通风空调智能控制系统研究与实践

　　一、总体介绍

　　据中国城市轨道交通协会发布的《城市轨道交通2024年度统计和分析报告》显示，2024年全国城轨交通总电能耗达270.23亿千瓦时，同比增长6.86%。全国城轨单站平均年能耗在200万～300万千瓦时/站，一条20公里地铁线路用电量达0.6亿～1亿千瓦时。在国家“双碳”战略大背景下，城轨交通作为“耗电大户”，正面临着极为巨大的节能降耗压力。通风空调系统能耗通常占城轨总能耗的25%-35%，仅次于牵引动力。与此同时，随着经济社会的持续发展，人们对出行体验的要求日益提高，保障地铁乘客的热舒适也是地铁通风空调系统的重要职责。因此，在满足乘客热舒适的前提下，探寻如何提高通风和空调系统能效、减少用电能耗，成为城轨交通实现节能降耗、绿色可持续发展的重要课题。

　　二、主要做法

　　本项目通过大量调研地铁车站通风空调系统运行现状，发现现有地铁车站通风空调控制系统的固定控制模式无法与动态的室内制冷需求相匹配，造成系统能效较低、能源浪费现象较为严重;同时车站站厅站台环控参数控制不理想，乘客乘车体验不佳。

　　为此项目通过热舒适调研建立适用于成都地区的人体热舒适环控标准，通过CFD模拟分析车站气流规律、通过Energy Plus软件分析车站负荷分布、优化通风空调系统控制策略，开发相关模型软件并开展示范站点成都地铁5号线大源站节能改造。

　　经第三方检测机构鉴定，本项目在制冷季节能率达到31.02%，站厅/站台热舒适满意率达到二级热舒适环境标准，接近一级标准。研究成果通过行业知名专家评审并取得国内领先认证。

　　本项目包含基础性研究和试点工程，基础性研究作为试点工程的理论基础和技术支撑，试点工程作为基础性研究的进一步验证和反馈，用实践检验和修正理论研究。

　　1.地铁车站通风空调系统现状研究

　　对成都地铁1-5号线开展调研工作，了解地铁地下车站环控系统架构、通风空调系统能耗情况、环控运行参数及自控措施，并赴广东、杭州、太原调研其它城市先进经验。通过对以上情况的充分调查和分析，为后续研究提供现实基础和支撑。

　　图运行现状调研

　　2.地铁车站人体动态热舒适及环控标准研究

　　通过大量现场测试、主观问卷调研和理论分析，研究乘客在地铁车站这种过渡和半开敞空间的进出站过程中车站环境温度的热感觉，编制了《成都轨道交通人体动态热舒适度评价标准》。标准基于人体动态的热舒适需求，提出在不同室外气候条件下，地铁车站在通道入口、站台站厅的温度控制需求，为运行控制提供依据。

　　3.地铁车站气流及空调负荷特性研究

　　针对地铁车站的特性，通过建立地铁车站CFD模拟分析车站气流规律，研究成都地铁地下车站内活塞风及渗透风形成和流动特性，分析活塞风及渗透风的各种影响因素，以及活塞风及渗透风对空调系统负荷、乘客的舒适性及室内污染物的影响。利用Energy Plus软件分析车站负荷分布，同时评估地铁车站的冷负荷特性及其变化规律，评估影响地铁车站负荷的主要因素，为地铁车站环控系统优化控制提供依据，为地铁地下站的设计提供参考。

　　4.地铁车站通风空调智能控制系统调节模型研究

　　基于前期对系统现状、热舒适标准、气流及负荷特性的研究成果，本项目采用“数据驱动+算法优化”模式，深度剖析地铁车站通风空调系统架构与运行逻辑。通过对设备联动机制、参数调节策略及能耗数据的交叉分析，精准定位现有自控系统响应滞后、多设备协同不足等痛点。

　　结合动态热舒适标准、活塞风影响规律等核心要素，创新性提出“动态标准、自动调节”前馈-反馈控制策略，研发出相应通风空调智能控制系统模型软件，实现地铁车站通风空调系统在不同季节、不同时间段的全过程高效智能控制。

　　5.试点工程

　　选取成都地铁5号线大源站作为试点工程，于2023年8月至2024年5月开展系统性节能改造。首先对站内通风空调设备进行智能化升级，部署智能传感器、变频控制器等硬件设施，构建数据实时采集与传输网络;同步完成相关设备的节能适配改造。

　　2024年5月 15日起，正式投运“动态标准、自动调节”前馈-反馈软件平台，该平台集成动态热舒适标准与智能调节算法，可实时感知室外气象、客流密度等变量，自动优化设备运行参数。运行期间，通过对比改造前后能耗数据、乘客热舒适反馈及设备运行状态，对人体动态热舒适标准和空调系统调节模型进行验证，实现理论研究与实践的动态验证。

　　三、取得成效

　　项目的研究成果经西南交通大学查新中心查证，出具正式查新报告(报告编号：202436000J010261)，突出创新成果如下：

　　1.制定了适用于地铁乘客热舒适的地下车站动态环控标准，为地下车站通风空调系统运行奠定重要基础，解决了室外气象参数与地下车站环控参数之间的协同性问题。

　　2.构建了地铁活塞风、渗透风、机械新风相耦合的地下车站新风负荷模型，解决了地铁车站长期存在的机械新风过量供给问题，实现了新风供应与室内需求的匹配。3.研发了“动态标准、自动调节”前馈-反馈平台，建立基于气象参数、客流量、回风温度和历史负荷数据的负荷预测调控模型，提前制定和优化运行策略，显著提高了通风空调系统的运行能效。

　　经过来自西南交通大学、四川省建筑科学研究院等多方专家评鉴，项目研究成果“动态标准、自动调节”前馈-反馈自动调节模型达到国内领先水平。

　　(一)示范成效

　　为确保示范工程运行效果的权威有效性，本项目邀请四川省建筑工程质量检测中心对项目的节能效果及乘客热舒适进行了专业鉴定。经鉴定本项目在成都地铁大源站开展的案例在制冷季节能率达到31.02%，乘客在站厅站台的热舒适满意率达到《民用建筑室内热湿环境评价标准》GB/T50785二级热舒适环境标准，接近一级标准。

　　这表明，本项目研究成果及示范实践，实现了节能效益与服务质量的双重突破，通过标准化动态环控参数设定、智能化控制技术应用，提高了环控系统运行效率与精准调控水平，构建起兼顾节能降耗与乘客体验的地铁空调智慧运维体系，不仅显著降低地铁运营成本，更为乘客提供了更为舒适的地铁乘车环境。

　　(二)效益分析

　　1.经济效益

　　经2024年示范站运行测算，应用本项目研究成果技术，每年可为大源站节电47.8万千瓦时，节约运营费用25.3万元，减少二氧化碳排放256.6吨。

　　2024年成都地铁线网总电耗约20亿千瓦时，其中通风空调系统占比约25%-35%，年耗电量5-7亿千瓦时。若将该研究成果在成都地铁全面推广，按31.02%的节能率计算，每年可节电约1.55-2.17亿千瓦时，减少运营费用约0.82亿元-1.15 亿元，减少二氧化碳排放8.33-11.63万吨。

　　2.推广价值

　　本项目研究实践成果能有效适配不同地区地铁以及高铁场景，具有极强的可复制性和推广应用价值。

　　项目形成的技术标准、控制模型、创新模式，以及示范站建设经验，均可快速适配不同地域气候、线路客流特征，通过“软件 + 硬件” 协同改造模式，在无需大规模设备更换的前提下实现既有车站节能升级。为全国轨道交通行业提供了示范样板，为推动行业技术革新与可持续发展，对加快建设资源节约型、环境友好型社会起到积极的促进作用。

　　3.社会效益

　　项目研究成果的应用，有效改善了地铁车站的热舒适环境，大幅提升了市民出行体验，增强公众对公共交通的满意度与认同感，对引导绿色出行、缓解交通压力具有重要意义。

　　项目研究成果的推广应用，将有力推动城市绿色交通体系建设，显著降低地铁运营的碳排放，助力城市绿色低碳发展，实现“双碳”目标，为生态环境改善作出积极贡献。