廣州地鐵十三號(hào)線白江站空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)淺析

邵峰，劉娜

(1.南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

1 車站空調(diào)系統(tǒng)

白江站空調(diào)設(shè)備機(jī)房位于車站站廳一層設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)，在機(jī)房?jī)?nèi)布置有兩臺(tái)電制冷螺桿機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行作為車站夏季制冷的冷源提供；冷卻側(cè)及冷凍側(cè)各有三臺(tái)循環(huán)泵用于冷凍水及冷卻水的輸送，水泵配置為兩用一備配置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為機(jī)組與水泵一對(duì)一的配置使用；車站配置有兩套冷卻塔；車站站廳及站臺(tái)的冷源輸送主要依靠南北兩臺(tái)空調(diào)機(jī)箱，在車站的站廳及站臺(tái)的兩端及中間立柱上分別安裝有室內(nèi)溫度和二氧化碳傳感器，用于檢測(cè)車站的溫度和二氧化碳的含量，來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式；車站工作人員值班室和設(shè)備用房由車站小循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)提供；車站其他小房間的夏季制冷全部由風(fēng)機(jī)盤管提供。

2 智能DES控制系統(tǒng)

2.1 概述

智能DES控制系統(tǒng)可根據(jù)水管溫度、壓力及水流量傳感器采集來(lái)的各類數(shù)據(jù)變化，經(jīng)過內(nèi)部的計(jì)算，使得控制中心感知到系統(tǒng)負(fù)荷變化和各類故障信息，在充分考慮各受控設(shè)備的特性，運(yùn)用冷站節(jié)能優(yōu)化邏輯，在保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)各受控設(shè)備發(fā)出相應(yīng)控制指令，實(shí)現(xiàn)最大程度的能耗降低。同時(shí)系統(tǒng)具有對(duì)負(fù)荷變化預(yù)測(cè)的自學(xué)習(xí)能力，對(duì)不同負(fù)荷需求和環(huán)境條件下的性能及能耗作出預(yù)測(cè)，提供最佳的運(yùn)行參數(shù)邏輯優(yōu)化，并根據(jù)實(shí)時(shí)的反饋數(shù)據(jù)對(duì)這些運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自學(xué)習(xí)控制。

2.2 智能DES-控制器 dynamic equilibrium selflearning（動(dòng)態(tài)平衡自學(xué)習(xí)）

作為空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的控制部分，即一切功能展示的邏輯算法的核心，也是數(shù)據(jù)提取與計(jì)算的大腦，同時(shí)需要將控制策略的結(jié)果輸出給展示層進(jìn)行各種報(bào)表、圖表的繪制與能耗的分析。如圖1所示。

圖1 智能DES控制系統(tǒng)示意圖

（1）動(dòng)態(tài)平衡自學(xué)習(xí)控制策略。受地鐵站客流變化，行車對(duì)數(shù)等影響，且通常通風(fēng)空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)會(huì)有滯后反應(yīng)，使系統(tǒng)處于震蕩或超調(diào)。基于此，我們?cè)诜謺r(shí)段控制的同時(shí)引入室外溫度作為氣候補(bǔ)償，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，且更加節(jié)能。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的策略為：增負(fù)荷時(shí)，先增大水量后增大風(fēng)量；減負(fù)荷時(shí)，先降低風(fēng)量后降低水量。

DES-控制系統(tǒng)中的自學(xué)習(xí)策略由參考模型、被控對(duì)象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等部分組成，其基本原理如圖2所示。

圖2 自學(xué)習(xí)策略參考模型

控制器參數(shù)的自學(xué)習(xí)調(diào)整過程如下：當(dāng)參考輸入r(t)同時(shí)加到系統(tǒng)和模型的入口時(shí)，由于對(duì)象的初始參數(shù)未知，控制器的初始參數(shù)不可能整定得很好。故一開始，運(yùn)行系統(tǒng)的輸出響應(yīng)y(t)與模型的輸出響應(yīng)ym(t)是不可能完全一致的，結(jié)果將產(chǎn)生偏差信號(hào)e(t)，故可由e(t)驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)調(diào)節(jié)作用，直接改變控制器的參數(shù)，從而使系統(tǒng)的輸出 y(t)逐步與模型輸出ym(t)接近，直到y(tǒng)(t)=ym(t)為止，當(dāng)e(t)=0后，自適應(yīng)調(diào)整過程就自動(dòng)停止，控制器參數(shù)也就自動(dòng)整定完畢。

我們的控制策略的原則是全自動(dòng)跟隨負(fù)荷調(diào)整，減少人工干預(yù)。負(fù)荷曲線可隨著時(shí)間推移無(wú)限優(yōu)化。自學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠避免滯后和喘振的基礎(chǔ)，在一個(gè)大平衡系統(tǒng)下，無(wú)限調(diào)整系統(tǒng)COP。

（2）冷水機(jī)組節(jié)能控制。策略1：如果機(jī)組出水溫度長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到設(shè)定溫度值，且系統(tǒng)負(fù)荷高于冷機(jī)額定制冷量的70%，那么加開冷機(jī)；如果出水溫度達(dá)到設(shè)定值，負(fù)載率低于50%，則減開冷機(jī)。策略2：計(jì)算出的實(shí)際冷負(fù)荷與當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組的額定冷量比較，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷小于當(dāng)前機(jī)組的額定總負(fù)荷一定量時(shí)，減少相應(yīng)的機(jī)組運(yùn)行；當(dāng)實(shí)際負(fù)荷大于當(dāng)前機(jī)組的額定總負(fù)荷一定量時(shí)，增加相應(yīng)的機(jī)組運(yùn)行。策略3：引入室外溫度進(jìn)行氣候補(bǔ)償，冷凍水溫度設(shè)定值隨室外氣溫隨時(shí)調(diào)整，當(dāng)室外溫度相對(duì)較低時(shí)，出水溫度目標(biāo)設(shè)定值會(huì)相應(yīng)提高，室外溫度較高時(shí)，目標(biāo)設(shè)定值相應(yīng)降低。

（3）冷卻側(cè)綜合控制。①冷卻塔數(shù)量啟?？刂?。采用獨(dú)創(chuàng)的冷卻塔臺(tái)數(shù)優(yōu)化控制技術(shù)，可根據(jù)室外氣候條件，冷機(jī)及系統(tǒng)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)分析、判斷冷卻塔的最優(yōu)使用臺(tái)數(shù)，突破傳統(tǒng)一對(duì)一運(yùn)行方式。通過降低冷卻水水溫，從而減少冷機(jī)的運(yùn)行能耗。同時(shí)也考慮了冷卻塔增加的能耗與冷機(jī)降低的能耗之間的平衡（圖3）。②冷卻塔風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制。冷卻塔風(fēng)機(jī)自動(dòng)優(yōu)化控制策略是基于綜合考慮冷站的運(yùn)行優(yōu)化，以室外氣象參數(shù)、冷卻側(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前冷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)地控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)在滿足節(jié)能的前提下，最大可能的實(shí)現(xiàn)降低冷站能耗的目標(biāo)。通過冷卻塔的性能曲線分析，找到在不同運(yùn)行條件下的最優(yōu)冷卻水出水溫度設(shè)定值，最終通過實(shí)際的冷卻水出水溫度與該設(shè)定值的比較，計(jì)算出最優(yōu)的冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。③冷卻水泵集中優(yōu)化控制?？照{(diào)系統(tǒng)恒溫差控制功能是整個(gè)系統(tǒng)節(jié)電的一個(gè)突出特點(diǎn)，其原理概述為：當(dāng)末端不需要如此多的冷量時(shí)系統(tǒng)會(huì)水溫度和供水溫度差進(jìn)一步降低，要保持空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫差5攝氏度，循環(huán)泵頻率則回降低：原理公式Q＝CM（t1-t2）。

圖3 臺(tái)數(shù)優(yōu)化控制技術(shù)能耗分析

（4）冷凍側(cè)綜合控制。系統(tǒng)采用溫差或壓差變流量控制。利用變頻器改變泵的流量，保持空調(diào)或采暖系統(tǒng)供/回水溫差穩(wěn)定。從空調(diào)系統(tǒng)熱力特性出發(fā)，能保證室內(nèi)的溫/濕度或末端的水利要求，能夠反映系統(tǒng)負(fù)荷的變化，供/回水溫差可達(dá)到4.5℃以上，節(jié)能效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空調(diào)循環(huán)泵和地源水泵變流量控制。

圖4 冷凍側(cè)控制能耗分析

3 能效分析

3.1 地鐵設(shè)備能效計(jì)算表計(jì)算（圖5～7）

圖5 冷凍水泵性能測(cè)試圖表

圖6 冷卻水泵性能測(cè)試圖表

3.2 能效提升節(jié)能收益分析

圖7 冷水機(jī)組能效測(cè)試表

由于白江地鐵站于2017年12月開通，開通后的兩個(gè)月屬于非空調(diào)季，只有3月的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以參考。因此以下計(jì)算的節(jié)能率為根據(jù)3月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，估算節(jié)能率（表1）。

表1

由此可見，從控制技術(shù)的使用效果，投資收益，系統(tǒng)穩(wěn)定性等多個(gè)方面考慮，采用智能DES控制系統(tǒng)對(duì)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)進(jìn)行集中管理和控制，可以最大限度實(shí)現(xiàn)能效提升，進(jìn)而減少能耗費(fèi)用。