地鐵通風空調系統節能控制的實現及效果

文 / 西安市軌道交通集團有限公司建設分公司 鐘銳楠

地鐵通風空調系統控制策略概述

依據地鐵的負荷及能耗特點，本方案主要通過對控制對象采取優化的控制措施從而實現以下功能：

（1）根據現場環境參數實時調節各類變頻風機頻率，適應地鐵負荷的變化，節約風機能耗；

（2）對冷水機組運行臺數、冷水機組出水溫度、冷凍水泵頻率及電動二通閥的調節采取優化控制措施，降低水系統能耗。

通風系統節能工藝實現控制策略

通風工藝根據車站實際內外環境，提出了準確控制風機頻率，保證車站滿足環境的指標要求，為了實現大系統通風工藝要求，本章將會進行詳細的控制策略方案分析。

空調機組頻率調節

空調機組為一次回風系統，空調機組風機配置變頻器，通過改變頻率能夠調節空調機組的送風量，減少能源的消耗。

空調季空調機組控制策略。在空調季，為了使本端公共區站內平均溫度=設定溫度，根據本端公共區站內平均溫度與站內設定溫度的差值及冷凍水溫度等參數進行組合式空調機組的風機頻率優化調節，同時根據公共區CO濃度做保護。具體調節趨勢如下：

本端公共區站內平均溫度tn＞tset，風機頻率提高；

本端公共區站內平均溫度tn＜tset，且二氧化碳濃度CCO≤Cset，風機頻率降低。

回排風機頻率調節

地鐵通風系統回排風機配置變頻器，通過改變頻率可以調節回排風機的送風量，減少能源的消耗。

送排風機均運行時，回排風機的頻率f根據組合式空調機組的風機頻率及各風機額定風量計算得到，可以根據計算得到的頻率進行回排風機頻率的即時調節。計算公式如下：

f為回排風機頻率，f1為組合式空調機組風機頻率

Q為組合式空調機組額定（工頻）風量（xxxm/h）

Q為回排風機額定（工頻）風量（xxx m/h）

Q為小新風機的額定（工頻）風量（xxx m/h）

具體風量以工點設計提供數據為準。

只送不排時，按照空調機組頻率調節算法進行調節。

水系統節能工藝實現控制策略

地鐵車站大系統和小系統共用一套冷水系統，由車站冷水機組提供冷凍水。水系統節能工藝主要包括：

冷機啟停控制

自動開機策略：

（1）系統當前模式為夏季且系統當前時間在制冷系統時間表內；

（2）tw ＞ tset1；

兩個條件同時滿足且持續Tm時，向冷站系統發送開啟冷機指令（開啟其中一臺）。

注：

tw ：車站室外平均溫度；

tset1 ：冷機切換新風溫度（由設計給定）；

Tm ：冷機切換新風溫度持續時間。

自動停機策略：（1）系統當前日期不處于空調季；

（2）tw ＜ tset1-2℃，同時滿足持續時間為Tm；

上述條件滿足其一，向冷機發送關機指令。

冷機臺數及負荷調節控制

BAS系統根據負荷情況對冷機的運行臺數進行調節。冷機的負荷數據是由冷機自身來提供，通過BAS與冷機的接口，由冷機將負荷數據實時傳送給BAS系統，系統會根據檢測的冷機負荷率以及溫差的變化，來進行冷機臺數的增減，具體過程如下：

（1）單臺冷機運行時，當運行冷機的負荷率大于設定負荷率m（如90%），且持續時間大于設定時間t，且冷凍水供水溫度大于設定溫度T1，則增加一臺冷機投入運行。（2）兩臺冷機運行時，當兩臺冷機的負荷率之和小于設定負荷率m（如8：5%），且持續時間大于設定時間t，且冷凍水供水溫度小于設定溫度T，則減少一臺冷機運行。

因冷機的啟停過程需時較長，啟停過程中會對水溫、壓力、水量等產生較大的影響，因此應避免人為頻繁的改變冷機運行臺數。

冷水系統設備控制策略

（1）冷凍水泵頻率調節。為了避免大流量小溫差運行導致的水泵能耗浪費，冷凍水泵根據冷凍水供回水溫差（設計溫差為5℃）來進行頻率地優化控制，當實際溫差大于設計溫差時，提高頻率；實際溫差小于設計溫差時，降低頻率。

（2）最不利末端壓差保護。對于可能出現的最不利末端壓力不夠的情況，在冷凍水泵的頻率控制中，設置最不利末端壓差保護功能，控制邏輯如下：

根據壓差傳感器的測量值，當實際壓差小于設定最小壓差時，停止按照供回水溫差進行冷凍水泵的頻率控制，保持當前水泵運行頻率不變；如實際壓差小于設定最小壓差值，且持續時間t，則逐步提高冷凍水泵運行頻率，直到實際壓差大于設定最小壓差值，停止提高頻率，水泵保持當前頻率運行；如實際壓差大于設定最小壓差的持續時間t，恢復按照供回水溫差進行變頻控制。

（3）冷卻水泵臺數控制。冷卻水泵為工頻控制，為了避免大流量小溫差運行導致的水泵能耗浪費，冷卻水泵根據冷水機組運行臺數進行啟?？刂疲斃渌畽C組運行一臺時，冷卻水泵啟動一臺；當冷水機組啟動兩臺時，冷卻水泵也相應啟動兩臺。

（4）冷卻塔風機臺數控制。冷卻塔風機為工頻控制，冷卻塔風機臺數控制根據冷卻水回水溫度進行控制，具體為：

當冷卻水回水溫度大于設定低限溫度t，小于設定高限溫度t（即：t≤t≤t），且持續一定時間T，則運行一臺冷卻塔風機；

當冷卻水回水溫度大于設定溫度t，且持續一定時間T，則運行兩臺冷卻塔風機；

當冷卻水回水溫度小于設定溫度t，且持續一定時間T，則關閉所有冷卻塔風機。

（5）電動二通閥調節控制。BAS系統二通閥開度采用定時調節功能，具體調節方式按以下規則進行：

大系統二通閥可根據送風溫度來進行調節

當送風溫度大于設定溫度，且持續一定時間T時，要減小二通閥的開度；

當送風溫度低于設定溫度，且持續一定時間T時，二通閥開度增大。

節能效果檢驗方案

針對地鐵線路在開通運營后，為了檢驗節能方案實施效果，特采取以下檢驗方案：

在地鐵線路選取一座典型車站，在一定時間內該站BAS系統按照通風空調節能控制策略方案運行BAS系統設備，并記錄該方案下能耗數據。再在接下來同樣的時間段內，使該站BAS系統按照非通風空調節能控制策略方案（與其它既有線路車站的控制方式相同）運行BAS系統設備，并記錄該方案下的能耗數據。對相同時間段內兩種運行方案下記錄的能耗數據進行比較，即可判斷節能的實際效果。

說明：該方案數據能耗為同一個站點，車站空間、設備數量、通風工藝設計均相同，滿足節能效果檢驗的所有條件，數據比較也就更有說服力。

能耗數據統計方案及節能率

能耗數據統計方案

空調季，在該車站每7天一個周期選擇時間表模式和節能模式運行，分別記錄在這兩種模式運行下電表的數據，按1個月的數據為周期進行記錄，通過記錄的數據進行對比，從而計算出節能率。在正常時間表模式下，只要進入空調季，通風空調和水系統就會按照事先排定的時間表進行模式運行；當采用節能模式運行后，在外部環境溫度變化時，控制策略會通過溫度、濕度及二氧化碳濃度對空調機組、回排風機、冷凍泵頻率和二通閥開度進行調節，同時可對冷水機組、冷卻塔風機的加減載進行調節，在需冷量加大時增加風機頻率及二通閥開度，當需冷量降低時減少風機頻率及二通閥開度，從而達到節能的目的。

能耗統計數據如下：

經過一個月的數據統計，最終采集的空調機組、回排風機、冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等通風空調系統設備在非節能模式下的總能耗數據為：113706.99，節能模式下的總能耗數據為89627.13。

節能率計算

節能率=[1-（節能模式下的能耗數據/非節能模式下的能耗數據）]*100%

經過以上數據計算得出該典型車站通風空調系統節能率約為21.18%。

結語

通過對通風空調系統節能控制策略的引進及以上計算數據分析，可以得出如下結論：

（1）BAS通風空調節能控制系統通過對通風空調系統和空調水系統監控設備的實時自動調節，既保證了車站營運所需的正常通風，同時也達到了減少能耗，節省能源的目的。

（2）通過對節能模式下空調機組、回排風機、冷凍泵、二通閥等實際運行參數的分析，表明BAS系統節能控制策略的引進，通過控制調節使得以上設備啟動一段時間后在低頻下運行并保持穩定，降低設備損壞的幾率，減少了運營及維護成本。