智慧能耗管理在城市軌道交通中的應(yīng)用

摘 要:為響應(yīng)國家雙碳戰(zhàn)略，文章首先分析城市軌道交通車站能耗管控現(xiàn)狀、環(huán)境特點和技術(shù)不足，針對車站內(nèi)傳統(tǒng)的能耗統(tǒng)計管理存在周期長、人力物力耗費大、風水系統(tǒng)無智能化聯(lián)動，電表、水表出現(xiàn)故障時不能及時發(fā)現(xiàn)和處理等問題，研究并提出車站智慧能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能架構(gòu)，通過該系統(tǒng)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(jié)能管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、聯(lián)動系統(tǒng)控制等策略，在提升車站智慧化水平的同時實現(xiàn)車站節(jié)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(tài)化形勢下，車站設(shè)備使用強度和頻率呈現(xiàn)不規(guī)律性，該管理系統(tǒng)可更有效的助力城市軌道交通低碳、智能運行。

關(guān)鍵詞:城市軌道交通;雙碳戰(zhàn)略;能耗管理;節(jié)能

1 、背景

隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)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(tǒng)的“單元"，能耗管理效應(yīng)的發(fā)揮主要從“車站"人手。同時，為助推國家雙碳戰(zhàn)略目標實施，文章結(jié)合《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》及應(yīng)用需求，以能耗管理智能化為主線，研究節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)，搭建車站能耗管理系統(tǒng)。

通常情況下，車站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)(大系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng))能耗占整個車站常規(guī)用電的 50%以上，尤其在制冷季節(jié)，甚至達到 60%~80%。在前期設(shè)計階段，空調(diào)系統(tǒng)均需要按照城市軌道交通運營的大負荷進行設(shè)計，并預(yù)留一定的余量。而在實際運營過程中，空調(diào)系統(tǒng)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(guī)控制策略存在較大的能源浪費[司。傳統(tǒng)的能耗統(tǒng)計管理方法無法實現(xiàn)車站電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、環(huán)控設(shè)備、屏蔽門系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、消防設(shè)備等的用電量檢測以及車站主供水管路、衛(wèi)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(yè)開展了各類節(jié)能技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用，如變頻空調(diào)技術(shù)、LED 照明技術(shù)、空調(diào)溫度智能調(diào)節(jié)技術(shù)、高頻輔逆技術(shù)、空氣凈化技術(shù)、中壓能饋設(shè)備等，以此達到節(jié)能降耗的目的。部分車站在現(xiàn)場加裝智能電表和水表，通過遠程通信實現(xiàn)與能耗管理系統(tǒng)后臺的對接，并對車站內(nèi)用電、用水量進行統(tǒng)計分析，以輔助實現(xiàn)節(jié)能控制。這些舉措雖然提高了車站對各專業(yè)能源使用的監(jiān)視效率，但各專業(yè)能耗管理相對分散、獨立，尚未深人開展對各專業(yè)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(xiàn)狀，研究城市軌道交通能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)及針對性的能耗管理策略，實現(xiàn)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(xiàn)車站節(jié)能增效。

2、車站能耗現(xiàn)狀分析

2.1 能耗管理需求

城市軌道交通車站內(nèi)傳統(tǒng)的能耗統(tǒng)計管理存在周期長，風水系統(tǒng)無智能化聯(lián)動，電表、水表出現(xiàn)故障時不能及時發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)重復(fù)統(tǒng)計修正、無法實時統(tǒng)計、上報數(shù)據(jù)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(wù)模式，存在能耗進一步優(yōu)化空間。因此，迫切需要一套智慧能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各類能源的節(jié)能管理與管控，對風、水、電及其他能源消耗進行實時監(jiān)控，對能源消耗規(guī)律及趨勢進行分析并提供數(shù)據(jù)支撐，以制定科學(xué)合理的節(jié)能策略。

2.2 站點環(huán)境特點分析

(1)站內(nèi)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(nèi)部存在顯著的內(nèi)熱源，具有較大的熱源屬性，常年的冷負荷較高。

(2)空調(diào)負荷波動較大。車站空調(diào)通風負荷的設(shè)計標準通常長達 20~30年。隨著城市發(fā)展、沿線人口增長、換乘站點增多后，客流量將出現(xiàn)顯著變化，最初的空調(diào)負荷設(shè)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(diào)負荷也具有周期性變化和突發(fā)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(nèi)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的遠期熱負荷，增加空調(diào)系統(tǒng)能耗。

2.3 現(xiàn)有控制技術(shù)缺陷

(1)冷源系統(tǒng)運行與風系統(tǒng)舒適度脫節(jié)。站內(nèi)不同區(qū)域?qū)照{(diào)的需求量各不相同，而且隨著人流量、季節(jié)、天氣、時間等因素的變化，空調(diào)的負荷需求也動態(tài)變化。常規(guī)的冷源群控系統(tǒng)與風控系統(tǒng)一般獨立設(shè)計、獨立運行，水系統(tǒng)與風系統(tǒng)的運行信息沒有互通互聯(lián)。供應(yīng)側(cè)的運行無法參考需求側(cè)的信息，系統(tǒng)一定程度上處于“盲控"狀態(tài)，人工或常規(guī)的群控策略不可避免地造成冷/熱量的過供應(yīng)，造成一定能源浪費，末端服務(wù)質(zhì)量也難以持續(xù)保證。

(2)未采用有效的變流量控制。暖通水系統(tǒng)設(shè)計通常是針對設(shè)計日工況(即末端負荷較大的工況)進行系統(tǒng)管路和動力設(shè)備的選型配置。而設(shè)計日工況的運行時間，在空調(diào)系統(tǒng)全年運行的時間占比不到 20%，大部分時段系統(tǒng)都處于部分負荷，系統(tǒng)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(tǒng)工況復(fù)雜，節(jié)能難度高。站內(nèi)風水系統(tǒng)涉及冷主機、冷凍循環(huán)泵、冷卻循環(huán)泵、冷卻塔以及多臺風機設(shè)備，實際運行環(huán)境下的設(shè)備運行組合表現(xiàn)為空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗。常規(guī)的群控系統(tǒng)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(lián)動智能控制單元，全時段、全自動地對空調(diào)系統(tǒng)運行進行優(yōu)化。

(4)設(shè)備運行維護缺乏決策支持系統(tǒng)。車站空調(diào)系統(tǒng)每年的設(shè)備維保費用超過年能耗成本的10%，設(shè)備維保直接關(guān)系到系統(tǒng)的能效水平和穩(wěn)定運行。對于冷水主機、組合式空調(diào)箱等設(shè)備，投資大且維護成本高，沒有制定相應(yīng)的設(shè)備維保策略。因此，有必要通過性能檢測跟蹤技術(shù)，實時檢測設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場通過廠區(qū)局域網(wǎng)和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務(wù)器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網(wǎng)聯(lián)通的地方，通過有權(quán)限的賬號登陸網(wǎng)頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統(tǒng)可分為三層：即現(xiàn)場設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和平臺管理層。

現(xiàn)場設(shè)備層：主要是連接于網(wǎng)絡(luò)中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構(gòu)建該配電、耗水、耗氣系統(tǒng)必要的基本組成元素。肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，這些設(shè)備可為本公司各系列帶通訊網(wǎng)絡(luò)電力儀表、溫濕度控制器、開關(guān)量監(jiān)測模塊以及合格供應(yīng)商的水表、氣表、冷熱量表等。

網(wǎng)絡(luò)通訊層：包含現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，一般應(yīng)用服務(wù)器和WEB服務(wù)器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，詳細拓撲結(jié)構(gòu)如下：

8、系統(tǒng)功能

平臺采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理。實時監(jiān)測企業(yè)各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率和節(jié)能潛力，為節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

8.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)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(yè)及各區(qū)域的能耗折標、產(chǎn)值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區(qū)域展示該區(qū)域的分類能耗、產(chǎn)值等相關(guān)信息。