数据包含车站日累计进站、出站人数，结合屏蔽门开关时间，即可统计出公共区的客流人数。客流系统的数据通过自动售检票系统采集。

　　东方红广场站的综合监控系统连接车站的环境设备监控系统、自动售检票系统、屏蔽门系统、电力监控系统。通过接口开发，以每分钟1次的频率采集并存储车站的客流数据、环境数据、设备能耗数据、屏蔽门运行数据，建立大数据库。在数据积累的基础上，对冷负荷影响因素进行分析，并计算冷负荷值，结合车站运营要求制定节能策略。

　　2.2 客流人数分析

　　通过车站自动售检票系统，采集东方红车站内日累计进站和出站人数。以2019年11月18—24日的进站和出站客流人数为例，统计数据如表3所示。

　　  

　　表3 客流数据统计 

　　 

　　 

　　人次

　　

　　表3 客流数据统计

　　由表3可看出，东方红广场站每日的客流任务进站累计在10 000～12 000人次，出站累计在11 000～15 000人次。东方红广场站设计的远期客流峰值为29 000人次/h，对比发现目前车站运营期的客流远远未达到设计要求，因此计算客流冷负荷时可根据实际客流数据进行计算，达到节能效果。

　　2.3 机电设备负荷分析

　　地铁车站公共区内的主要耗电设备包括照明系统、电梯系统、自动售检票机等，其设备在运行期间消耗电能进行做功，并产生热量影响公共区内温度。车站在运营阶段，由于车站存在早、晚高峰，设备的运行负荷并非一直满负荷运营，在早高峰和晚高峰，由于客流量大，设备运行频率高、负荷大，因此设备能耗也较高、散热量大。本次在统计机电设备的能耗时，通过电能监测系统PQSS采集照明系统、电梯系统、自动售检票设备的能耗数据，根据能耗动态变化进行冷负荷计算。

　　2.4 屏蔽门负荷分析

　　屏蔽门系统是一种新型的环境控制系统。当列车靠站时，屏蔽门打开，站台层和隧道之间空气交换，对公共区的温度和湿度产生影响。车站在运营过程中，屏蔽门的状态存在3种情况:(1)上行和下行屏蔽门均关闭，此时屏蔽门的冷负荷只与渗透风量有关;(2)上行或下行屏蔽门单独开启，此时屏蔽门的冷负荷与渗透风量和屏蔽门开启后的进风量有关;(3)当上行和下行屏蔽门均开启时，屏蔽门冷负荷与进风量有关。

　　计算屏蔽门的冷负荷需采集以下数据信息:(1)获取屏蔽门开启后隧道内活塞风的风速信息;(2)计算屏蔽门的漏风量。漏风量主要与屏蔽门面积有关。

　　3 冷负荷模型构建

　　本节将根据从综合监控系统采集到的数据，建立冷负荷分析、计算模型，为通风空调系统节能策略的制定提供支撑。根据第2节分析，车站的冷负荷包含客流冷负荷、屏蔽门冷负荷、设备冷负荷。因此，车站的传热量公式为:

　　

　　 

　　3.1 客流冷负荷模型

　　DB 11995—2013《城市轨道交通工程设计规范》中地铁车站公共区人员负荷量的计算公式为:

　　

　　 

　　式中:Q为车站人员散热量(k W);q为站台人员散热指标(W/人)，一般取值为182W/人;n_max为站台高峰客流量;n'为群集系数，一般取值为0.9^[2];m为客流密度系数;T为每位乘客在公共区停留时间(min)。

　　式(2)根据站台高峰期客流人数和客流密度值来计算客流人数，由于客流密度值采用经验指数，因此与车站内实际客流人数存在误差。为了更精确地计算客流冷负荷，通过采集车站实时客流数据值来计算公共区客流人数。对客流冷负荷计算公式进行优化，公式如下:

　　

　　 

　　式中:n为公共区的实际人数(人)。

　　公共区的实际人数根据屏蔽门开关时间和采集的进站、出站人数建立数学模型统计分析计算。其计算过程如下。

　　在T₀时刻，地铁进站，在T₁时刻下趟地铁进站，在T₀时刻日累计进站人数用变量num_jz0表示，日累计出站人数用变量num_cz0表示。在T₀～T₁某一时刻t，此时车站日累计进站人数用变量num_Jz1表示，日累计出站人数用变量num_Cz1表示。

　　在T₀～T₁某一时刻t，任意时刻公共区的累计候车总人数为:

　　

　　 

　　当t取值为T₁时，公共区的候车人数达到最大。

　　根据式(4)和实时采集到的数据，获取到公共区某日内客流累计人数情况。由客流人数变化曲线得出以下结论:(1)车站公共区的客流人数高峰期最大在1 000人次;(2)在车站运营中，客流人数呈周期变化，采用积分求和方式即可求得1个周期内的客流冷负荷。

　　3.2 机电设备冷负荷模型

　　机电设备运行过程中设备散热会对公共区的温度产生影响^[3,4]。由能量守恒定律可得出部分电能以热量形式转换，因此以设备实际消耗的电能计算冷负荷。电能转换为热能的公式为:

　　

　　 

　　式中:Q为冷负荷(k J);w为消耗的电能(k W·h),1k W·h=3 600k J;η为电能与热能转换的比例，取值为50%。

　　通过大数据采集平台可获取照明系统消耗电能数据，由照明系统能耗数据统计分析，照明系统每分钟最大能耗为2k W·h，最小能耗为0.5k W·h，每分钟平均能耗约为1.25k W·h。在1个行车间隔内(10min)，消耗电能12.5k W·h，则照明系统的冷负荷为:Q (照明)=3 600k J×12.5×0.5=22 500k J。由垂直电梯、自动扶梯、自动检票机、闸机等机电设备的实时能耗数据分析，每分钟平均能耗约为0.5k W·h。在1个行车间隔内(10min)，消耗电能5k W·h，则机电设备的冷负荷为:Q(机电设备)=3 600k J×5×0.5=9 000k J。

　　因此，在运营过程中设备散热产生的冷负荷为31 500k J。

　　3.3 屏蔽门冷负荷模型

　　屏蔽门冷负荷包括屏蔽门导热负荷和渗透风冷负荷^[5]。

　　3.3.1 屏蔽门导热负荷

　　屏蔽门导热负荷是由站台和隧道两侧温差、屏蔽门面积和屏蔽门自身导热系数等因素决定。其计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:ΔQ为屏蔽门导热负荷;S为车站屏蔽门面积(m²)，取424m²;T₂为隧道内平均温度;T₁为站台平均温度;K为热传递系数，其受多种因素影响，计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:N₁,N₂为固定参数，分别取值为5.58,7.12;σ为屏蔽门厚度(m)，取0.008m;λ为导热系数，取0.52;V₁为隧道内风速(m/s)，取近似值6.0m/s;V₂为站台内风速(m/s)，取1m/s^[6]。

　　渗透风冷负荷由2部分组成，包括:(1)在屏蔽门关闭时，从活动门和安全门之间的间隙渗入或渗出的风;(2)屏蔽门开启时，外站台和隧道间由于气压不同引起的渗入风和渗出风。计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:ΔQ_s为渗透风引起的总冷负荷;ΔQ_r为屏蔽门关闭时渗透风产生的冷负荷;ΔQ_c为屏蔽门开启时渗透风产生的冷负荷。

　　屏蔽门关闭时的渗透风冷负荷ΔQ_r计算公式为:

　　

　　 

　　式中:c为空气的定压比热容(J/(kg·K))，取1.004J/(kg·K);ρ₀为标准状况下空气密度(kg/m³)，取1.29kg/m³;T₀为0℃的绝对温度(K)，取273.15K;T₁为隧道内的开尔文温度(K);v₁为渗透风体积(m³)^[7];t₁,t₂分别为隧道温度和站台温度(K)。

　　渗透风风量由渗透风的风速和计算渗透风的计算时间决定，其计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:t₂^p为计算的结束时间;t₁^p为计算的起始时间;v_speed为渗透风风速，渗透风风速在计算时，因列车的行驶状态不同，其大小也有所不同。

　　根据车站内实际测算，列车驶入站台时，只有渗入风，渗入风风速为0.583 5m³/s，列车入站产生的活塞效应对计算车站的影响时间为25s。列车驶离站台时，既有渗入站台的渗入风又有渗出站台的渗出风。渗入站台的渗入风风速为0.058 4m³/s，渗出站台的渗出风风速为0.049m³/s，列车驶出车站产生的活塞效应对计算车站的影响时间为4.5s。

　　3.3.2 屏蔽门开启时的渗透风冷负荷ΔQ_c

　　在打开屏蔽门和车门后，由于隧道、列车及站台三者的气压温度有所差异，会产生屏蔽门开启时的渗透风。此时渗透风冷负荷计算公式为:

　　

　　 

　　式中:c为定压比热容(J/(kg·K))，取1.004J/(kg·K);ρ₀为标准状况下空气密度(kg/m³)，取1.29 kg/m³;T₀为0℃时的绝对温度(K)，取273.15K;t₁为隧道内的温度(K);t₂为站台内的温度(K);v₂为渗透风的体积(m³)。

　　渗透风的体积受屏蔽门开启时间和渗透风的风速影响，其计算公式如下:

　　

　　 

　　在列车行进的前端，渗透风向为从隧道流向站台。渗透风风速在单列车入站时取值为23.05m³/s，在双列车进入站台时测量值为46.5m³/s。

　　在列车行进方向的尾端，渗透风向为站台流向隧道。渗透风在单列车入站时取值为25.43m³/s，在对向双列车入站时测量为59.5m³/s。

　　对东方红广场站车站屏蔽门的冷负荷计算如图2所示。

　　由图2分析可得出东方红广场站的屏蔽门冷负荷最多在250k J，对车站内温度影响较小。

　　4 能耗优化策略

　　4.1 冷负荷与风速关系

　　车站公共区温度调节主要通过空气的流动达到能量交换的目的。当空气流动带走的能量约等于冷负荷需求值时，能保证空气温度保持在体感舒适范围内。冷负荷与风机风量的关系可用如下关系式表示:

　　

　　图2 屏蔽门冷负荷  

　　 

　　

　　 

　　式中:ΔT₁为进风口与公共区温差;v为风机风速;t为送风时间;c为空气比热容;ρ为空气密度;ΔT₂为预期温度与公共区温度均值温差;V_车站为地铁站体积。

　　

　　 

　　Q(冷负荷)=Q(客流)+Q(机电设备)+Q(屏蔽门)=

　　

　　 

　　将冷负荷的计算公式带入式(15)，即可获得为满足车站制冷需求送风机和排风机的风速要求。

　　4.2 通风空调系统能耗优化策略构建

　　东方红广场站夏季直接蒸发冷却系统机组的出风口温度为18℃，兰州夏季最高平均气温为31℃，空气密度取值为1.29kg/m³。根据地铁通风空调设计标准，车站需维持低于室外温度3℃。因此以室内维持28℃为例，则车站进风口与室内温差为10℃，预期温差为3℃。结合车站的客流数据即可求出车站送风机、排风机的风机频率随时间变化曲线图。

　　由送风机与排风机频率变化曲线可看出，在夏季，送风机以8Hz、排风机以10Hz频率运行，可满足车站冷负荷需求。根据调研，在实际运营过程中，车站的排风机和送风机均以30Hz频率恒定运行，造成事实上能耗浪费。由表2可得出风机设备在运转时为保护设备安全，最低运行频率为20Hz。因此，现场可在空调季将送风机和排风机的运行频率调节为20Hz，该频率能实现节能降耗效果，具有较大的社会、经济效益(见表4)。

　　  

　　表4 风机运行频率要求 

　　 

　　 

　　Hz

　　

　　表4 风机运行频率要求