地鐵環控系統節能研究

創新者：龐家治

地鐵環控系統節能研究

創新者：龐家治

隨著我國地鐵的快速發展，客流量的增加等因素，使得地鐵車站環境負荷變化較大，車站溫度將上升到乘客無法容忍的程度，傳統的控制算法已經不能滿足地鐵環控系統的要求。再加上地鐵內部的巨大空間和負荷，環控系統的風機、制冷機、空調機的裝機容量都相當大，由此引起大量設備投資和運行能耗費用。尤其是運行能耗，而其中環控系統能耗在總能耗中占相當大的比例，已經嚴重影響到地鐵運營的經濟性。因此，環控系統的節能具有重要的意義。

地鐵環境特點

地鐵（針對地下站）設施位于城市地面10m以下，地理位置特殊，由于列車運行、乘客交換散發大量熱量，空氣濕度大，且有有害氣體產生。所以站內的設施都是針對于改善站內環境、方便乘客出入以及災害事件下（如火災）應急處理而設置。

環控系統作為地鐵系統中的一個重要系統，其設備裝機容量都相當大，由此引起大量設備投資和運行能耗費用。尤其是運行能耗，已經嚴重影響到地鐵運營的經濟性。因此，為使其安全、高效、協調運行，環控系統的節能具有重要的意義。下面簡略提出一些環控系統的節能控制方案。

空調機組的二通閥智能調控

根據《通風與空調工程施工工藝標準》，可對空調機組的二通閥流量、冷水機組的負荷進行計算分析，提出二通閥開度調節的常規PID調節、增強型PID調節和模糊PID調控方法。杭州地鐵2號線在系統運行初期，由于缺少經驗數據，可以采用人工設定的方式，對二通閥開度進行控制，即二通閥流量調控采用預置冷量的模糊PID調控方法。之后，隨著歷史數據的積累，可以從數據庫中挖掘出每日不同時間段冷負荷的實際需求量，從而找到最優化的控制曲線。

冷負荷的計算公式如下式（1）：

由上述公式可以看出：

（1）L增大或者ΔT增大，Q增大；

（2）L減少或者ΔT減少，Q減少。

冷負荷Q 的大小由L和ΔT共同作用，當冷水機組采用定水溫調節時，ΔT 為常數，冷負荷Q 由冷凍水流量L確定。在保持回水壓力P 為定值時，L與二通閥開度K正比例變化，此時冷水負荷Q 由二通閥開度K確定。

二通閥開度的常規PID調節

在冷水機組中采用定水溫、定壓控制的情況下，冷水負荷的二通閥PID調節回路如圖1所示。

圖1 常規型的PID控制方案

車站大空調系統冷水流量主要調節過程如下：

a.確定車站溫濕度控制目標設定值；

b.如果車站負荷增加，則車站公共區溫度上升，當公共區溫度高于設定值時，開大冷凍水二通調節閥，加大冷凍水量，降低送風溫度，抑制車站公共區溫升；

c.如果車站負荷減小，則車站公共區溫度下降，當公共區溫度低于設定值時，關小冷凍水二通調節閥，減小冷凍水量，提高送風溫度，抑制車站公共區溫降。

上述的PID控制算法過程簡單，只需要通過PLC的PID模塊進行相應的參數設定即可，在PID的三種參數：比例、積分、微分參數設定時，考慮到溫濕度變化的大滯后效應，可以在不引起系統閉環振蕩的基礎上，適當調大微分參數，可以一定程度上緩解大滯后效應。不過，由于大微分系數會提高整個閉環系統對干擾的敏感度，尤其是車站的溫濕度變化存在著嚴重的幾個干擾因素，引起系統振蕩，包括：

a.風機風量采用變頻調節，因此新風流量和車站外部空氣溫度大幅度變化會直接引起車站內溫濕度變化；

b.客流量的突然變化，客流量會隨著周末或者上下班的高峰期產生突峰變化；

c.列車活塞效應也會引起車站溫濕度突然變化。

當以上的幾種干擾因素作用時，由于溫濕度變化滯后，上面的PID算法并不能保證車站的溫濕度及時響應，引起車站內部空氣質量惡化。因此，考慮到這些干擾因素，需要一種引入干擾因素前饋的增強型PID算法。

增強型的PID控制算法

為了解決車站內由于新風量和客流高峰而引起的溫濕度變化，需要在車站BAS系統空調冷凍水流量的PID調節中引入了干擾量前饋，從而形成增強型的PID控制方案。

其控制流程框圖如圖2所示。

圖2 增強型的PID控制方案

圖3 冷負荷需求量變化規律曲線

整個PID的流程操作同常規型PID控制，不同的地方在于PID控制的設定值根據干擾因素的變化而發生變化。

假設車站內部的溫度反饋 PV= 35℃，風機的新風量為L1，客流量為P1，則引入兩個比例系數α、β。α、β的具體值需要根據現場調試的效果確定，為經驗系數。

則增強型PID回路的實際溫度反饋為：PV = 35℃+αL1+βP1；

由于加入了干擾前饋，因此PID回路將提前將干擾因素計算在內，從而能夠及時的調節溫度變化，減少滯后效應。

模糊PID控制算法

上面兩種算法一定程度上消除干擾因素系統穩定性的影響，但是并沒有從根本上解決這些干擾，更沒有解決溫度變化的大滯后環節。如何解決這些實際問題，一種行之有效的方法就是采用適合大滯后及多因素擾動的模糊PID算法。模糊PID算法就是根據已經調節好的經驗參數進行輸出控制量的設定。其控制過程具體如下。

根據站廳和站臺的空間大小，建筑材料絕熱程度，進出口處冷量損失，客流量等，估算出一天內相對比較適當的冷負荷需求量變化規律曲線如圖2-3所示，作為數據庫保存在控制器中，根據實際需求量進行回路調節，修正曲線，作為第二天冷量供應的參考值。這樣就可以將客流量變化產生的冷量需求進行了提前預置。

當整個車站BAS系統運行一段時間后，對控制曲線和實際溫濕度反饋數據進行數據挖掘，抽取符合一周客流量的控制參數，作為經驗值對以后的冷水量和風量進行提前預置。

根據預置設定值結合PID作為微調功能自始至終貫穿冷負荷需求量變化規律曲線，具體參見圖3。

這種調節方法在冷負荷需求量變化規律曲線的基礎上規定了上限與下限，這樣PID的輸出就只能在圖2-3中的上限與下限范圍內調節，為防止調節值偏離太大，可以縮小曲線帶寬，即縮小圖中上限與下限間距離，也就是減小圖中X的值，從而達到通風空調系統溫濕度調控的要求。

水量、風量、CO2濃度的智能調控

根據《通風與空調工程施工工藝標準》，車站BAS大系統變頻風機風量和CO2濃度的調節方式如下：

（1）為避免溫度調節與CO2濃度調節的兩個控制回路耦合，可采用“定風變水量”方式調節車站公共區溫度，變頻風機不參與溫度調節和控制。

（2）風機風量的變頻調節僅用于滿足車站公共區新風量和CO2濃度要求。

（3）CO2濃度調節方式采用根據AFC客流量進行新風量預置方式或采用日常新風量統計優化曲線進行調節。

變風量變水量、定風變水量調節

車站BAS的通風空調大系統通過對風機、風閥、冷水流量的控制來調節車站站廳和站臺的空氣溫濕度以及CO2濃度。通常，車站大系統的溫度控制調節方法有兩種。

變風量變水量調節

正常運行情況下風機變頻運行的控制方案，以達到最大的節能目的。依據測量得到的各類相關的參數，采用PID或智能控制算法，通過對風機運行頻率和二通流量調節閥的調節來滿足站臺和站廳的溫濕度要求。此時，風機的實際運行頻率是隨著客流量或CO2濃度而隨時調整的。由于風機是地鐵車站能耗最大的設備之一，因此，使用變頻器調節風機轉速可以取得明顯的節能效果；同時，由于車站的溫濕度由風量和水量兩個PID回路同時控制，回路之間容易產生干擾，降低了控制精度，加上溫濕度的調節本身具有大滯后和多因素干擾等特點，增加了控制難度。

定風變水量調節

在車站兩端設置組合式空調機組。通過測量各類相關溫度、濕度和其他相關的參數，使用適宜的控制策略和算法，通過對水系統二通流量調節閥的控制來滿足系統站臺和站廳的溫濕度要求。這種方案僅由一個二通閥開度即水量的PID回路控制車站內的溫濕度變化，因此，可以將溫度的滯后效應以及干擾因素作為PID的前饋，對干擾響應速度快，控制精度很高。

風量變頻控制調節

全線車站組合空調機和新風機、回/排風機均采用變頻調節。變頻器通過現場總線接至BAS控制器。由于ISCS實現了BAS系統的集成并且與AFC系統互聯，因此，可以使用AFC的客流量數據作為風機調節的控制量預置控制量，當客流量發生一定范圍的變化時，調節風機頻率，滿足車站的新風量要求。為了防止風機的頻率頻繁改變，需要設置PID調節的死區范圍，當客流量在該范圍內變化時，風機頻率不發生變化。

采用變風量通風系統具有以下顯著優點。

a.系統送風量和選用的設備，是按照最小需要變風量運行，可以顯著節約風機運行所耗的電能。

b.同其他空調系統一樣，在室外氣溫較低時，可以停用冷凍機，利用新風自然冷量。

c.新風量容易得到保證，便于集中空氣凈化和噪聲處理。

風機的變頻調節是根據車站內風量、客流量和CO2濃度的檢測，BAS系統PLC控制器通過PID回路調節，調節風機變頻器頻率，改變風機的轉速，達到調節目的。

CO2濃度的調節

通過改變二通閥冷凍水流量達到溫度調節的目的。變頻風機不參與車站公共區溫度的調節，避免了溫度調節回路與CO2調節回路的耦合。因此，BAS系統組合式空調風機風量PID控制的主要作用僅僅是調節和控制車站內空氣的質量，保持最小新風量，調節車站內部CO2的濃度滿足乘客和工作人員的需求。

同時，由于季節的不同，為了達到節能的措施，尤其是在夏季減少室外熱空氣的進入，BAS系統需要根據季節要求和空氣中焓值的變化采取不同的工況運行。

車站的CO2濃度調節可以采用簡單的PID回路來控制。如下圖4所示。

圖4 CO2濃度調節方案

在一定工況條件下，比如全新風、小新風或者通風模式下，根據CO2傳感器的反饋，與設定值進行比較，通過PID控制回路輸出變頻器控制指令，從而改變送風機的轉速，增大或減少送入車站的新風風量。為了保證車站內空氣質量不會惡化，需要保持一個最小的新風流量。

由于CO2濃度變化有大滯后的特性，因此，在實際工程應用中，可以采用AFC的客流量作為CO2濃度調節的反饋變量進行新風量預置或者采用模糊PID調節方式，按照日常新風量需求的最優化曲線對進行調控。

環控系統的節能降耗方案

BAS系統的監控對象中，通風空調風機和自動扶梯是最大的耗電設備，因此通風空調系統的節能主要考慮如何降低風機電機的能耗。結合杭州地鐵2號線的BAS系統環控工藝和設備配置，可以有以下幾點節能降耗具體措施。

a.風機采用變頻控制可以有效節能降耗。

b. 采用“冰蓄冷”方式，代替空調機組制冷。在地鐵夜間不運營時，用空調水系統將大量的水制成冰，并將冷氣儲存起來，到了白天，將冰轉化的冷氣送入車站，就可維持車站的涼爽。此措施可以減少空調機組的運行時間，既可利用夜間電價便宜，節省運營成本，又可以避開用電高峰。

c.設置屏蔽門，有效減少車站公共區的冷量流失。

d.采用“舒適度原則”調節車站公共區溫度，通過控制站廳溫度低于室外溫度、站臺溫度低于站廳溫度1～2℃，既可使乘客感到涼爽舒適，又可減少冷負荷需求，節省冷水機組用電量。

e.對冷水機組的控制進行優化、根據冷負荷需求調整冷水機組開啟的臺數和定期清洗空調機組濾網、提高制冷效率。

f.自動扶梯的節能主要通過扶梯的變頻控制來實現。利用“能源再生技術”原理是使電梯在重載下行及輕載上行過程中將電梯的勢能轉化為電能返回電網，進入電能再生運營的狀態。

g.通過采用“綠色照明”的方式實現照明系統的節能，一方面選用低能耗照明燈具，一方面通過優化照明控制回路，使隧道內照明的光照強度根據列車運行位置調整，可以有效的降低用電總量。

除了以上BAS系統監控對象采用的節能降耗措施外，還可以通過采用低能耗車輛和環保建筑/裝修材料等方式進行節能降耗。

結束語

環控系統是地鐵工程中的一個重要組成部分，采用智能環控系統能提高地鐵環境的舒適度、降低能耗、延長設備的使用壽命，從而獲得較好的社會效益和經濟效益。有效的節能手段能使得環控能耗顯著下降，節約了大量能源，從而減少了對于自然環境的影響，對于建設綠色地鐵有重要的意義，也符合當前建設節能型社會、和諧社會的趨勢，具有良好的社會效益。

龐家治

杭州地鐵集團有限責任公司運營分公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.032