關于地鐵車站“風—水”聯動控制系統的研究

楊 卓

(北京城建設計發展集團股份有限公司上海分公司，上海 200233)

1 研究背景

近年來，全國各大城市為了緩解交通壓力，均在建造城市軌道交通工程，城市軌道交通與傳統交通方式相比有著綠色、環保、舒適、便捷等很多優勢，但它又是能耗大戶。與地上建筑相比，城市軌道交通地下車站只有少量利用出入口進行的自然通風，車站內的空氣環境、溫濕度等問題均依賴通風設備解決，但通風設備在改善和提高地鐵車站內部環境質量的同時也在損耗巨大的電能，極大的增加了地鐵車站的運營成本。經過已運營車站的長時間實測發現，通風空調系統中的空調風(水)系統等設備耗電量約占車站總耗電量的30%，在制冷季這個數值還要大大增加。

經調查發現，地鐵車站中的通風空調系統的運行方式受諸多因素影響，所以要求在設計之初就應制定一系列的、合理的設計方案，使車站通風空調設備的運行方式能根據熱負荷及空氣質量的變化而進行調節。“風—水”聯動智能化控制節能系統就是在這個背景下應運而生的，本文針對已實施的上海軌道交通13號線二期、三期工程中“風—水”聯動智能化節能控制系統的設計方案與傳統控制方案進行對比及深入細致的分析，從而達到智能控制及節能的目的。

2 地鐵車站通風空調(水)系統

車站通風空調系統主要由冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風機、大系統空調箱和回排風機、消防風機(非本文所論述內容)等設備構成，為了滿足遠期運營需求，通風空調系統設計的電容量多數按照遠期最大負荷進行選取，并留有一定的設計余量。在炎熱的夏季，各通風空調通風及制冷設備長期在最大負荷運行，但各種客觀因素在不斷變化，實際通風空調輸出的冷負荷、通風量多數時間遠低于設計負荷，根據上海各條地鐵線的統計，與設計的最大負荷量相比，在制冷季節負荷率小于設計值一半的運行時間通常約占全部運行時間的40%以上。

為了滿足控制系統調節設備的需求，設計單位在方案階段經過認真研究、取證，將空調風系統與空調水系統中的設備如：冷卻水泵、冷凍水泵、大系統組合式空調箱、回排風機等設備設計成變頻電動機，冷卻塔風機采用雙速風機。各車站冷凍水系統均采用傳統的5 ℃溫差(7 ℃～12 ℃)。冷卻水系統均采用冷卻塔循環冷卻，冷卻水采用常規的5 ℃溫差(32 ℃～37 ℃)，冷凍水、冷卻水系統水源均采用自來水，冷卻方式采用開式冷卻塔冷卻。

3 空調風系統與空調水系統的控制

地鐵站的通風空調控制系統是一個極其復雜的系統，空調風系統與水系統之間相互制約又相互依存。目前地鐵車站能將其整合控制并且技術成熟的只有傳統定流量控制系統和“風—水”聯動智能化節能控制系統。現簡要概述和比較兩個控制系統。

3.1 傳統定流量控制系統

此前上海地鐵車站對于空調風系統雖然采用變頻技術手段，但基本采用固定頻率運行，空調水系統完全采用定流量控制方式在運行。

傳統定流量控制系統方案在大系統與小系統風管部位設置了溫濕度傳感器，公共區CO2傳感器。傳感器將采集的信息經過模擬量信號傳送至PLC運算主機，運算主機在一個周期內將其采集的信息取平均值后，將運算值與設計值進行對比，當不符合設計值時， PLC主機對空調風系統或水系統設備進行單獨調節。

目前國內傳統運算主機的運算方法采用的各個參數是固定的(除采集數據外)，也就是說，將工程參數設置之后，就用設置的固定參數去運行各種不同工況。控制系統主機分別單獨控制空調風系統與空調水系統，當風系統設備動作時，水系統設備無法根據風系統設備的調整進行自動匹配冷量，反之亦然。當用運算的數據去整合控制地鐵車站中受季節變化、氣候條件、環境溫度、人流量等諸多種因素影響的空調系統這樣復雜的環境時，就顯的力不從心，無論末端環境負荷需求如何變化，控制主機都不能科學的、及時的對冷量進行調節。

空調系統涉及多種因素參與，末端負荷不斷變化，這就會使系統中制冷劑溶液、冷卻水、冷凍水的運行參數偏離空調主機的最佳工作狀態，因此將會導致兩個結果：1)致使主機熱轉換效率(COP值)降低，導致系統長時間在低效率狀態下運行，造成冷量剩余、能源浪費；2)將會導致冷量不足，環境舒適度差。

傳統定流量控制方案存在控制的滯后性。水是存在一定惰性的，且車站水系統的管路較長，無法瞬間達到溫度調整的效果。這就導致需要大冷量時，供應不及時；不需要時，還在持續供應。因此，傳統定流量控制長時間都不能到達設備最佳和環境最優的穩定狀態，不但降低了空調效果的舒適性，又耗費了很大的電能。

3.2 “風—水”聯動智能化節能控制系統

本次上海軌道交通13號線二期、三期工程中采用了“風—水”聯動智能化節能控制系統方案。此方案在原有傳統控制方案設置傳感器的基礎上大大增加了傳感器的布點。各部位傳感器將實時采集的信息經過模擬量信號傳送至每一臺控制柜的運算主機，并結合“風—水”聯動智能化節能控制系統龐大的數據庫，經過其獨有的運算方式進行計算，將計算結果與設計值及現場環境進行分析比對，需要時通過動態的調節風系統、水系統設備的頻率，以及水管上各調節閥的開度，在確保末端溫濕度及CO2濃度符合設計標準的同時，使整個風水系統處于高效的運行狀態。

3.2.1系統總體架構

上海軌道交通13號線二期、三期工程中的“風—水”聯動智能化節能控制系統從項目使用角度出發，根據實際情況搭構此系統構架(見圖1)，根據使用功能細致劃分了各智能控制子系統。

“風—水”聯動智能化節能控制系統通過網絡對各個子系統進行全局協調控制，為數據與控制命令的快速傳輸打好基礎。每個子系統控制箱內均設置有獨立的計算機，通過計算結果再輔以先進的智能控制策略全局聯合調控空調系統設備頻率、水閥開度，由此，實現了根據末端負荷變化自動進行變風量、變流量的智能控制。

根據比熱容公式Q=C·M·ΔT。

其中，Q為所需負荷；C為比熱系數(常數)；M為流量；ΔT為溫差。

在傳統定流量系統控制中，車站各設備雖然也部分采用了變頻技術手段，但基本采用固定頻率運行方式，所以M，Q，ΔT基本處于一個固定值狀態，即使調節，也是通過人為干涉進行，也就是說當環境所需負荷因氣侯條件、列車運行模式、客流量等因素發生變化時，定流量系統無法根據末端需求去調節設備，更不能進行各個設備聯合調控。但“風—水”聯動智能化節能控制系統可以通過全局策略的聯調，解決了上述問題，從而使環境的溫濕度達到一個舒適的水平。

3.2.2控制邏輯

“風—水”聯動智能化節能控制系統控制邏輯圖見圖2。

根據末端溫濕度傳感器探測到的受控區域環境數據，當被控區域負荷改變，數據經過各控制子系統及公共區數據采集箱根據能量預測結果通過以太網傳輸給“風—水”聯動智能化節能控制系統主機，主機將計算結果通過RS485總線傳輸給EMCS工作站，變頻指令由EMCS工作站下達，經風機變頻柜控制末端風機頻率。當調節風機頻率影響末端送風溫度后，根據冷量按需分配原則系統主機動態調節各水閥開度。水閥開度影響著系統總冷量需求，系統主機再根據負荷預測模型調整冷凍泵頻率，改變冷量供給，冷量的輸出對冷卻水系統最佳工作點產生影響，從而系統主機根據系統效率最佳原則，重新計算最佳冷卻溫度，并改變冷卻水流量，使冷卻溫度趨于最佳值。每個環節相互之間都存在耦合關系，相互影響。“風—水”聯動智能化節能控制系統綜合考慮整個風水系統的運行效率，對各個環節的控制進行協調管理。

根據GB 50157—2003地鐵設計規范第12.2.11條規定，軌道交通公共區采用通風空調時，公共區溫度應控制在30 ℃以下。對于地鐵公共區這種大空間系統，理論上環境突變的可能性不大，結合類似已建設項目的歷史數據，再經過一定周期的數據積累和系統自適應自學習自優化，預測未來負荷變化的趨勢，提前對設備進行調節、控制。因此，本系統可運用預期算法算出車站公共區當期的熱負荷大小，并結合室外溫度的變化趨勢，確定需要輸送的冷量，提前進行精確調節風機控制頻率，使輸入的冷量與公共區負荷需求相匹配，防止冷量過剩與控制滯后的現象發生，實現風機的智能控制、節能控制。

冷卻水泵、冷卻塔風機及冷水機組的能耗都與冷卻水溫度密切相關，相互影響又相互制約。在一定范圍內，降低冷卻水溫度有利于提高冷水機組的COP，使冷水機組的所消耗的電能降低，但冷卻水溫度降低，一定會增大冷卻水流量和冷卻塔風量，導致冷卻水泵和冷卻塔風機能耗升高。反之雖降低了冷卻水泵和冷卻塔風機的能耗，但冷水機組的效率降低，導致能耗上升。根據物理學和辯證法我們知道任何事物都會有一個發揮其最大作用的平衡點，這個平衡點不是固定不變的，會隨著各個因素的影響而變化，“風—水”聯動智能化節能控制系統在這個基礎上通過自動分析、尋優，找到這樣一個平衡點，使各個設備效率最高、能耗最小、環境最優。

4 兩大控制系統比較

4.1 傳統定流量控制方式

傳統定流量控制系統采用固定空調冷凍水流量、冷卻水流量的方式，無論何時啟動空調主機，冷凍水泵、冷卻水泵都是在50 Hz工頻狀態下運行。而風機雖然采用變頻技術，但傳統定流量控制方式無法根據末端負荷需求進行空調風系統與空調水系統聯調，通過有經驗的操作人員進行干預，可以收到一定節能效果，但這種分級調節非常粗糙，并存在滯后性，不能根據環境的需求實時調節，受設備配置的限制和人為影響較大，使整個系統能耗始終處于偏大的狀態，造成能源浪費。這種控制方式優點是系統簡單，不需要復雜的自控設備，初期投資較少。

4.2 “風—水”聯動智能化節能控制系統

“風—水”聯動智能化節能控制系統通過末端傳感器及設備運行采集大數據進行積累及分析，建立獨有的模型，再輔以成熟的技術手段控制設備變頻調速及水閥開度調節，可以實現空調系統真正意義上的變溫差、變壓差、變流量運行，使控制系統及受控設備具有高度的跟隨性和應變能力，可根據對受控環境、設備的參數動態識別，自適應地調整運行參數，以獲得最佳的控制效果。顯然，這種控制具有多變性的特征，但正是由于這種眾多因素參與的多變性，才構造了體現智能控制行為的輸入輸出間復雜的非線性關系，同時，也正是這種復雜的非線性，才使得“風—水”聯動智能化節能控制系統成效顯著地控制和克服了被控設備的多參量、時變性及不確定性等特征，從而達到很高的控制性能，實現空調系統的最優化運行——安全、舒適、節能。在這一控制流程中，末端需求、風機、水泵、水閥的任何設備動作都相互影響，任何設備動作都會促使其他設備的動作，真正實現了空調系統的完全智能化自動聯調。但這種系統構架復雜，投資較大，目前該控制系統無法與EMCS系統做完全整合，與EMCS之間的信號只能通過網絡進行信號傳輸。

5 存在的問題

1)“風—水”聯動智能化節能控制系統無法與EMCS系統完全融合，目前需要兩套系統獨立設置，因此導致了項目投資成本的增加。2)實測發現極個別時間段公共區溫度會突變，上升2 ℃左右。此問題需進一步研究，找出原因并解決。

表1 某車站傳統定流量控制系統與“風—水”聯動智能化節能控制系統實測能耗對比

6 “風—水”聯動智能化節能控制系統節能效果及結論

目前對于設備變頻運行比工頻運行的節能水平是大家公認的，但只是簡單的將通風空調風系統設備、通風空調水系統設備進行變頻控制，不考慮各設備間的相互影響、不考慮末端環境負荷變化需求的前提下，設備頻率的設定將變的毫無依據可言。因此 “風變頻—水變頻”為”風—水”聯動智能化節能控制系統提供了理論基礎，在此基礎上，“風—水”聯動智能化節能控制系統將智能控制、節能控制變成了現實。

從表1可以看出，“風—水”聯動智能化節能控制系統比原系統節能率大幅提高，由此可以證明“風—水”聯動智能化節能控制系統的理論是可行的、技術是可靠的、節能效果是可見的。

7 結語

通過以上的研究分析及實測數據可以看出在“風—水”聯動智能化節能控制系統以成熟的變頻技術為基礎，以獨特的技術為手段，輔以完備的通信網絡，對通風空調系統設備變頻及其他相關設備的控制節能效果尤為突出，在全世界能源緊缺的今天，在倡導智慧地鐵的前提下，為節能減排及建造智慧型地鐵做出了巨大的貢獻。