智慧能耗管理在城市軌道交通中的應用

摘 要:為響應國家雙碳戰略，文章首先分析城市軌道交通車站能耗管控現狀、環境特點和技術不足，針對車站內傳統的能耗統計管理存在周期長、人力物力耗費大、風水系統無智能化聯動，電表、水表出現故障時不能及時發現和處理等問題，研究并提出車站智慧能耗管理系統架構、網絡架構和功能架構，通過該系統可對車站水、氣、電、熱等多種能源進行智能化分析和管理。運用針對性節能管理、監測數據采集、聯動系統控制等策略，在提升車站智慧化水平的同時實現車站節能增效，為城市軌道交通智慧運營提供智能化決策。特別是在疫情防控常態化形勢下，車站設備使用強度和頻率呈現不規律性，該管理系統可更有效的助力城市軌道交通低碳、智能運行。

關鍵詞:城市軌道交通;雙碳戰略;能耗管理;節能

1 、背景

隨著城市軌道交通線網規模的擴大，其能源消耗也日益增加。車站作為城市軌道交通系統的“單元"，能耗管理效應的發揮主要從“車站"人手。同時，為助推國家雙碳戰略目標實施，文章結合《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》及應用需求，以能耗管理智能化為主線，研究節能降耗關鍵技術，搭建車站能耗管理系統。

通常情況下，車站內空調系統(大系統和空調水系統)能耗占整個車站常規用電的 50%以上，尤其在制冷季節，甚至達到 60%~80%。在前期設計階段，空調系統均需要按照城市軌道交通運營的大負荷進行設計，并預留一定的余量。而在實際運營過程中，空調系統運行在較大負荷水平的時間占比通常不到全部時間的20%，采用常規控制策略存在較大的能源浪費[司。傳統的能耗統計管理方法無法實現車站電梯系統、照明系統、環控設備、屏蔽門系統、自動售檢票系統、消防設備等的用電量檢測以及車站主供水管路、衛生間供水管路及冷卻塔供水管路等的用水量檢測。近年來，各地城市軌道交通運營企業開展了各類節能技術的產品應用，如變頻空調技術、LED 照明技術、空調溫度智能調節技術、高頻輔逆技術、空氣凈化技術、中壓能饋設備等，以此達到節能降耗的目的。部分車站在現場加裝智能電表和水表，通過遠程通信實現與能耗管理系統后臺的對接，并對車站內用電、用水量進行統計分析，以輔助實現節能控制。這些舉措雖然提高了車站對各專業能源使用的監視效率，但各專業能耗管理相對分散、獨立，尚未深人開展對各專業的綜合能耗管控研究，車站能源消耗的智能化分析和管理水平仍存在不足。因此，本文將深人分析車站能耗研究現狀，研究城市軌道交通能耗管理系統架構及針對性的能耗管理策略，實現對車站水、氣、電、熱等多種的綜合分析，在提升車站智慧化水平的同時實現車站節能增效。

2、車站能耗現狀分析

2.1 能耗管理需求

城市軌道交通車站內傳統的能耗統計管理存在周期長，風水系統無智能化聯動，電表、水表出現故障時不能及時發現和處理等缺陷與不足，影響車站運營安全。在人工抄表情況下存在人工出錯、數據重復統計修正、無法實時統計、上報數據的情況，造成人力物力資源浪費。冷卻水與風機目前為定時任務模式，存在能耗進一步優化空間。因此，迫切需要一套智慧能耗管理系統，實現各類能源的節能管理與管控，對風、水、電及其他能源消耗進行實時監控，對能源消耗規律及趨勢進行分析并提供數據支撐，以制定科學合理的節能策略。

2.2 站點環境特點分析

(1)站內熱源常年存在。城市軌道交通地下建筑受室外氣象條件影響較小，而地下車站內部存在顯著的內熱源，具有較大的熱源屬性，常年的冷負荷較高。

(2)空調負荷波動較大。車站空調通風負荷的設計標準通常長達 20~30年。隨著城市發展、沿線人口增長、換乘站點增多后，客流量將出現顯著變化，最初的空調負荷設計和控制方案往往隨著運營時間的推移而日趨不合理。同時，車站空調負荷也具有周期性變化和突發波動并存的特性。采用定流量、定風量的控制策略不合理，并且易造成一定的能耗浪費。

(3)通風要求高。高峰時段車站內高度密集的人群會釋放出大量的異味和二氧化碳。由于車站作為長期固定建筑，因地層的蓄熱作用，自運營初期起城市軌道交通系統內部的溫度會逐年升高。若未能及時排出熱量，會增加城市軌道交通系統的遠期熱負荷，增加空調系統能耗。

2.3 現有控制技術缺陷

(1)冷源系統運行與風系統舒適度脫節。站內不同區域對空調的需求量各不相同，而且隨著人流量、季節、天氣、時間等因素的變化，空調的負荷需求也動態變化。常規的冷源群控系統與風控系統一般獨立設計、獨立運行，水系統與風系統的運行信息沒有互通互聯。供應側的運行無法參考需求側的信息，系統一定程度上處于“盲控"狀態，人工或常規的群控策略不可避免地造成冷/熱量的過供應，造成一定能源浪費，末端服務質量也難以持續保證。

(2)未采用有效的變流量控制。暖通水系統設計通常是針對設計日工況(即末端負荷較大的工況)進行系統管路和動力設備的選型配置。而設計日工況的運行時間，在空調系統全年運行的時間占比不到 20%，大部分時段系統都處于部分負荷，系統水流量有較大富余，存在一定的能源浪費。此外，當前一次泵和冷卻水泵以工頻方式運行也存在大量能源耗費。即使采用基于壓差的變頻控制策略，也僅考慮到管路壓力信息，沒有考慮末端負荷需求情況，水泵的頻率控制存在一定盲目性。

(3)系統工況復雜，節能難度高。站內風水系統涉及冷主機、冷凍循環泵、冷卻循環泵、冷卻塔以及多臺風機設備，實際運行環境下的設備運行組合表現為空調系統的運行能耗。常規的群控系統不能實時提供所需的決策支持信息，實際運行過程中也未對上述信息進行粗略匯總。因此，有必要采用更加智能的風水聯動智能控制單元，全時段、全自動地對空調系統運行進行優化。

(4)設備運行維護缺乏決策支持系統。車站空調系統每年的設備維保費用超過年能耗成本的10%，設備維保直接關系到系統的能效水平和穩定運行。對于冷水主機、組合式空調箱等設備，投資大且維護成本高，沒有制定相應的設備維保策略。因此，有必要通過性能檢測跟蹤技術，實時檢測設備性能變化，對異常的性能衰減給出提示信息并針對性給出維護建議。

系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

8、系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

8.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

8.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。