BAS自動模式控制技術(shù)在地鐵環(huán)控中的應(yīng)用

張志鵬，王文崢，任冠兵

（鄭州地鐵集團有限公司運營分公司，鄭州 450000）

夏季公共區(qū)乘客舒適度及設(shè)備房設(shè)備運行狀況與地下車站的溫度及濕度息息相關(guān)，而車站通風都是通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(building automation system，BAS)遠程控制實現(xiàn)的。《地鐵設(shè)計規(guī)范》里指出，BAS應(yīng)能通過對環(huán)境參數(shù)的檢測，對能耗進行統(tǒng)計分析，控制通風、空調(diào)設(shè)備優(yōu)化運行，提高地鐵整體的環(huán)控舒適度，降低能源消耗[1]。BAS對車站通風的控制包含4種形式：單體控制、模式控制、時間表控制和自動模式控制。而車站空調(diào)水系統(tǒng)相關(guān)的機電設(shè)備是車站高耗能設(shè)備，怎么降低設(shè)備的能耗是目前地鐵運行中切實需解決的問題。單體控制、模式控制和時間表控制這3種方式都有其相應(yīng)的弊端或缺陷，通過自動模式控制對車站空調(diào)通風及水系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，減少人工干預對設(shè)備運行能耗的影響，并通過模式自動調(diào)節(jié)空調(diào)及冷水設(shè)備運行，既可以保證公共區(qū)和設(shè)備房環(huán)境溫濕度在合理的范圍內(nèi)，也可以起到節(jié)能和降低運營成本的目的。

1 自動模控工作原理

BAS通風模式控制中設(shè)置自動模控功能，采集主要位置(站廳站臺公共區(qū)、新風道、冷水機組出風口、回排風靜壓箱、設(shè)備房溫濕度等)傳感器的溫/濕度數(shù)值，通過焓值計算，自動模控依據(jù)焓值進行判斷，對大小系統(tǒng)中全新風模式、小新風模式和全通風模式之間進行自動切換，并通過 PID (proportional integral derivative，比例，積分，微分)參數(shù)調(diào)節(jié)組合空調(diào)、回排風機的工作頻率及動態(tài)流量平衡閥的開度。原則是先調(diào)節(jié)通風模式，后調(diào)節(jié)閥開度和風機頻率來實現(xiàn)自動模控的控制，以用于改善車站公共區(qū)和設(shè)備房的溫/濕度，實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能與車站舒適度的同時兼顧。

地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)主要以全空氣系統(tǒng)為主，因為地鐵負荷特征，車站內(nèi)風機的運行時間相對較長，且風機功率要遠遠大于普通空調(diào)系統(tǒng)風機功率，所以風機能耗水平相對較高。車站對風量進行精準控制，確保風機效率可以始終保持在最佳狀態(tài)，建議將調(diào)節(jié)風機頻率作為空調(diào)系統(tǒng)運行方式之一，以將能源消耗控制在最低[2]。

2 焓值和PID的定義和計算

2.1 焓值定義和計算

焓值是指空氣中所含有的所有熱量，是以干空氣單元質(zhì)量為基準進行計算的，也被稱為比焓[3]，即濕度與溫度的綜合表現(xiàn)方式。在設(shè)計BAS系統(tǒng)時，需要確定空氣中的焓值，以明確車站內(nèi)部溫度是否合理，進而將其調(diào)整到最為舒適的狀態(tài)。焓用符號i表示，單位是kJ/kg干空氣，濕空氣焓值等于1 kg干空氣的焓值與dkg水蒸汽焓值之和[4]。通過車站公共區(qū)站廳和站臺溫濕度傳感器檢測的數(shù)值，結(jié)合焓值計算公式，計算出車站公共區(qū)濕空氣的焓值(Hi)，供PID計算時使用：

式中：t為空氣溫度，℃；d為空氣的含濕量kJ/kg干空氣；1.01為干空氣的平均定壓比熱，kJ/(kg·K)；1.84為水蒸氣的平均定壓比熱，kJ/(kg·K)；2 500為0℃時水的汽化潛熱，kJ/kg。

針對空調(diào)大小系統(tǒng)，BAS系統(tǒng) PLC(可編程邏輯控制器)根據(jù)焓值計算值，固定時間(一般是30 min)采集1次，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行模式間切換。

BAS系統(tǒng)PLC程序內(nèi)使用了梯形圖語言、功能塊語言等多種形式進行編程，自動模控部分采用了功能塊的形式。將需要重復調(diào)用的程序封裝進一個功能塊內(nèi)，可以使程序結(jié)構(gòu)簡明易懂。根據(jù)上述公示與功能塊定義，通過程序中設(shè)置Enthalpy Compute、MODE功能塊等計算焓值，如圖1所示，將運算結(jié)果賦予控制模式變化的變量。

圖1 Enthalpy Compute功能塊界面示例Figure 1 Example of the enthalpy computation function block interface

2.2 PID 控制定義與計算

PID控制屬于自動控制系統(tǒng)中的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在BAS系統(tǒng)控制中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)制規(guī)律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，簡稱 PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)[5]。

PID調(diào)節(jié)多用于車站中連續(xù)型電動調(diào)節(jié)風閥(DT)、連續(xù)型耐高溫電動調(diào)節(jié)風閥(DTH)等的多開度控制，以及大系統(tǒng)組合式空調(diào)器(AHU)、大系統(tǒng)回排風機(HPF)的變頻控制，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID計算，可以計算出風機設(shè)備的頻率變化幅度：

式中：Δf為風機設(shè)備變化的頻率，需四舍五入取整，另注意根據(jù)變化幅度計算得到組合式空調(diào)器電機頻率在小新風空調(diào)、全新風空調(diào)工況下，小于25 Hz時取25 Hz，大于50 Hz時取50 Hz。

根據(jù)變化幅度計算得到組合式空調(diào)器電機頻率在通風工況下，小于20 Hz時取20 Hz，大于50 Hz時取50 Hz。

其中Ht2為時間t2大系統(tǒng)回風的實測焓值，Ht1為上一次時間 10 min前(后期可根據(jù)運營數(shù)據(jù)進行調(diào)整)t1大系統(tǒng)回風的實測焓值，t1、t2的單位為min；HN為該車站室內(nèi)空氣回風狀態(tài)點計算焓值。

通過PID計算出的調(diào)節(jié)值，在程序中進行條件判斷，進而決定選擇執(zhí)行合適的大小系統(tǒng)通風模式。焓值搜集計算周期(一般是10 min)，根據(jù)PID計算反饋結(jié)果調(diào)整執(zhí)行相應(yīng)的模式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)運行的功能。

3 自動模控實施步驟

自動模控實施工作共分為3個階段，溫/濕度傳感器數(shù)值校核階段、BAS系統(tǒng)自動模控調(diào)試階段以及驗證階段。

3.1 溫/濕度傳感器數(shù)值校核階段

自動模控中焓值數(shù)值的計算關(guān)鍵在于車站主要位置的溫濕度傳感器的數(shù)值，傳感器數(shù)值準確度對自動模控運行有很大的影響，通過將手持式溫濕度傳感器(精度高于或者等于現(xiàn)場安裝的傳感器)放置在已安裝溫濕度傳感器附近，待傳感器顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定后(5 min左右)，記錄手持式溫濕度傳感器數(shù)值和目前綜合監(jiān)控界面顯示對應(yīng)溫濕度的數(shù)值，記錄溫度和濕度偏差大(溫度偏差＞1℃，濕度偏差大于4%RH)的設(shè)備，對偏差大的傳感器進行處理，如果經(jīng)過處理的傳感器經(jīng)測量還達不到要求，則需要更換新的傳感器，保證地鐵中運用的傳感器精度都滿足自動模控運用的要求和標準。

3.2 自動模控程序調(diào)試階段

BAS系統(tǒng)自動模控的程序，需要選取測試站點進行調(diào)試才能使用，因為焓值計算要基于現(xiàn)場溫濕度傳感器的數(shù)值準確性，并且測試效果要達到實際情況的需要，需對程序進行多次調(diào)試才能完成，待測試結(jié)果滿足通風控制要求后，才能在其他站進行廣泛的應(yīng)用。以某地鐵BAS界面下自動模控示意為例，如圖2所示。

圖2 BAS系統(tǒng)自動模控界面Figure 2 BAS system automatic mode control interface

自動模控的實際工作原理是通過設(shè)定目標焓值，實現(xiàn)焓值變化后，依據(jù)實際焓值與目標焓值的關(guān)系，改變小系統(tǒng)的運行模式，調(diào)節(jié)PH閥開度。而自動模控參數(shù)設(shè)置界面的初始值為出廠時程序內(nèi)的默認值，進行了一段時間的觀察后，對部分車站的送風焓值及回風焓值進行針對性地微調(diào)，以保證更好的系統(tǒng)運行情況。首次調(diào)整數(shù)值時，以5～10個偏差值進行調(diào)節(jié)，之后每次以2為偏差值進行微調(diào)。最終調(diào)整至合適的參數(shù)，使系統(tǒng)持續(xù)運行。

以星湖站和柿園站為例，觀察這兩個車站的平均溫度和平均濕度的變化，空調(diào)送風和空調(diào)回風的焓值參數(shù)依據(jù)公式應(yīng)用而發(fā)生規(guī)律性調(diào)整，從而造成小系統(tǒng)通風模式的變化。如表1所示。

表1 星湖站和柿園站焓值設(shè)置與溫濕度變化界面Table 1 Xinghu Station and Shiyuan Station enthalpy value setting, temperature, and humidity change interface

3.3 自動模控程序驗證階段

通過在夏季通風季車站大小系統(tǒng)通風模式執(zhí)行自動模控，驗證自動模控運行效果[6]。是否能夠達到自動調(diào)節(jié)車站的溫/濕度，乘客對公共區(qū)溫/濕度能不能達到一個滿意的效果，并通過采集高能耗設(shè)備電量數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)值，與往年同期的設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進行對比，即可驗證自動模控能否達到運營的標準和要求。如果通過數(shù)據(jù)比對，溫/濕度數(shù)據(jù)變化較小并滿足乘客的舒適度要求，且設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)也處于下降趨勢，則證明 BAS系統(tǒng)執(zhí)行自動模控是控制通風設(shè)備的最優(yōu)控制方式。

4 自動模控對環(huán)控的積極影響

通過使用變頻變風量系統(tǒng)可以完成對車站大空調(diào)系統(tǒng)的有效控制，能夠達到較為理想的節(jié)能效果，如果地鐵所處地區(qū)空氣濕度較大，就很容易產(chǎn)生凝露問題，會使乘客的乘車體驗受到一定程度的影響，也可能會造成不同程度的安全隱患[7]。因此，需要找出舒適度與節(jié)能需求兼顧的控制方案，在保證乘客基本舒適度的同時，有效降低設(shè)備能源消耗。

4.1 溫/濕度控制影響

可通過對本年度地鐵站執(zhí)行自動模控的公共區(qū)溫/濕度相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，和往年采取其他方式的公共區(qū)溫濕度相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比，會發(fā)現(xiàn)溫度和濕度變化波動范圍小，并且溫濕度在人體最舒適的環(huán)境內(nèi)(溫度≤28℃，40%≤濕度≤60%)，因此自動模控對車站環(huán)境的控制，起到了良好的效果和結(jié)果。

4.2 能耗控制方面影響

借鑒某城市市區(qū)地鐵和城郊地鐵 2019年運行自動模控的情況，詳細的冷水系統(tǒng)設(shè)備能耗對比詳見表2和表3。

表2 市區(qū)地鐵地下站冷水系統(tǒng)電量消耗統(tǒng)計Table 2 Statistis of the electricity consumption of cold water systems in urban underground stations

表3 城郊地鐵地下站冷水系統(tǒng)電量消耗統(tǒng)計Table 3 Statistis of the electricity consumption of cold water systems in suburban metro underground stations

通過數(shù)據(jù)對比，2019年市區(qū)地鐵、城郊地鐵冷水系統(tǒng)電量消耗與2018年對比下降276 151 kW·h，說明自動模控在能源控制方面起到了積極效果，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約能源、降低成本的效果。

5 結(jié)論

通過分析地鐵環(huán)控系統(tǒng)和變頻技術(shù)運行中的各種參數(shù)，利用微型計算機進行智能控制，有效提高功率因數(shù)，實現(xiàn)對負載的自動適應(yīng)和調(diào)整，達到節(jié)約能源和保護設(shè)備的目的[8]。對BAS自動模控運用效果來說，通風設(shè)備自動模控具有很好的前瞻性，是未來發(fā)展的方向，設(shè)備能耗的控制是未來地鐵運營成本控制的發(fā)展方向。BAS自動模控專項運用在全國其他地鐵案例是極少的，相信在將來會有更多的運營線路應(yīng)用自動模控，實現(xiàn)地鐵運營節(jié)能降耗。