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摘要：本文分析了地铁站热源的组成及特点，并结合地铁既有综合监控等自动化系统，引入并建立了地铁站热源动态分析模型，可实时测算地铁站的扰动热源，在对地铁环控系统设计前馈控制环节后，以测算的扰动热源作为系统的干扰输入量，经PI反馈控制即可使空调冷负荷主动跟随站内热源的实际变化，从而改变了以往按额定工况非节能运行控制方式。
关键词：地铁站热源 分析模型 前馈控制 节能运行
Abstract: This paper analyzes the composition and features of Metro station heat source, and combined with Metro integrated automation monitoring system, introduced and established Metro station heat source dynamic analysis model, can measurse disturbance heat source of Metro station in real-time, to design feedfoward control on Metro environmental control system, estimated the measuring disturbance heat as disturbance input system, by PI feedback control to make air -conditioning cooling load activly following with the actual changes of station heat, so then change the past, according to the rated condition not energy-saving operation control method.
Key words: Metro station heat source; analysis model; feedfoward contorl; energy-saving operation
中圖分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
1 前言
城市地铁站是城市公用设施中的耗能大户，同时也是节能大户，解决节能问题是目前正在大力探索的一个课题。地铁站建成后一般运行都在几十至百年之间，因此，一个相当细小的节能措施都显得相当重要。目前国内地铁站内的设备基本上采用定功率运行模式。由于在不同的时段，地铁站的环境参量变化大，站内设备采用额定工况运行模式不利于节能。由信号、屏蔽门、自动售检票等与综合监控系统组成的热源实时监测系统，可实现对地铁站的热负荷干扰的测算。通过引入基于热源分析的前馈控制策略，使站内设备运行主动适应站内实际所需，从而实现了地铁站的节能优化控制。
2 地铁站热源组成简介
目前国内，新建和在建的地铁站，基本上是采用了屏蔽门系统，其站内的热源主要有以下两类。其热源组成如下图所示[1]：
图 1 地铁站热源组成图
定量热源，主要包括：
照明系统；
站内设备；
屏蔽门导热。
地铁站内照明系统、广告牌、自动售检票机、自动扶梯等设备数量固定不变、功率较为稳定，屏蔽门导热面积有限，其内外温差基本上不变，所以可以认为这些热源的热负荷为定值。
可变热源，主要包括：
客流人员。在地铁站内的不同时段、不同区域，客流数量的差异非常大，其热负荷是变量。
新风量。新风量选取主要依据站内人员所需的新风量、站内排出风量、控制有害物质的最大浓度值所需新风量，同时还需满足不应少于系统总风量的10%的原则。其中，决定新风量的主要因素是站内屏蔽门开启时的漏风量和站内人员总量。屏蔽门的开启时间（行车密度）决定了漏风量的变化，新风中焓浓度值是随着室外温湿度变化而不同，同时站内人员总量是随着乘客量而变化的。因此，当依据屏蔽门开启时的漏风量和站内人员总量选定新风量时，新风热负荷就是受室外温湿度、屏蔽门开启时间(行车密度)以及站内人员总量等影响的变量。
出入口与外界的热量交换。由于室外温湿度不断变化，因此，由出入口与外界的进行热量交换，其所产生的热负荷亦会不断的变化。
3 热源实时分析计算模型
目前地铁站的热源热负荷都是根据额定工况值来计算的，比如乘客热负荷是按定员条件来计算的，然而在现实的地铁站内，乘客的数量是不断改变的，且大部分时间远没有达到定员人数。因此，通过结合由信号、屏蔽门、自动售检票等与综合监控系统组成地铁站的热源实时热负荷分析模型，具有更接近站内实际状况和更具实时性的优点。
3.1 站内热源热负荷计算原理
本分析模型是针对地下安装了屏蔽门系统的地铁站的热源热负荷的计算，由于屏蔽门导热及出入口与外界的热量交换所产生的热负荷比较少，所以忽略不计。下面就各热源的热负荷计算详细分析。
1) 站内设备热负荷
设备的热负荷可用下式进行运算：
式中，—设备热负荷；—设备的功率；—设备数量；—运转率。
2) 照明系统的热负荷
站内的照明系统的热负荷，其计算可按下式进行：
式中，—照明热负荷；—照明用的电力；—整流器等的损失率；—照明面积。
3) 新风量热负荷
新风量的热负荷，可按如下公式求得[2]：
式中，—新风热负荷(显热、潜热) ；—新风量；—外部和站内温度；—外部和站内的绝对湿度。
4) 客流人员热负荷
站内上下乘客和通过的乘客的热负荷，上车乘客、下车乘客以及通过乘客的热负荷，包括显热和潜热，分别用Qp1、Qp2、Qp3表示，可用如下公式来求出[3]：
式中，—上车乘客数，下车乘客数，通过乘客数；—上车乘客，下车乘客，通过乘客的热负荷；—上车乘客平均停留时间；—下车乘客在站内停留时间；—通过乘客停留时间； -人体显热、潜热量。
上车乘客在站内平均停留时间。按列车出发之前进入的人和列车开动之后进入的人的平均值及列车走行间隔的一半考虑 。下车乘客在站内的停留时间与车站的出入口位置有关。一般出入口位置是根据站台的长度来确定，走行距离取平均值。当下车乘客的步行速度为时，下车乘客在站内的停留时间为：
(8)
式中，—平均步行距离；—步行速度。
通过乘客的停留时()为封闭列车从进站停车到出发离开车站的时间。这段时间内列车走行时间换算成停留时间比较麻烦，因此，一般仅采用列车在站内的停留时问。
3.2 站内热源实时分析模型
在站内的不同时段、不同区域，热源产生的热负荷差异很大，当采用额定工况的模式来分析热源时，势必与站内实际热源情况相差甚大，不利于优化节能控制。采用站内热源实时的分析模式，以期获得更符合当时站内实际热源情况，为站内环境控制系统参量更切合站内实际情况提供了控制变量，从而有利于优化节能。
站内设备和照明系统的热负荷可以通过统计其功率，依据式(1)、(2)来计算得到，新风量和客流量的变化是影响站内热负荷波动的主要因素。根据屏蔽门开关状态、轨道排风机排风量及自动售检票系统提供的客流信息可计算站内所需的新风量，再通过测量新风温湿度就可据式(3)、(4)算出新风量热负荷的大小。综合监控系统通过采集自动售票、检票系统，可得到当前时段进闸、出闸客流量的数据，依据这些采集的数据及预先估算的不同类型的乘客从站台到出闸、在站厅逗留以及在站台逗留的平均时间，再由式(5)、(6)、(7)可算出当前客流人员热负荷。
4 基于热源分析的节能控制
利用站内热源动态分析模型，可实时测算当前时段的热源热负荷及其扰动，对站内环控系统，引入前馈控制环节，将模型测算的结果作为前馈控制器的输入量，可对站内温湿度反馈控制发生作用前发出校正指令，这样可提高系统的响应速度和稳定性，使环控系统参量更切合当前时段的站内实际，实现系统节能优化控制。下面以基于热源动态分析，采用风量前馈、水量前馈-反馈控制模式的站内通风空调控制系统为例来阐述。
作为被控对象，地下站内通风空调系统具有以下特点[4]：
1.通风空调和定量热源设备会随着时间的推移而不断老化或更换，从而导致站内系统参量漂移。
2.空調负荷不断的变化，主要是客流人员和新风量的热负荷变化较大。
3.站内立体空间较大，其温湿度变化较慢。
可见，地下站通风空调系统具有不确定性、干扰大、滞后性强的特点。目前，站内通风空调的控制系统通常采用定量反馈控制模式，其原理如图2所示。对于具有不确定性、干扰大、滞后性强的控制模型，仅仅采用单一的反馈控制，很容易造成系统的振荡。
图 2 定量反馈模式的地铁通风空调系统的控制原理图
通过热源动态分析模型可测算系统热负荷干扰，将处理结果传送给站内环控系统，采用前馈控制方式调节空调送风量，前馈加反馈控制方式调节冷水量，可实现通风空调系统风量与冷水量随热负荷的波动而同步动态调节[5]。下图是具体的风量前馈、水量前馈-反馈控制模式设计方案。
图 3 风量前馈、水量前馈-反馈控制模式设计原理图
由热源实时分析模型测算的系统热负荷扰动作为空调机组送风量Gf的前馈控制量，通过变频器对空调风机转速进行调节，可使空调除湿量及冷量随热负荷变化而进行自动调整。采集站内公共区温度Tf作为反馈控制量，选用PI反馈控制模式，通过二通阀调节末端冷水量，实现对空调末端冷水量的反馈控制，以纠正空调冷量的控制误差，从而使得站内公共区温湿度稳定在设定值范围内[6]。同时，系统热负荷扰动亦作为空调机组水量调节前馈控制的输入量，会对末端冷水量的调节起激励作用。与传统通风空调控制系统相比，基于热负荷动态分析计算、进行风量与水量协同调节的风量前馈、水量前馈-反馈控制模式可使站内通风空调系统的输出风量与水量随热负荷的波动而变化，更切合了站内实际需要，可达到节能运行控制的目标。
5 结论
本文旨在对地铁站运行的进行节能优化控制，分析了地铁站热源的组成及特点，并结合地铁既有综合监控等自动化系统，引入并建立了地铁站热源动态分析模型，以一个引入前馈控制的地铁通风空调控制系统设计为例，阐述了基于热源动态分析的地铁站节能优化控制的思路，可得以下结论：
1) 由于客流量及屏蔽门的开启时间的不同，站内的热源热负荷在不同的时段差异非常大，实现站内设备运转随热负荷波动而变化，具有重要的节能意义。
2) 站内环控系统具有不确定性、干扰大、滞后性强等特性，对其仅采用经典反馈控制方式时，响应速度慢且易导致系统振荡，引入前馈控制能有效纠正这种缺陷。
3) 由信号、屏蔽门、自动售检票等与综合监控系统互联的参数信息，可用来实时测算系统热负荷扰动，并作为环控系统前馈控制器输入因子参与到对空调风量与水量的动态调节，这对于实现地铁站节能优化控制设计意义重大。
参考文献
[1] 董志周，吴喜平.地铁车站热环境分析[J].上海节能，2003，(5)：36-40.
[2] 茂又弘道，津田帮彦.地铁内的发热及热负荷计算[J].隧道译丛，1993，(8)：16-25.
[3] 许志浩.地铁负荷计算及采用冰蓄冷系统的负荷分析[J].制冷与空调，2002，(1)：11-14.
[4] 葛柳平，张欢，由世俊.地铁环境控制系统的计算与设计[J].供热制冷，2003，(5)：46-49.
[5] 江泳，朱颖心.地铁变风量节能潜力分析[J].地铁与轻轨，2002，02.
[6] 何绍明.浅谈地铁车站空调负荷特性[J].暖通空调，2007，8.
关键词：地铁站热源 分析模型 前馈控制 节能运行
Abstract: This paper analyzes the composition and features of Metro station heat source, and combined with Metro integrated automation monitoring system, introduced and established Metro station heat source dynamic analysis model, can measurse disturbance heat source of Metro station in real-time, to design feedfoward control on Metro environmental control system, estimated the measuring disturbance heat as disturbance input system, by PI feedback control to make air -conditioning cooling load activly following with the actual changes of station heat, so then change the past, according to the rated condition not energy-saving operation control method.
Key words: Metro station heat source; analysis model; feedfoward contorl; energy-saving operation
中圖分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：
1 前言
城市地铁站是城市公用设施中的耗能大户，同时也是节能大户，解决节能问题是目前正在大力探索的一个课题。地铁站建成后一般运行都在几十至百年之间，因此，一个相当细小的节能措施都显得相当重要。目前国内地铁站内的设备基本上采用定功率运行模式。由于在不同的时段，地铁站的环境参量变化大，站内设备采用额定工况运行模式不利于节能。由信号、屏蔽门、自动售检票等与综合监控系统组成的热源实时监测系统，可实现对地铁站的热负荷干扰的测算。通过引入基于热源分析的前馈控制策略，使站内设备运行主动适应站内实际所需，从而实现了地铁站的节能优化控制。
2 地铁站热源组成简介
目前国内，新建和在建的地铁站，基本上是采用了屏蔽门系统，其站内的热源主要有以下两类。其热源组成如下图所示[1]：
图 1 地铁站热源组成图
定量热源，主要包括：
照明系统；
站内设备；
屏蔽门导热。
地铁站内照明系统、广告牌、自动售检票机、自动扶梯等设备数量固定不变、功率较为稳定，屏蔽门导热面积有限，其内外温差基本上不变，所以可以认为这些热源的热负荷为定值。
可变热源，主要包括：
客流人员。在地铁站内的不同时段、不同区域，客流数量的差异非常大，其热负荷是变量。
新风量。新风量选取主要依据站内人员所需的新风量、站内排出风量、控制有害物质的最大浓度值所需新风量，同时还需满足不应少于系统总风量的10%的原则。其中，决定新风量的主要因素是站内屏蔽门开启时的漏风量和站内人员总量。屏蔽门的开启时间（行车密度）决定了漏风量的变化，新风中焓浓度值是随着室外温湿度变化而不同，同时站内人员总量是随着乘客量而变化的。因此，当依据屏蔽门开启时的漏风量和站内人员总量选定新风量时，新风热负荷就是受室外温湿度、屏蔽门开启时间(行车密度)以及站内人员总量等影响的变量。
出入口与外界的热量交换。由于室外温湿度不断变化，因此，由出入口与外界的进行热量交换，其所产生的热负荷亦会不断的变化。
3 热源实时分析计算模型
目前地铁站的热源热负荷都是根据额定工况值来计算的，比如乘客热负荷是按定员条件来计算的，然而在现实的地铁站内，乘客的数量是不断改变的，且大部分时间远没有达到定员人数。因此，通过结合由信号、屏蔽门、自动售检票等与综合监控系统组成地铁站的热源实时热负荷分析模型，具有更接近站内实际状况和更具实时性的优点。
3.1 站内热源热负荷计算原理
本分析模型是针对地下安装了屏蔽门系统的地铁站的热源热负荷的计算，由于屏蔽门导热及出入口与外界的热量交换所产生的热负荷比较少，所以忽略不计。下面就各热源的热负荷计算详细分析。
1) 站内设备热负荷
设备的热负荷可用下式进行运算：
式中，—设备热负荷；—设备的功率；—设备数量；—运转率。
2) 照明系统的热负荷
站内的照明系统的热负荷，其计算可按下式进行：
式中，—照明热负荷；—照明用的电力；—整流器等的损失率；—照明面积。
3) 新风量热负荷
新风量的热负荷，可按如下公式求得[2]：
式中，—新风热负荷(显热、潜热) ；—新风量；—外部和站内温度；—外部和站内的绝对湿度。
4) 客流人员热负荷
站内上下乘客和通过的乘客的热负荷，上车乘客、下车乘客以及通过乘客的热负荷，包括显热和潜热，分别用Qp1、Qp2、Qp3表示，可用如下公式来求出[3]：
式中，—上车乘客数，下车乘客数，通过乘客数；—上车乘客，下车乘客，通过乘客的热负荷；—上车乘客平均停留时间；—下车乘客在站内停留时间；—通过乘客停留时间； -人体显热、潜热量。
上车乘客在站内平均停留时间。按列车出发之前进入的人和列车开动之后进入的人的平均值及列车走行间隔的一半考虑 。下车乘客在站内的停留时间与车站的出入口位置有关。一般出入口位置是根据站台的长度来确定，走行距离取平均值。当下车乘客的步行速度为时，下车乘客在站内的停留时间为：
(8)
式中，—平均步行距离；—步行速度。
通过乘客的停留时()为封闭列车从进站停车到出发离开车站的时间。这段时间内列车走行时间换算成停留时间比较麻烦，因此，一般仅采用列车在站内的停留时问。
3.2 站内热源实时分析模型
在站内的不同时段、不同区域，热源产生的热负荷差异很大，当采用额定工况的模式来分析热源时，势必与站内实际热源情况相差甚大，不利于优化节能控制。采用站内热源实时的分析模式，以期获得更符合当时站内实际热源情况，为站内环境控制系统参量更切合站内实际情况提供了控制变量，从而有利于优化节能。
站内设备和照明系统的热负荷可以通过统计其功率，依据式(1)、(2)来计算得到，新风量和客流量的变化是影响站内热负荷波动的主要因素。根据屏蔽门开关状态、轨道排风机排风量及自动售检票系统提供的客流信息可计算站内所需的新风量，再通过测量新风温湿度就可据式(3)、(4)算出新风量热负荷的大小。综合监控系统通过采集自动售票、检票系统，可得到当前时段进闸、出闸客流量的数据，依据这些采集的数据及预先估算的不同类型的乘客从站台到出闸、在站厅逗留以及在站台逗留的平均时间，再由式(5)、(6)、(7)可算出当前客流人员热负荷。
4 基于热源分析的节能控制
利用站内热源动态分析模型，可实时测算当前时段的热源热负荷及其扰动，对站内环控系统，引入前馈控制环节，将模型测算的结果作为前馈控制器的输入量，可对站内温湿度反馈控制发生作用前发出校正指令，这样可提高系统的响应速度和稳定性，使环控系统参量更切合当前时段的站内实际，实现系统节能优化控制。下面以基于热源动态分析，采用风量前馈、水量前馈-反馈控制模式的站内通风空调控制系统为例来阐述。
作为被控对象，地下站内通风空调系统具有以下特点[4]：
1.通风空调和定量热源设备会随着时间的推移而不断老化或更换，从而导致站内系统参量漂移。
2.空調负荷不断的变化，主要是客流人员和新风量的热负荷变化较大。
3.站内立体空间较大，其温湿度变化较慢。
可见，地下站通风空调系统具有不确定性、干扰大、滞后性强的特点。目前，站内通风空调的控制系统通常采用定量反馈控制模式，其原理如图2所示。对于具有不确定性、干扰大、滞后性强的控制模型，仅仅采用单一的反馈控制，很容易造成系统的振荡。
图 2 定量反馈模式的地铁通风空调系统的控制原理图
通过热源动态分析模型可测算系统热负荷干扰，将处理结果传送给站内环控系统，采用前馈控制方式调节空调送风量，前馈加反馈控制方式调节冷水量，可实现通风空调系统风量与冷水量随热负荷的波动而同步动态调节[5]。下图是具体的风量前馈、水量前馈-反馈控制模式设计方案。
图 3 风量前馈、水量前馈-反馈控制模式设计原理图
由热源实时分析模型测算的系统热负荷扰动作为空调机组送风量Gf的前馈控制量，通过变频器对空调风机转速进行调节，可使空调除湿量及冷量随热负荷变化而进行自动调整。采集站内公共区温度Tf作为反馈控制量，选用PI反馈控制模式，通过二通阀调节末端冷水量，实现对空调末端冷水量的反馈控制，以纠正空调冷量的控制误差，从而使得站内公共区温湿度稳定在设定值范围内[6]。同时，系统热负荷扰动亦作为空调机组水量调节前馈控制的输入量，会对末端冷水量的调节起激励作用。与传统通风空调控制系统相比，基于热负荷动态分析计算、进行风量与水量协同调节的风量前馈、水量前馈-反馈控制模式可使站内通风空调系统的输出风量与水量随热负荷的波动而变化，更切合了站内实际需要，可达到节能运行控制的目标。
5 结论
本文旨在对地铁站运行的进行节能优化控制，分析了地铁站热源的组成及特点，并结合地铁既有综合监控等自动化系统，引入并建立了地铁站热源动态分析模型，以一个引入前馈控制的地铁通风空调控制系统设计为例，阐述了基于热源动态分析的地铁站节能优化控制的思路，可得以下结论：
1) 由于客流量及屏蔽门的开启时间的不同，站内的热源热负荷在不同的时段差异非常大，实现站内设备运转随热负荷波动而变化，具有重要的节能意义。
2) 站内环控系统具有不确定性、干扰大、滞后性强等特性，对其仅采用经典反馈控制方式时，响应速度慢且易导致系统振荡，引入前馈控制能有效纠正这种缺陷。
3) 由信号、屏蔽门、自动售检票等与综合监控系统互联的参数信息，可用来实时测算系统热负荷扰动，并作为环控系统前馈控制器输入因子参与到对空调风量与水量的动态调节，这对于实现地铁站节能优化控制设计意义重大。
参考文献
[1] 董志周，吴喜平.地铁车站热环境分析[J].上海节能，2003，(5)：36-40.
[2] 茂又弘道，津田帮彦.地铁内的发热及热负荷计算[J].隧道译丛，1993，(8)：16-25.
[3] 许志浩.地铁负荷计算及采用冰蓄冷系统的负荷分析[J].制冷与空调，2002，(1)：11-14.
[4] 葛柳平，张欢，由世俊.地铁环境控制系统的计算与设计[J].供热制冷，2003，(5)：46-49.
[5] 江泳，朱颖心.地铁变风量节能潜力分析[J].地铁与轻轨，2002，02.
[6] 何绍明.浅谈地铁车站空调负荷特性[J].暖通空调，2007，8.