地鐵車站通風空調控制系統改造相關技術研究

徐深 牛洪海 陳霈

摘 要：地鐵車站環控的主要目標是使車站環境保持在設計文件規定的溫度范圍內，保證車站大系統的舒適性以及各空調小系統房間的正常溫度。通風空調系統作為車站各機電系統中的能耗大戶，常規的定頻定流量系統不利于各個設備發揮出最佳能效，易造成資源浪費，同時缺乏對環境舒適度的調節手段。文章針對傳統車站通風空調控制系統改造的方案進行研究，保證火災聯動安全可靠，優化系統配置，并給出調節策略改進方向，為改善車站環境，提高能源利用率做出進一步探索。

關鍵詞：地鐵車站;通風空調;控制系統;改造;技術研究

中圖分類號：U231.5

預計到2020年末，中國城市軌道交通運營線路長度將超過8 000 km。無論是運營線路長度還是在建項目規模都位居世界前列。以某城市軌道交通為例，其線網用能已經逼近2億度，車站通風空調系統能源消耗成本約占運營直接成本的30%以上，成為節能降本的焦點之一。傳統地鐵車站通風空調控制系統由環境與設備監控系統（BAS系統）和冷源群控系統2部分組成，實現對環境的調節和機電設備的監控，在異常工況下保證空氣調節系統的設備按照預案進行相應動作，從而保證車站環境安全。本文通過對比分析2種不同的系統結構方案，給出調節策略改進方向。

1 現狀及問題

傳統地下車站配有一套群控系統以完成對冷源系統的監控，并與BAS系統進行通信實現數據的上傳。BAS系統負責控制空氣調節系統，冷源群控系統負責控制冷源系統，2套系統割裂運行導致設備運行工況不合理，系統能耗增加，影響環境舒適度，主要表現如下：

（1）“源”與“荷”不匹配，供冷過剩;

（2）采用人工經驗調節運行，管控粗放，影響效率;

（3）設備運行狀態不合理，影響系統整體效率。

2 系統結構

針對現狀問題，需要對通風空調系統進行全過程優化調控，控制調節對象貫穿冷源系統和空氣調節系統運行全過程。由于傳統地下車站的BAS系統和冷源系統分開設立，BAS系統又兼顧災害工況下通風系統的應急聯動，兩者之間的配合關系一直是相關改造項目的難點之一。下面提出2種不同的系統結構方案，并分析其優缺點。

2.1 方案 1

該方案的系統結構按照調節功能和啟停功能將設備接口歸屬分開設立，如圖1所示。空氣調節系統中的公共區通風空調和設備區通風空調的工頻監控接口由既有BAS系統接入，保持BAS系統對這2區通風空調的工頻操作不變;當發生火災等異常情況時，BAS系統能夠通過工頻監控回路向公共區通風空調和設備區通風空調發送工頻啟動指令，保證空氣調節系統應急聯動控制的完整性和可靠性。

公共區通風空調除工頻接口外，還包含風機頻率調節接口和二通閥開度調節接口，二者由節能控制系統直接接入，其根據室內外的溫濕度、車站的冷負荷情況，綜合計算得出調節指令并直接下發至對應設備執行，通過風機頻率調節接口改變公共區通風空調送風量，通過二通閥開度調節接口改變送風溫度，從而完成對環境參數的閉環調節。冷源系統設備由節能控制系統完成監控。

2.2 方案 2

方案2充分利用原BAS系統與各設備的接口，如圖2所示。該方案保持通風空調系統設備接口歸屬不變，即公共區通風空調的工頻監控接口、風機頻率調節接口以及二通閥開度調節接口仍由BAS系統負責接入，冷源系統設備由節能控制系統統一接入，系統優化分析統一由節能控制系統完成。

節能控制系統與BAS系統網絡互通，前者接收BAS系統采集到的環境溫濕度數據，同時根據室內外的溫濕度、車站的冷負荷情況，綜合計算得出調節指令，將公共區通風空調風機頻率設定值和二通閥開度設定值經過共享網絡傳遞給BAS系統，后者借助與各設備已有接口將指令下發至具體設備執行;冷源系統設備的頻率調節、機組投切、自動順控等邏輯由節能控制系統直接完成并下發到具體設備。

2.3 配置比較

方案1的節能優化調節功能接口和職責劃分明確，但為確保系統功能接口的獨立性，會導致部分傳感器和控制箱的重復配置，并且地下站A、B端距離較遠，需要為遠端環控機房的空氣調節系統設備單獨配置一套遠程輸入輸出（IO）柜，將增加施工量及實施成本。

方案2利用統一的網絡數據平臺，節能控制系統可通過此網絡共享獲取BAS系統的環境溫濕度數據而無須增配傳感器和控制回路。此方案適用于在前期設計階段就將空氣調節系統和冷源系統作為整體統一進行考慮的場合，尤其適用于二者同時進行改造的項目。

2種方案在傳感器、控制箱配置等方面存在的差異如表1所示。

由表1可知，方案2對既有傳感器和設備接口的利用率最高，系統資源更加優化，從而避免了部分硬件設備的重復配置。

3 權限切換及災害聯動

上述方案通過節能控制系統與BAS系統的配合可以實現對冷源系統和空氣調節系統的節能優化控制。在節能控制方式下，空氣調節系統和冷源系統的調節控制權限均歸屬于節能控制系統，設備的調節指令統一由節能控制系統計算得出并分發，而BAS系統只負責數據采集和控制指令的轉發執行。當系統發生火災等異常情況時，BAS系統通過共享網絡告知節能控制系統，節能控制系統在接收上述信息后立即由節能優化調節模式切出，改為BAS控制方式，由BAS系統統一執行事故通風排煙模式指令。節能控制和BAS控制2種方式下權限切換的具體數據采集和控制流程如圖3所示。

4 調節策略建議

通風空調系統控制調節策略作為影響車站環境指標和能耗高低的重要一環，是相關改造項目的難點之二。基于車站環控系統的普遍現狀，給出調節策略的改進方向如下。

4.1 過渡季通風調節

影響地鐵車站站廳站臺空氣質量的主要污染物為CO2，在過渡季期間，通風系統運行的主要目的是引入新風，保證公共區域CO2的濃度在安全范圍內，滿足地鐵設計規范1.5‰以下和室內空氣質量標準1‰以下的要求。

車站CO2實測的濃度普遍較低，在不改變車站通風系統結構和設備配置的情況下，需要對風機開啟策略進行調整，充分利用出入口的自然滲透風降低風機平均開啟臺數，而風機的運行頻率可根據車站CO2、溫度指標進行動態調節。采用上述調節策略后，在滿足車站環境指標的前提下能夠降低機械送風量，有利于減少通風系統的能耗。

綜合以上所述，給出具體過渡季通風控制系統方框圖如圖4所示。

在客流量較大的工況下，采用結合客流預測指標的模糊控制系統對風機進行啟停控制和頻率調整：在檢測到當前及預測未來固定一段時間內環境指標均正常的情況下，停止風機運行;在檢測到當前及預測未來固定一段時間內環境指標存在異常波動或超限的情況下，啟動風機并維持運行狀態不變。該策略可以有效抑制客流波動帶來的風機頻繁啟停現象，CO2濃度波動也隨之減小。

4.2 夏季舒適度調節

地鐵車站是相對舒適的列車和多變的室外環境之間的過渡空間，乘客的衣著在地鐵車站內不會發生太大的變化，由于乘客在車站內只作短暫停留，且停留期間人體的熱舒適感覺來不及達到穩態，還是受先前所在環境的影響，因此并不嚴格要求熱環境的熱舒適性和穩定性。文獻[8]用相對熱舒適指數（RWI）結合實地測量、問卷調查的方式對南京某地鐵站進行了熱舒適性評價，并提出應根據室外環境參數調節地鐵車站溫度，但未給出調節方案。文獻[9]提出了一種基于RWI相對熱指標的環境參數優化方法，但未給出系統的實時控制策略。文獻[10]從節能角度考慮，得出通過對地鐵人員熱舒適度進行正確評價，并在此基礎上制定合理的運行調節策略是十分必要的。基于上述文獻，利用RWI指標指導車站環控優化的關鍵在于設計出一種適用于實時環控系統的控制方案，實現車站目標舒適度的選取以及溫濕度目標值的確定，具體控制系統方框圖如圖5所示。

站內RWI指標的確定需綜合考慮站內當前和室外預測的RWI指標，通過專家系統對二者進行綜合分析判別得出站內RWI目標值，再經邊界條件約束和極值最優判別過程，得出當前站內溫濕度的目標值，從而指導系統對具體設備進行控制。

4.3 冷源系統調節

為解決現狀中“源”與“荷”不匹配造成的供冷過剩問題，對車站現場運行數據進行收集分析。某車站大系統夏季環境溫度日調節曲線如圖6所示。

從圖6公共區通風空調風機頻率和二通閥開度曲線可看出，該車站全天冷負荷小，BAS系統將公共區通風空調風機頻率調整至最低保護頻率，將二通閥閥位調整至最小開度，該工況帶來的問題如下：

（1）大系統冷凍水管路壓力較大，長期運行對管路及二通閥的壽命存在影響;

（2）公共區通風空調中的風機長期低頻運行存在散熱問題;

（3）冷源系統處于大流量小溫差的運行狀態，制冷主機能效比（COP）較低，運行狀態不經濟。

在調整車站大系統開關時間的基礎上，建議在非換乘站和非樞紐站這類負荷需求較低的站點，對冷源系統的水泵進行變頻改造，使其能夠對系統供冷量進行調節，在冷量需求較低的時間段，下調水泵電機頻率既能提升冷源和負荷匹配程度，又能顯著降低設備能耗;此外，結合車站的濕度情況適度調整制冷主機的出水溫度，在機組電機允許的范圍內盡量采用較高的出水溫度，這對于節約主機運行能耗具有重要意義。上述建議在一定程度上既保證了主機效率，又降低了管網承受壓力，有利于系統長期穩定地運行。

5 結語

傳統的車站通風空調系統由于在設計之初，為盡可能保證遠期車站的運能負荷，設備容量選取存在很大裕度，設備長時間運行在相對高能耗低負荷的工況下，導致運行效率較低。本文在冷源系統、空氣調節系統和介質管網不做調整的情況下，對比分析了2種不同控制系統結構方案的優劣，并給出調節策略建議，對地鐵“降本增效”的方法進行了探索，同時為完善環控工藝設計、使之由機械的模式表運行體系向環境和能耗指標體系引導轉變提供了借鑒思路。

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收稿日期 2020-02-21

責任編輯 黨選麗