智慧能耗管理在城市轨道交通中的应用

摘 要:为响应国家双碳战略，文章首先分析城市轨道交通车站能耗管控现状、环境特点和技术不足，针对车站内传统的能耗统计管理存在周期长、人力物力耗费大、风水系统无智能化联动，电表、水表出现故障时不能及时发现和处理等问题，研究并提出车站智慧能耗管理系统架构、网络架构和功能架构，通过该系统可对车站水、气、电、热等多种能源进行智能化分析和管理。运用针对性节能管理、监测数据采集、联动系统控制等策略，在提升车站智慧化水平的同时实现车站节能增效，为城市轨道交通智慧运营提供智能化决策。特别是在疫情防控常态化形势下，车站设备使用强度和频率呈现不规律性，该管理系统可更有效的助力城市轨道交通低碳、智能运行。

关键词:城市轨道交通;双碳战略;能耗管理;节能

1 、背景

随着城市轨道交通线网规模的扩大，其能源消耗也日益增加。车站作为城市轨道交通系统的“单元"，能耗管理效应的发挥主要从“车站"人手。同时，为助推国家双碳战略目标实施，文章结合《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》及应用需求，以能耗管理智能化为主线，研究节能降耗关键技术，搭建车站能耗管理系统。

通常情况下，车站内空调系统(大系统和空调水系统)能耗占整个车站常规用电的 50%以上，尤其在制冷季节，甚至达到 60%~80%。在前期设计阶段，空调系统均需要按照城市轨道交通运营的大负荷进行设计，并预留一定的余量。而在实际运营过程中，空调系统运行在较大负荷水平的时间占比通常不到全部时间的20%，采用常规控制策略存在较大的能源浪费[司。传统的能耗统计管理方法无法实现车站电梯系统、照明系统、环控设备、屏蔽门系统、自动售检票系统、消防设备等的用电量检测以及车站主供水管路、卫生间供水管路及冷却塔供水管路等的用水量检测。近年来，各地城市轨道交通运营企业开展了各类节能技术的产品应用，如变频空调技术、LED 照明技术、空调温度智能调节技术、高频辅逆技术、空气净化技术、中压能馈设备等，以此达到节能降耗的目的。部分车站在现场加装智能电表和水表，通过远程通信实现与能耗管理系统后台的对接，并对车站内用电、用水量进行统计分析，以辅助实现节能控制。这些举措虽然提高了车站对各专业能源使用的监视效率，但各专业能耗管理相对分散、独立，尚未深人开展对各专业的综合能耗管控研究，车站能源消耗的智能化分析和管理水平仍存在不足。因此，本文将深人分析车站能耗研究现状，研究城市轨道交通能耗管理系统架构及针对性的能耗管理策略，实现对车站水、气、电、热等多种的综合分析，在提升车站智慧化水平的同时实现车站节能增效。

2、车站能耗现状分析

2.1 能耗管理需求

城市轨道交通车站内传统的能耗统计管理存在周期长，风水系统无智能化联动，电表、水表出现故障时不能及时发现和处理等缺陷与不足，影响车站运营安全。在人工抄表情况下存在人工出错、数据重复统计修正、无法实时统计、上报数据的情况，造成人力物力资源浪费。冷却水与风机目前为定时任务模式，存在能耗进一步优化空间。因此，迫切需要一套智慧能耗管理系统，实现各类能源的节能管理与管控，对风、水、电及其他能源消耗进行实时监控，对能源消耗规律及趋势进行分析并提供数据支撑，以制定科学合理的节能策略。

2.2 站点环境特点分析

(1)站内热源常年存在。城市轨道交通地下建筑受室外气象条件影响较小，而地下车站内部存在显著的内热源，具有较大的热源属性，常年的冷负荷较高。

(2)空调负荷波动较大。车站空调通风负荷的设计标准通常长达 20~30年。随着城市发展、沿线人口增长、换乘站点增多后，客流量将出现显著变化，最初的空调负荷设计和控制方案往往随着运营时间的推移而日趋不合理。同时，车站空调负荷也具有周期性变化和突发波动并存的特性。采用定流量、定风量的控制策略不合理，并且易造成一定的能耗浪费。

(3)通风要求高。高峰时段车站内高度密集的人群会释放出大量的异味和二氧化碳。由于车站作为长期固定建筑，因地层的蓄热作用，自运营初期起城市轨道交通系统内部的温度会逐年升高。若未能及时排出热量，会增加城市轨道交通系统的远期热负荷，增加空调系统能耗。

2.3 现有控制技术缺陷

(1)冷源系统运行与风系统舒适度脱节。站内不同区域对空调的需求量各不相同，而且随着人流量、季节、天气、时间等因素的变化，空调的负荷需求也动态变化。常规的冷源群控系统与风控系统一般独立设计、独立运行，水系统与风系统的运行信息没有互通互联。供应侧的运行无法参考需求侧的信息，系统一定程度上处于“盲控"状态，人工或常规的群控策略不可避免地造成冷/热量的过供应，造成一定能源浪费，末端服务质量也难以持续保证。

(2)未采用有效的变流量控制。暖通水系统设计通常是针对设计日工况(即末端负荷较大的工况)进行系统管路和动力设备的选型配置。而设计日工况的运行时间，在空调系统全年运行的时间占比不到 20%，大部分时段系统都处于部分负荷，系统水流量有较大富余，存在一定的能源浪费。此外，当前一次泵和冷却水泵以工频方式运行也存在大量能源耗费。即使采用基于压差的变频控制策略，也仅考虑到管路压力信息，没有考虑末端负荷需求情况，水泵的频率控制存在一定盲目性。

(3)系统工况复杂，节能难度高。站内风水系统涉及冷主机、冷冻循环泵、冷却循环泵、冷却塔以及多台风机设备，实际运行环境下的设备运行组合表现为空调系统的运行能耗。常规的群控系统不能实时提供所需的决策支持信息，实际运行过程中也未对上述信息进行粗略汇总。因此，有必要采用更加智能的风水联动智能控制单元，全时段、全自动地对空调系统运行进行优化。

(4)设备运行维护缺乏决策支持系统。车站空调系统每年的设备维保费用超过年能耗成本的10%，设备维保直接关系到系统的能效水平和稳定运行。对于冷水主机、组合式空调箱等设备，投资大且维护成本高，没有制定相应的设备维保策略。因此，有必要通过性能检测跟踪技术，实时检测设备性能变化，对异常的性能衰减给出提示信息并针对性给出维护建议。

系统结构

现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

8、系统功能

平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

8.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

8.2大屏展示

用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。