地鐵車站公共區通風空調系統節能控制策略探討

李 俊

（深圳達實智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

目前地鐵廣泛地投入各個城市，其作為地下為主的有軌交通系統，不受地面道路情況的影響，能夠快速、安全、舒適地運送乘客。地鐵乘客運載效率高，具有良好的社會效益。截至2017年12月，中國大陸建成投運地鐵的城市已達31個，百余條地鐵線路，運營線路增多、客流持續增長。

地鐵各個監控系統制式存在多元化，其中通風空調系統是地鐵的重要組成部分,也是耗能大戶，在結構設計、控制策略方面都體現了各家所長。通風空調系統設計指標一般以系統的60%供應能力滿足日常運營需求進行設計的，若不進行有效控制和調節，容易導致環境監控系統設備使用能耗過高或是過低的不良狀態，如何根據運營工況使空調系統運行在合理范圍值內是通風空調系統的重點研究課題。本文根據目前一些線路通風空調系統運營情況進行分析和總結，對幾種控制策略進行闡述和分析。

1 通風空調對象分析

1.1 系統組成

地鐵通風空調系統包括隧道通風系統、車站公共區空調通風系統(簡稱大系統)、車站設備管理用房通風空調系統(簡稱小系統)、車站空調水系統(簡稱水系統)[1]。

隧道系統主要針對列車運營中隧道通風換氣，與水系統無關聯，且隧道風機除早晚通風外基本處于停止狀態，排熱風機根據列車數量等狀況做調節，有一定的定值性;小系統中的空調系統雖與水系統有關聯性，但由于整體處理較為封閉狀態，且功率普遍較低，在控制實現上相比較大系統容易的多;因此隧道系統與小系統都不在本文的主要研究對象內。大系統主要服務對象為車站公共區，直接服務于乘客對象，設備數量多且功率大，無論是從節能角度，還是從乘客舒適環境角度都需要有一個穩定的、可靠的運行狀態[2]。

1.2 水系統節能環節

水系統作為冷源產生端，主要節能對象為冷水機組、冷動泵、冷卻泵、冷卻塔、二通調節閥等，二通調節閥作為與通風系統冷源的閘門，提供給通風系統的最終冷量大小由二通閥的開度大小決定。水系統節能環節結構組成見圖1水系統工藝流程簡易圖。

圖1 水系統工藝流程簡易圖

冷水系統由冷水機組循環系統、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統組成，3個系統之間相對獨立，主要的功能都為溫度的轉移，同時也受到整體調控[3]。水系統管路設計、通風系統的管路設計對調節效果的好壞也起到一定的作用[4]。

1.3 風系統節能環節

通風系統作為空調末端設備，主要節能對象由組合式空調風機、調節風閥等設備組成，其基本結構組成如圖2所示。

圖2 通風系統工藝流程簡易圖

根據運營需求分別設計了手動控制模式、焓值控制模式、時間表控制模式、時間與焓值功能結合的自動控制模式。焓值控制通過室外焓值iw、室外溫度Tw、車站回風焓值ir、車站回風溫度Tr、車站送風溫度To等數值的采集、計算、比較決定通風運行工況。大系統通風的常規模式，空調工況與非空調工況主要依據水系統是否運行而定;火災工況作為災害工況不做節能調節;停運模式為收車后將通風空調系統耗能設備進行停止運行，各運行工況如表1所示[5]。

表1 車站公共區通風工況模式表

2 控制策略

通過以上對通風空調系統的介紹，根據組成環節的不同，可分為4種控制方式：由BAS集成的控制系統；水系統與通風系統互聯；水系統策略決定通風系統調節；通風系統策略決定水系統調節。

通風系統除通過PID進行風機變頻、風閥變開度控制外，還能通過根據焓值判斷，進行季節工況模式切換（如空調季節全新風、小新風模式切換），以實現最優運行工況，實現節能環保的目的。

2.1 由BAS集成的控制系統

由BAS系統集成所有空調與通風設備，將這些設備作為單體對象進行區域化整合，BAS系統集成節能環節系統如圖3所示。優點：可自由的進行任意組合；缺點：關聯性考慮因素較多。

圖3 BAS系統統一集成節能環節系統圖

所有節能環節作為BAS的獨立對象時，采取區域整合，或是順序關聯邏輯都可以實現。普遍的方式是根據車站環境工況，將通風系統節能設備進行對象組合（圖3中通風系統部分虛框），水系統節能設備進行對象組合（圖3中水系統部分虛框），根據車站總體通風模型，同時作用于兩個組合對象，控制方式跟水系統與通風系統互聯的方式較相近。

2.2 水系統與通風系統互聯

通風系統設備作為單體對象由BAS系統直接控制，水系統通過自身的調節系統與BAS系統進行數據交互[6]，兩個系統交互系統如圖4所示。優點：具有一定的獨立性，以完成自身專業系統設計指標為導向，可發揮兩個專業在節能領域的特長。缺點：信息交互數據不穩定性將直接影響整個調節效果。

通風系統動作：根據焓值計算切換對應工況模式，根據送風溫濕度傳感器溫度值與設計溫度值進行比較，當出現偏差時改變風機的轉速，來調整風量輸出的大小，其控制模型如圖5所示。

水系統動作：根據設定的出水溫度進行恒溫調解。由于水系統3個主要制冷環節存在一定的獨立性，可以根據各自的工藝目標值進行調節，也可以通過整體參數的分配，進行系統化調節。

互聯動作：當通風系統在根據變化速率以及長時間無法達到指定設定溫度時，向水系統請求增加二通調節閥閥體開度，從而調整冷量輸出范圍。

圖4 水系統與通風系統互聯結構圖

圖5 通風系統控制流程示意圖

2.3 水系統策略決定通風系統調節

通風系統調節設備直接或間接地由水系統進行控制，通風系統其余設備影響模式控制動作，其控制結構如圖6所示。優點：可充分發揮水系統的節能策略；缺點：存在一定的調節滯后性。

圖6 水系統控制通風系統節能環節圖

該模式中通風系統主要維持通風模式運行，調節設備控制權交由水系統控制。水系統在實現恒溫供水的同時，根據供回水的溫差以及分析通風系統設備的供冷情況，漸進式變化通風系統節能設備的調節范圍，減少對水系統的擾動量。通過通風系統的變化反饋作為水系統輸入調節參數，重新調整二通調節閥開閥，制冷設備運行頻率，直至最終滿足通風冷量需求。

2.4 風系統策略決定水系統調節

通風系統根據環境值完成模式動作后，向水系統發出冷量需求命令[7]，其控制結構如圖7所示。優點：通風系統的模式工況可同樣作用于水系統；缺點：存在一定的制冷滯后性。

通風系統在完成風量控制情況下，結合過程中溫度的變化率，向水系統提出冷量需求，并通過水系統的制冷率將控制命令直接作用于水系統制冷主要環節對象，使冷量供給滿足運營需求。

圖7 通風系統控制水系統節能環節圖

3 結語

以上4種控制方式為目前主要的控制模式，存在各自的優缺點。一般通過區域化組合，形成有機能的控制環，控制方式的先后順序并非完全確定，可根據自身的調節思路進行調整，但都需充分考慮和發揮各環節的效能，通過合理的參數分配達到真正的節能效果，同時在各個環節充分利用負荷預測，對控制策略進行提前干預，在充分考慮調節效能的同時，滿足環境的舒適性[8]。目前冷水系統和通風系統各自的集成度非常高，單一系統的節能效果也非常明顯，水系統根據供水溫度進行節能控制，通風系統根據車站回風溫度進行節能控制，只需考慮交互數據中請求調節量的合理值傳遞，采用通風系統與水系統互聯方案無論從工程實施效率和實現節能效果都非常顯著。