地鐵環(huán)控大系統(tǒng)基于已知負荷模型的前饋控制策略討論

林 菁，付戰(zhàn)瑩，江洪澤，劉曉亮

（廈門軌道交通集團有限公司，福建廈門 363100）

城市軌道交通是公共交通領(lǐng)域中最為節(jié)能的交通方式之一，然而單條地鐵線路的年用電量仍在1 億kW·h以上，其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由于考慮到遠期最大負荷，設(shè)計上存在一定的富余量[1]，所以運營時其能耗占地鐵總耗能的40%～50%[2]。近年來，利用變頻技術(shù)對地鐵通風(fēng)空調(diào)設(shè)備進行節(jié)能控制已成為主流，即通過送、回風(fēng)溫度調(diào)節(jié)PID 控制變頻器的運行頻率，實現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)量控制，從而在滿足室內(nèi)冷負荷需求的情況下達到有效節(jié)能的目的[3]。然而，環(huán)控系統(tǒng)PID 控制存在惰性，主要表現(xiàn)為輸出變化速度緩慢，調(diào)節(jié)速度緩慢，控制周期較長，存在著改進空間。因此，筆者通過分析廈門地鐵1 號線現(xiàn)有控制策略下環(huán)控大系統(tǒng)的能耗特點，結(jié)合客流、環(huán)境建筑特點及現(xiàn)場設(shè)備實際運行狀態(tài)形成前饋模型，并形成基于已知負荷模型的前饋控制策略，從而提高環(huán)控系統(tǒng)的運行效率，實現(xiàn)環(huán)控大系統(tǒng)的節(jié)能有效運行。

1 現(xiàn)行地鐵環(huán)控大系統(tǒng)控制策略

地鐵地下車站的環(huán)控系統(tǒng)主要由車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及隧道通風(fēng)系統(tǒng)組成。隧道通風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)于隧道區(qū)域，由區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)及車行區(qū)軌道排熱系統(tǒng)組成。車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，根據(jù)功能及服務(wù)區(qū)域不同，又分為通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)(服務(wù)于地下車站公共區(qū))、通風(fēng)空調(diào)小系統(tǒng)(服務(wù)于設(shè)備區(qū))和通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)(為整套空調(diào)系統(tǒng)提供冷源)。這里主要討論車站通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)，主要設(shè)備有空調(diào)箱(2 臺)、回排風(fēng)機(2 臺)、小新風(fēng)機(2 臺)、電動二通閥(2 臺)。

地下車站環(huán)控大系統(tǒng)由環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)進行控制，BAS 在風(fēng)、水系統(tǒng)的控制中采用PID控制，通過與設(shè)定的室內(nèi)溫濕度比較來進行風(fēng)機頻率、電動二通閥的開度控制，以達到設(shè)計確定的控制目標。該控制方式是在檢測到現(xiàn)場負荷大量變化后才進行的反饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出速度慢，具有較大的滯后性，實際運行中難以根據(jù)實際的負荷需求合理運行冷機、水泵等環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備，導(dǎo)致能耗偏高且設(shè)備運行不佳，存在很大的控制優(yōu)化空間和較大的節(jié)能空間。

2 地下車站環(huán)控大系統(tǒng)負荷特點

地下車站因其特殊的建筑結(jié)構(gòu)及運營規(guī)律，具有明顯的已知負荷特點。地下車站環(huán)控大系統(tǒng)公共區(qū)的已知負荷可以大致分為新風(fēng)及出入口滲漏風(fēng)負荷、設(shè)備負荷、人員負荷，其中設(shè)備負荷穩(wěn)定性較高，可以近似當成已知常量。所以，本研究中只進行設(shè)備負荷的基礎(chǔ)量測試，不再進行討論及分析。

2.1 新風(fēng)負荷特點

根據(jù)李俊[4]、楊樂[5]對廣州、北京、重慶地鐵車站新風(fēng)負荷的研究，傳統(tǒng)設(shè)計的環(huán)控系統(tǒng)中新風(fēng)負荷約占車站公共區(qū)負荷的10%～15%。清華大學(xué)學(xué)者的研究表明，因列車活塞效應(yīng)而產(chǎn)生的出入口滲風(fēng)量在5 000～15000 m3/h 之間，約占公共區(qū)負荷的5%[6]。江億院士的研究也表明，地鐵車站的實際新風(fēng)遠高于設(shè)計新風(fēng)[7]。通過實際測試得出地鐵站內(nèi)出入口滲漏風(fēng)量情況，在滿足人員新風(fēng)需求的前提下，對系統(tǒng)過量新風(fēng)進行控制調(diào)節(jié)，從而降低站內(nèi)新風(fēng)負荷，對公共區(qū)環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義。

為了解地鐵車站的環(huán)控系統(tǒng)控制的新風(fēng)量情況及新風(fēng)需求規(guī)律，筆者在環(huán)控系統(tǒng)閉式運行且雙排熱風(fēng)機處于關(guān)機條件下，對廈門地鐵1 號線試點車站的通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)出入口滲漏風(fēng)及屏蔽門區(qū)間隧道的滲入風(fēng)量進行了測試，新風(fēng)量供需對比如圖1 所示。

圖1 新風(fēng)量供需對比Fig. 1 Comparison of supply and demand of fresh air

測試結(jié)果表明，設(shè)計中的機械新風(fēng)量遠高于地鐵運營初期需求的人員新風(fēng)量。而在環(huán)控大系統(tǒng)的閉式運行中，出入口的滲風(fēng)量已完全滿足初期站內(nèi)人員新風(fēng)需求。因此，本研究初步認定，在地鐵運營的初期，可關(guān)閉機械新風(fēng)的引入方式，以節(jié)約機械引入新風(fēng)而產(chǎn)生的電耗。同時，根據(jù)實測結(jié)果(見圖1)，出入口的滲入風(fēng)量遠低于新風(fēng)道引入的新風(fēng)量，因此環(huán)控大系統(tǒng)需進行制冷的新風(fēng)負荷也大大降低，有效節(jié)約了系統(tǒng)能耗。

2.2 人員負荷特點

人員負荷是地鐵公共區(qū)負荷變化的重要變量。地鐵車站的客流數(shù)量呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，在周一至周五的早晚高峰時達到峰值，其余時間客流數(shù)量明顯降低。地鐵車站客流量的規(guī)律性，使得站內(nèi)人員負荷的預(yù)測控制存在可能[8]。通過對人員負荷的預(yù)測進行規(guī)律性供冷，可避免平峰期的冷量浪費。

為實現(xiàn)對人員負荷的前饋控制，對試點站的客流規(guī)律進行實測，如圖2、圖3 所示。

由數(shù)據(jù)分析可知，試點站工作日早高峰出現(xiàn)在7:00—9:00，晚高峰在17:00—20:00，其中日最高客流時間段為18:00—19:00。因為試點站附近有大型商場，因而節(jié)假日高峰期出現(xiàn)在15:00—19:00。

圖2 試點站工作日客流數(shù)據(jù)趨勢Fig. 2 Trend of work day passenger flow of a pilot station

圖3 試點站節(jié)假日客流數(shù)據(jù)趨勢Fig. 3 Trend of passenger flow of a pilot station in holidays

同時，根據(jù)《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[9]，車站人員的冷負荷計算如下：

式中：Q乘為乘客冷負荷；Q顯為顯熱負荷；Q潛為潛熱負荷；q顯為顯熱；q潛為潛熱；R為乘客人數(shù)，根據(jù)不同客流量取值；T停為乘客停留時間。

通過計算可得出“時間-客流-負荷”三者的關(guān)系模型，如表1 所示。

表1 “時間-客流-負荷”關(guān)系Tab. 1 “Time-passenger-load” relationship

3 節(jié)能思路與前饋控制策略探討

3.1 基于已知負荷分析的節(jié)能思路

通過對上述新風(fēng)負荷特點及人員負荷特點分析，結(jié)合修正新風(fēng)負荷、客流負荷規(guī)律及設(shè)備負荷常量，對不同區(qū)段的客流人員冷負荷進行了定量測算，得出“時間-新風(fēng)量-客流量-冷負荷”之間的關(guān)系模型，如表2所示。以該模型為基礎(chǔ)，換算出對應(yīng)的恒定送風(fēng)溫度下的風(fēng)機送風(fēng)頻率，分時間段控制空調(diào)箱風(fēng)機送風(fēng)頻率變化，從而實現(xiàn)在已知負荷模型下的前饋控制。根據(jù)負荷變化規(guī)律，對不同時間段的冷負荷進行預(yù)判及定時定量輸出，解決了制冷量過大及制冷滯后的問題。

表2 “時間-客流/新風(fēng)-冷負荷”約束關(guān)系Tab. 2 “time-passenger flow / fresh air cooling-load”constraints

3.2 車站公共區(qū)新風(fēng)量控制策略

上述站內(nèi)實際新風(fēng)量與需求實測結(jié)果表明，廈門地鐵在初期運行期間，站內(nèi)高峰期出入口的滲漏風(fēng)量已滿足室內(nèi)新風(fēng)量需求。因此，新風(fēng)控制調(diào)節(jié)只與公共區(qū)CO2濃度有關(guān)，建議通過調(diào)節(jié)組合空調(diào)箱以及回排風(fēng)機頻率進行新風(fēng)量控制。

清華大學(xué)的實測數(shù)據(jù)[10]表明，在環(huán)控系統(tǒng)閉式運行的情況下，車站公共區(qū)的機械風(fēng)量存在如下關(guān)系：當回排風(fēng)機風(fēng)量大于送風(fēng)量時(可通過提高回排風(fēng)機的運行頻率，降低組合空調(diào)箱的運行頻率)，回排風(fēng)量等于送風(fēng)量與出入口滲漏風(fēng)量、區(qū)間隧道滲入風(fēng)量的總和。因出入口新風(fēng)引入的品質(zhì)與新風(fēng)井引入的新風(fēng)品質(zhì)并無太大差別，在公共區(qū)CO2濃度高于目標上限值時，采用風(fēng)機聯(lián)控調(diào)節(jié)方式，從出入口引入新風(fēng)，減少機械送風(fēng)的風(fēng)機電耗。當公共區(qū)CO2濃度不高于目標上限值時，不進行新風(fēng)的主動引入，環(huán)控系統(tǒng)保持閉式運行。當公共區(qū)CO2濃度高于目標上限值時，根據(jù)其濃度啟動組合空調(diào)箱及回排風(fēng)機，通過風(fēng)機聯(lián)動引入新風(fēng)，根據(jù)15 min 一次反饋進行調(diào)節(jié)，具體控制邏輯如圖4 所示，調(diào)節(jié)參數(shù)的取值范圍如表3 所示。

圖4 新風(fēng)控制策略邏輯Fig. 4 logic diagram of fresh air control strategy

表3 新風(fēng)調(diào)節(jié)使用參數(shù)Tab. 3 Operating parameters of fresh air regulation

3.3 基于已知負荷的前饋控制策略

為實現(xiàn)前饋控制，通過采集閘機數(shù)據(jù)，可預(yù)估出每日不同時間段的客流量，并得出人員負荷的需求量。根據(jù)人員負荷，結(jié)合實際運行的新風(fēng)負荷修正及原始設(shè)備負荷數(shù)據(jù)，得出公共區(qū)環(huán)控系統(tǒng)冷負荷與時間之間的規(guī)律。通過BAS 反饋，調(diào)節(jié)組合空調(diào)箱冷凍水電動二通閥開度，實現(xiàn)公共區(qū)送風(fēng)溫度在可控范圍內(nèi)不變。然后，將模型導(dǎo)入前饋控制器，根據(jù)不同時間執(zhí)行相應(yīng)冷負荷的風(fēng)機調(diào)節(jié)頻率，從而實現(xiàn)已知負荷前饋控制。在不同時間段輸出負荷后，如溫度出現(xiàn)3℃以上偏差再進行反饋控制，具體邏輯如圖5、圖6 所示。

圖5 公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)前饋控制邏輯Fig. 5 Feedforward control logic of ventilation and air conditioning in public area

圖6 送風(fēng)量前饋控制邏輯Fig. 6 Feed forward control logic of air supply volume

3.4 公共區(qū)環(huán)控系統(tǒng)非空調(diào)季控制策略

在過渡季節(jié)，組合空調(diào)箱以最大頻率連續(xù)運行超過30 min，而室內(nèi)溫度仍高于設(shè)定目標溫度時，啟動空調(diào)水系統(tǒng)進行制冷，其余控制部分參照空調(diào)季控制策略。過渡季節(jié)組合空調(diào)箱最低頻率連續(xù)運行超過40 min，且室內(nèi)溫度低于目標溫度3℃時，關(guān)停空調(diào)水系統(tǒng)。

冬季關(guān)閉空調(diào)水系統(tǒng)，將閘機數(shù)據(jù)及歷史實測數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入前饋控制器，根據(jù)不同時間執(zhí)行相應(yīng)冷負荷的風(fēng)機調(diào)節(jié)頻率，從而實現(xiàn)已知負荷的前饋控制。在不同時間段輸出負荷后，如溫度出現(xiàn)2℃以上偏差，再進行反饋控制，具體邏輯如圖7 所示。

圖7 冬季送風(fēng)量前饋控制邏輯Fig. 7 Feed forward control logic of air supply volume in winter

4 結(jié)論

筆者以廈門地鐵的實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，提出了基于已知負荷的前饋控制策略。與原雙反饋的PID 控制策略進行對比分析，得出如下結(jié)論：

1) 地鐵車站運營初期，在活塞風(fēng)的作用下，出入口滲漏風(fēng)已完全滿足公共區(qū)新風(fēng)量需求，公共區(qū)可采用閉式運行策略。如果出現(xiàn)突發(fā)客流高峰，可根據(jù)CO2上限參數(shù)進行風(fēng)機聯(lián)動控制，以滿足站內(nèi)新風(fēng)量需求。該策略可降低傳統(tǒng)模式中因引入新風(fēng)而造成的多余機械電耗。

2) 地下車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在恒定送風(fēng)溫度下，引入基于客流人員負荷、新風(fēng)負荷、環(huán)境溫度變化等綜合歷史參數(shù)建立的負荷需求模型。以該模型對送風(fēng)量進行定時定量的前饋控制，可以較好地解決雙反饋PID 調(diào)節(jié)存在的滯后及高度非線性問題。

3) 根據(jù)上述控制策略，新風(fēng)控制策略預(yù)計每年可節(jié)約用電量17 萬kW·h，公共區(qū)環(huán)控系統(tǒng)冷負荷基于已知負荷的前饋控制策略，預(yù)計可節(jié)約用電量100 萬kW·h，合計可節(jié)約原控制策略下環(huán)控系統(tǒng)總用電量的4%。