张涛 苏向阳 陈林根

[摘    要]文章以地铁常规机电系统为基础，疏理城市轨道交通在运营过程中的能源消耗，其中地铁机电设备在地铁运营中的能源消耗的比重很大，随着科学技术的发展，研究通风空调专业中使用节能设备、节能材料、节能技术和运转工况的转变和配合实现节能，动力照明专业中实现灯源的定时控制、模式控制和调光功能，节约电能，减少人力物力投入，并分析了节能技术的应用情况及对起到的经济和社会效益，以此做启发，对未来节能技术进行了展望。

[关键词]轨道交通;通风与空调;节能;研究;应用

[中圖分类号]TD40 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）04–00–04

Research and Application of Conventional Electromechanical

Energy-saving Technology in Subway

Zhang Tao，Su Xiang-yang，Chen Lin-gen

[Abstract]Based on the conventional electromechanical system of the subway， this paper sorts out the energy consumption of urban rail transit in the operation process. Among them， the subway electromechanical equipment accounts for a large proportion of the energy consumption in the operation of the subway. With the development of science and technology， research on ventilation and air conditioning major The transformation and cooperation of energy-saving equipment， energy-saving materials， energy-saving technologies and operating conditions are used to realize energy saving. In the power lighting specialty， the timing control， mode control and dimming functions of the light source are realized， which saves electric energy and reduces the input of manpower and material resources. The application of energy-saving technology and its economic and social benefits are inspired， and the future energy-saving technology is prospected.

[Keywords]rail transit; ventilation and air conditioning; energy saving; research; application

据交通部统计，截至2020年12月31日，全国（不含港澳台，下同）共有44个城市开通运营城市轨道交通线路233条，运营里程7 545.5 km，车站4 660座，实际开行列车2528万列次。全国主要省会以上城市、直辖市，甚至地级市轨道交通运营里程仍在以每年10 %～20 %的增长率增加。

为维持庞大的轨道交通系统正常运转，每天均要消耗大量的电能。使用节能设备和材料，采用节能技术，不仅可以节约电能，而且能够加快技术创新，推动产业升级换代。

地铁常规机电包括通风与空调、给排水及消防和动力照明3个专业。其中，动力专业提供电能，维持通风与空调设备、给排水设备及照明设备的运行，为乘客提供舒适的乘坐环境，保证各类系统设备正常运转。

1 通风与空调工程节能技术研究与应用

轨道交通系统通风与空调工程大功率用电设备较多，特别是地下车站工程，需要各种类型的通风设备和空调器保证车站的送风、排风和制冷、净化、消毒等，如隧道风机、排热风机、新风机和组合式空调器、柜式空调器等。因此，研究通风与空调工程节能技术对整个车站节约电能，降低运营维护成本有重要意义。轨道交通地下车站通风与空调工程通过大量使用节能设备、节能材料、节能技术和运转工况的转变和配合实现节能。

1.1 节能设备

轨道交通地下车站通风与空调设备通常要求一级能耗设备，如冷水机组、风机、空调器、VRV设备等。有研究表明，一级能耗的空调设备比二级、三级、四级、五级能耗的节能设备分别节能6.25 %、13.33 %、21 %和30.77 %。可见，采用低耗能设备，可节约大量电能，提高车站运营的经济性。

1.2 节能材料

通风与空调工程的送风管道、回风管道、空调器、冷冻水管等均采用高效环保型保温材料进行包裹，减少冷量在传输过程中损失，如使用离心玻璃棉、泡沫玻璃棉等。除采用节能材料，通过空调节能控制技术，实现对通风与空调设备的有效监控和调节，根据末端冷量实现冷冻水泵、空调器的变频运行，也可大大节约电能。

1.3 节能技术

目前地下车站通风与空调工程设计普遍采用节能技术，当今最主流的就是采用变频技术。车站隧道风机、回排风机、排热风机及组合式空调器等大型用电设备均采用变频技术实现软启动、调速和运行。采用变频技术，具有以下3个方面优势。96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C

（1）快速调速功能，根据公式：n=60 f（1-k）/p。其中，n为电动机转速，60为常数，p为极对数，f为电源频率，k为滑差系数）。只要连续平滑改变电能频率f，就可实现通风空调设备的运转速度调整。从而，可根据实际工况需要，通过变频器动态调整设备运转速率，实现电能利用效率最大化，节约电能。

（2）节能：据研究，使用变频器调速比传统的电磁调速可以节电25 %～80 %。具体原理同变频调速功能。

（3）软启动：因使用变频器可以对电机进行平滑调速，故对机械设备没有危害，延长用电设备使用寿命，降低損耗。

1.4 通过运行工况的有效转变和配合实现调速

1.4.1 隧道通风系统

隧道通风系统由隧道风机、组合风阀、区间隧道和相应的风道、风井组成。一个标准地下车站一般设计2组隧道通风系统，配置4台隧道风机，2台为一组，互为备用。为满足隧道区间通风换气要求，隧道风机一般功率很大，能达到70～120 kW，若连续运转将大量消耗电能。为减小隧道风机长时间运转，提高使用寿命，节约电能，通常在排风道上设计并行的活塞通风风道和机械通风风道，通过对设置于活塞通风风道以及机械通风风道上的各个组合风阀的开闭与隧道风机启停的各种组合，构成多种运行模式，满足不同运营工况要求。

在列车运营时段内，隧道风机关闭，机械风道组合风阀连锁关闭，活塞风孔组合风阀和活塞风道风阀打开，依靠列车运行的活塞效应实现隧道区间的通风换气，并达到节约电能的要求。

在列车停运检修时段内，活塞风道组合风阀关闭，隧道风机打开，活塞风孔组合风阀和机械风阀连锁打开。依靠相邻车站隧道风机的相互配合，风阀的启闭实现隧道区间通风换气，如图1所示。

1.4.2 屏蔽门系统与车站隧道排热系统

一般地下地铁车站设计成两层岛式结构，负一层为站厅层，供乘客购票和安检等，负二层为站台层，站台层两侧为轨道，供列车运行，中间地带供乘客上下车、换乘之用。

车站隧道排热系统由排热风机、排风道、排风井、轨顶排热风道和轨底排热风道及相应的组合风阀组成。通常每个车站设计两组隧道排热系统，分别负责半个车站的因列车制动和启动产生的热量排放。

屏蔽门安装于站台层乘客乘车地带与轨道之间，根据列车运营要求实现连锁启闭。地铁列车为大功率用电设备，其进站与出站涉及频繁启停。地铁列车制动和启动均需要产生大量的热量，安装屏蔽门不仅可以保护乘客的安全，大大降低不安全事件发生概率，还可以有效隔绝列车运行热环境，避免冷量损失，节约电能。即有效地把地铁运营的最主要产热源“列车牵引制动产热和列车冷凝器产热”排除在车站站台门之外，降低了的空调负荷。

1.4.3 空调小系统

根据地铁设备管理用房的工艺要求和运营管理要求设置通风空调和防排烟系统，正常运行时为运营管理人员提供舒适的工作环境和为设备正常工作提供必需的运行环境，事故状态时迅速组织排除烟气的系统称为空调小系统。

空调小系统通常由柜式空调器、回排风机、风阀、消声器、管道系统等组成。根据车站大小，设备管理用房分布等一个车站通常涉及若干套空调小系统。空调小系统根据车站内、外的环境温度、湿度等，结合运营要求，按照小新风工况、全新风工况和全通风工况3种模式运行。

当空调季节室外新风的焓值大于室内回风的焓值值时，采用小新风工况，柜式空调器的新风阀打开，回排风机的排风阀关闭，回风阀打开，回风与新风经空调器处理后送入房间;当室外新风焓值值小于室内回风焓值值且大于空调送风点温度时，采用全新风工况，柜式空调器的新风阀打开，回排风机的排风阀打开，回风阀关闭，新风经空调器处理后送入房间;当室外新风的温度小于空调送风点的温度时，采用全通风工况，柜式空调器的新风阀打开，回排风机的排风阀打开，回风阀关闭，室外新风不经冷却处理利用空调器直接送入房间，如图2所示。

1.5 通过系统联动控制实现节能

近年来，随着数字科技的发展和各类变送器监测精度的提高，空调节能控制系统技术在越来越多的地铁车站中应用。以将原来相对孤立的空调水系统、风系统、备用空调系统联系在一起，在满足运营要求的前提下，通过设定相应的算法控制，控制各项大型用电设备的变频运行或启停，实现风、水系统的协同与联动，节约电能。

空调节能控制系统按照系统类别可分为水系统节能控制方案、大系统节能控制方案、小系统节能控制方案等。

1.5.1 水系统节能控制方案

水系统节能控制方案涉及的设备包括冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵等。

冷水机组是大功率用电设备，对其进行节能控制具有重要经济意义。冷水机组节能控制包括使用空调节能控制系统控制冷水机组的停机、开机和间歇运行，自动监测和设定冷水机组的出水温度及触发冷水机组的低温保护功能。在冷冻水供回水回路中，通过在回水主管上设置热量表，在供回水主管上设置温度变送器，采集供回水温度信息，反馈给节能控制系统计算预测末端空调系统的冷负荷。当预测冷负荷大于冷水机组开机最低负荷时，冷水机组开机，反之则停机。

空调节能控制系统可根据末端空调系统冷负荷的变化，自动计算空调系统当前需求的总负荷，并参照历史记录，自动选择投入运行的冷水机组台数，确保冷水机组在较高的效率区间持续运行;并优化冷冻水和冷却水的配送方案，自动调节冷冻水流量和冷却水流量，降低输送能耗。

冷冻水泵给冷冻水系统提供动力和压差，维持冷冻水在系统内的流动，实现降温的目的。空调节能控制系统自动跟踪监测末端空调冷负荷，通过控制算法调节冷冻水泵运行频率，使冷冻水跟随末端冷负荷的变化而进行动态调节，自适应地调整冷冻水的运行参数，从而最大限度地降低冷冻水系统的运行能耗。

室外温湿度变送器采集室外温湿度信息，通过空调节能控制系统确定冷却塔目标出水温度，根据冷却塔目标出水温度与实际出水温度的差值，空调节能控制系统将冷却塔划分为4挡运行：一挡（低速+关闭），二挡（高速+关闭），三挡（低速+低速），四挡（高速+高速），从而大大节约电能。96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C

1.5.2 大系统节能控制系统

空调节能控制系统通过对大系统各种工艺参数及设备运行参数的采集，设定相应的控制算法，根据末端负荷特性及历史负荷数据等，预测“未来时刻”系统的负荷，从而确定组合式空调机组、回排风机和小新风机的最佳运行参数，在保证公共区运营环境的前提下，最大限度地降低系统运行能耗。组合式空调机组、回排风机、小新风机均为变频运行，最大运行频率为50 Hz，最小运行频率为25 Hz（具体可设定）。

（1）小新风空调运行工况。开启水系统各设备，开启组合式空调机组、回排风机和小新风机，大系统只回风不排风。

（2）全新风空调运行工况。开启水系统各设备、开启组合式空调机组，关闭小新风机和回排风机，大系统只送风不回/排风。

（3）全通风运行工况。关闭水系统各设备，开启组合式空调机组，关闭小新风机和回排风机，大系统只送风，不回/排风。

2 动力照明工程节能技术研究与应用

车站动力照明系统主要用电设备为灯具，一个标准车站灯具数量众多，一般达到三四千盏。面对如此庞大数量的灯具，如何实现低耗能，易操控，快速定位故障和检修具有重要的经济意义和实用性。

受地下车站自身条件限制和消防疏散要求，各类灯具均需要长时间开启，保障车站正常运营和紧急情况下的逃生疏散，每天都要消耗大量的电能。为了既保证车站正常运营需要，最大限度地节约电能，目前地下车站普采用LED灯具，设计智能照明控制系统，并实现和BAS系统的通信，实现车站灯具的节能和友好调控检测。

LED灯具具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，正在成为主流的光源产品。研究表明，相同照度下，LED光源比传统荧光光源节能57 %，寿命是荧光灯的15～20倍。地下车站推广使用LED光源，可大大节约电能。

智能照明控制系统是通过通信总线，将车站公共区及出入口各类普通照明灯具实现有效连接，在配电箱中集成各类驱动模块，出入口安装光源采集感应器，将传统灯源机械控制转化成车控室实现数字控制和调节，并可实现远程监控和调节的智能系统。

智能照明控制系统由控制主机、控制软件、集控面板、通信总线、感应器和驱动模块等组成。通過软件编程，可实现灯源的定时控制、模式控制和调光功能，节约电能，减少人力物力的投入。

3 结束语

通过以上分析可知，常规机电系统中，通风与空调系统设备为主要用电设备，照明系统灯具也是地下车站耗能的一个重要因素，给排水及消防系统用电设备主要为潜污泵、消防泵，但其只有在一定条件下启动，耗能较少，不作为分析的重点。目前，变频技术、节能材料和设备、空调节能控制系统和智能照明控制系统已普遍在地铁车站中应用，对节约电能起到重要作用。

参考文献

[1] 地铁设计规范：GB 50157—2013[S].

[2] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50736—2012[S].96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C