南京地鐵十號線環控系統能耗分析及控制策略優化

段誠偉

摘 要：地鐵作為高能耗的城市軌道交通，其能耗的降低優化一直是節能工作中有巨大潛力可以挖掘的重點項目。本文針對地鐵環控系統的節能改造，以南京地鐵十號線為例，對環控系統中通風空調系統PLC的各設備運行時間、運行參數等進行修改，降低環控系統能耗并對改造效果進行統計分析，為后續的節能工作提供參考。

關鍵詞：地鐵;環控系統;通風空調系統;節能

中圖分類號：TP311.52

概述

地鐵是一種綜合利用地下空間，兼具快速、準時、大載客量等特點的公共交通方式，對緩解城市交通壓力有著巨大作用。截至2020年，我國城市軌道交通的年耗電量近400億千瓦時，占全國總耗電量的5%。作為高能耗的城市軌道交通工具，地鐵的主要能耗項目為動力用電和環控用電，環控用電通常占比25%-35%，濕熱地區甚至可達40%[1]。

一、南京地鐵十號線及地鐵通風空調系統概況

1.南京地鐵10號線概況

南京地鐵10號線于2014年7月正式運營，由安德門站至雨山路站，共計14座車站，小行站為地上站，其余均為地下站。

2.地鐵通風空調系統能耗簡述

地鐵通風空調系統屬于環控系統（BAS）的一部分，包括隧道通風系統和車站通風系統，車站通風系統由公共區域通風系統（即大系統）、車站內設備房空調系統（即小系統）及空調制冷循環系統等組成。其中，水系統作為車站通風空調系統的重要組成部分，其能耗占比約為整個通風空調系統的50%，具有較大的節能改造空間。通風空調系統的能耗主要受客流量、行車班次、新風量等因素影響[2]。

二、通風空調系統能耗改造優化

1.改造背景

十號線各地下車站的通風空調系統根據施工設計，在空調季根據單一的溫濕度控制參數進行自動啟停控制，其制冷量不能根據站內實際溫濕度進行控制調整，造成車站溫度過低，引起乘客體感溫度較低、站臺門出現水霧、通風管道外壁與出風口大量出現冷凝水等情況，同時也造成巨大的能源浪費。環控系統在空調季主要是PLC以回風口的溫度為依據，通過改變KT柜和HPF風機的頻率對站廳站臺的送風量進行調節，從而控制車站溫度。但實際情況是空調季因為冷機制冷量過大，即便風機始終以最低頻率運行，車站溫度依然會過低。同時大空調風機（KT）和大回排風機（HPF）的控制方式也較為粗糙，根據PLC程序的初始設定，只要系統同時處于自動狀態和車站運營時間（5：30-0：30），四臺風機就會處于工作狀態。冷水機組作為全站的制冷源，在空調季運營時段保持冷凍水溫度設定在7℃。冷站負荷調整的依據是冷凍水的回水溫度，車站溫度過高，則冷凍水溫度也會升高，使得冷站提高制冷量。當冷凍水溫度低于7℃，冷機會逐步降低負載直至停機，現實情況是冷凍水溫度可能遠未降到7℃車站溫度就已經很低。

在上述原因的共同作用下，空調季車站空調出風口的出風溫度始終過低，與站內溫度差較大，繼而導致了風管和出風口的凝露滴水和站臺門玻璃結霧的現象的產生。而冷機在溫度不高的天氣下運行又會因為負荷過低導致頻繁報警和頻繁啟停。

南京地鐵空調季為每年的5-10月，經手動控制模式調試并結合站廳站臺溫濕度測試儀數據發現，在不開冷機的情況下，每年空調季里車站溫度在相當長的時間里都不超過26℃，此時冷機如果始終大負荷運行，必然導致車站始終處于過低的溫度。南京七、八月氣溫最高，站廳站臺的溫度才會較高，此時需要冷水機組較大負荷運行。六月和九月，一臺冷機輕載運行基本可滿足制冷需要。五月和十月，僅個別異常天氣造成車站較濕熱時需要運行冷機。

2.改造思路

通過冷水量與風量的聯合控制來實現車站溫度合理控制，解決此前由于車站溫度過低引起的的問題，同時避免冷機低負荷時的頻繁啟停。為BAS程序新增冷凍水閥自動調節功能（包括大系統和小系統），通過改變各子系統的冷凍水的供給量來調節表冷器的制冷量，從而有效控制各子系統的出風溫度。

3.方案設計

對BAS系統的程序進行調整，確保在調節通風空調系統程序時不對其他部分程序造成影響，然后分離源程序，實現KT和回排風的獨立控制，最后添加相關限定參數，先構建風量閉環控制系統，在此基礎上構建冷水閉環控制系統，使得通風空調系統在空調季得以實現風水聯調的雙閉環控制模式。其中風機運行時間段延用車站運營時間段，仍為5：30至次日0：30，冷水機組運形時間段修改為6：30至23：30。風機及冷水機組啟停條件參數設置見表1，表中參數均為自動模式下設定，手動模式和事故模式優先級均高于自動模式。雙閉環系統控制流程圖見圖1。

三、改造效果對比分析

十號線通風空調系統控制策略優化于2018年年中正式改造完成，并在后續工作中對各項參數進行微調，使其在滿足地鐵環控系統參數要求的同時，與各車站現場情況更加貼合。改造完成后，對2017年-2019年十號線環控系統的總耗電量情況進行了對比分析，見表2、表2。

十號線通風空調控制策略經2018年完成改造并投入使用后，對比2017年全年能耗情況，用電量減少1543020.32kWh，整體能耗降低21.5%，2019年通風空調系統全年都采用改造后的控制策略運行，相比2018年用電量減少2891700.5kWh，整體能耗降低40.3%，在節能減排方面取得重大突破。

四、結語

南京地鐵十號線通風空調系統控制策略項目改造，主要通過修改環控系統中通風空調部分的PLC程序參數來完成，在不對現場硬件進行新增、改造的情況下完成改造并在節能方面取得較大成果，同時使得空調系統的運行更加貼合現場情況，提高了乘客和車站工作人員舒適度，做到了低投入高回報，為其他地鐵線路地下車站的節能改造提供了可行性證明與重要參考數據。

參考文獻：

[1]張金花.地鐵通風空調系統運行現狀及能耗調研分析[B]通風與空調，1002-3607（2020）04-0052-04.

[2]蘇子怡.夏熱冬冷地區全高站臺門地鐵環控負荷分析[A]都市快軌交通.1672-6073（2020）05-0123-07.