地鐵車站風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制方案

楊致遠(yuǎn)， 高 巖， 李 晨

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年中國大陸城軌交通年總電能耗達(dá)213.1 億kW·h，同比增長23.6%[1]，相當(dāng)于排放2 125 萬tCO2，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占比30% ～50%，是主要的能耗輸出項(xiàng)和碳排放來源；因此，加快推進(jìn)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)作為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一種智能、高效的節(jié)能運(yùn)行控制方式，通過合理的節(jié)能控制策略，可有效提高通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能源利用效率。有研究表明，采用該控制方式的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)季的系統(tǒng)綜合節(jié)能率可達(dá)30%以上[2]。 本文以天津某地鐵車站為例，介紹站通風(fēng)空調(diào)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)實(shí)施方案及節(jié)能控制策略。

1 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)

天津已建及新建地鐵車站一般采用設(shè)置全封閉站臺(tái)門的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，主要由區(qū)間隧道通風(fēng)兼排煙系統(tǒng)（簡稱隧道通風(fēng)系統(tǒng)）、車站軌行區(qū)通風(fēng)排熱兼排煙系統(tǒng)（簡稱排熱通風(fēng)系統(tǒng)）、車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)及排煙系統(tǒng)（簡稱大系統(tǒng)）、設(shè)備管理用房通風(fēng)、空調(diào)及排煙系統(tǒng)（簡稱小系統(tǒng)）、空調(diào)冷源及水系統(tǒng)（簡稱水系統(tǒng)）組成[3]。

目前，國內(nèi)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制方式主要有設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、BAS+群控控制系統(tǒng)及風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)3種[4]。

1）BAS 控制系統(tǒng)一般針對(duì)由定頻設(shè)備組成的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，通過簡單的設(shè)備啟停控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同工況下的調(diào)節(jié)運(yùn)行。此系統(tǒng)雖然簡單，但運(yùn)營管理不便，能源利用率低。

2）BAS+群控控制系統(tǒng)依托風(fēng)機(jī)、水泵變頻技術(shù)的發(fā)展，一般通過恒壓差或恒溫差的PID 控制方法，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行群控和變頻控制[5]，由BAS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備變頻調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。此系統(tǒng)風(fēng)、水系統(tǒng)獨(dú)立控制，不能對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)中關(guān)聯(lián)的參數(shù)進(jìn)行耦合計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)最大能效系數(shù)，因此無法確定整個(gè)系統(tǒng)的最佳運(yùn)行方案。

3）風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)以地鐵車站通風(fēng)空調(diào)風(fēng)、水兩個(gè)系統(tǒng)為整體進(jìn)行控制，通過建立復(fù)雜的設(shè)備特性模型，集成計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制、數(shù)據(jù)庫和變頻調(diào)速等技術(shù)，自動(dòng)跟蹤負(fù)荷變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)受控設(shè)備的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和工作頻率，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、水系統(tǒng)全局優(yōu)化耦合控制，最大程度提升系統(tǒng)綜合能效系數(shù)。

2 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)方案

2.1 控制范圍

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況分為正常運(yùn)行工況、阻塞運(yùn)行工況、火災(zāi)運(yùn)行工況。阻塞及火災(zāi)運(yùn)行工況下，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備停止運(yùn)行或工頻運(yùn)行通風(fēng)排煙，出于安全及必要性考慮，系統(tǒng)控制權(quán)限交由車站BAS 或防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）。正常工況下，根據(jù)不同系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，采用不同的控制策略。

1）區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)：運(yùn)營時(shí)段內(nèi)不運(yùn)行；非運(yùn)營時(shí)段定時(shí)啟動(dòng)隧道風(fēng)機(jī)定頻運(yùn)行，為區(qū)間隧道通風(fēng)。該過程無需專業(yè)節(jié)能策略，交由BAS系統(tǒng)控制。

2）車站排熱通風(fēng)系統(tǒng)：運(yùn)營時(shí)段內(nèi)，依據(jù)軌行區(qū)環(huán)境空氣溫度，對(duì)排熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行及啟停控制；非運(yùn)營時(shí)段停止運(yùn)行。控制策略簡單且基本與其他系統(tǒng)無關(guān)聯(lián)，交由BAS系統(tǒng)控制。

3）車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)：運(yùn)營時(shí)段受室外環(huán)境條件及站內(nèi)客流等因素影響，全日逐時(shí)負(fù)荷及新風(fēng)量需求各不相同且呈現(xiàn)一定的周期性變化規(guī)律，需制定專業(yè)的節(jié)能運(yùn)行方案，對(duì)大系統(tǒng)組合式空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)及新風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行，因此交由風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)控制。

4）車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)：24 h 運(yùn)行且不同時(shí)刻負(fù)荷差別不大，一般采用定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)箱及回排風(fēng)機(jī)定頻運(yùn)行，節(jié)能需求和節(jié)能空間較小，交由BAS系統(tǒng)控制。

5）車站空調(diào)水系統(tǒng)：采用變流量一級(jí)泵系統(tǒng)，由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)及制冷主機(jī)3 部分組成。設(shè)計(jì)階段，設(shè)備容量一般按系統(tǒng)遠(yuǎn)期高峰小時(shí)運(yùn)行情況配置，運(yùn)營初期負(fù)荷率遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)水平且受地鐵站末端負(fù)荷逐時(shí)變化影響，系統(tǒng)設(shè)備大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷工況下運(yùn)行；因此，提高設(shè)備部分負(fù)荷工況下能源利用效率是水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)這一目的，控制系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)設(shè)備運(yùn)行臺(tái)數(shù)、工作頻率及末端水閥開度進(jìn)行綜合分析，確定最佳的運(yùn)行方案，交由風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

綜上所述，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)控制范圍設(shè)定為車站大系統(tǒng)及空調(diào)水系統(tǒng)。

2.2 總體架構(gòu)

車站風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)由風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制柜、水系統(tǒng)采集控制箱、現(xiàn)場(chǎng)采集控制箱、各類傳感器、各種配線電纜等組成。上游通過通信接口與BAS系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及BAS 對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)的集成；下游根據(jù)被控對(duì)象或區(qū)域劃分的不同，分為大系統(tǒng)變風(fēng)量、水系統(tǒng)變流量2 個(gè)智能控制子系統(tǒng)。各控制子系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)控制子系統(tǒng)擁有一個(gè)獨(dú)立的控制器，內(nèi)置有專用的系統(tǒng)控制策略。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與各子系統(tǒng)連接，完成各環(huán)節(jié)間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)信息的集成、集中監(jiān)視、聯(lián)動(dòng)控制。見圖1。

圖1 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

1）大系統(tǒng)變風(fēng)量智能控制子系統(tǒng)包括大系統(tǒng)組合式空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)、小新風(fēng)機(jī)、靜電滅菌凈化裝置、工況切換風(fēng)閥及各類溫濕度傳感器、CO2傳感器。

2）水系統(tǒng)變流量智能控制子系統(tǒng)包括冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、水處理器、冷卻塔電動(dòng)蝶閥、末端表冷器電動(dòng)二通閥及各類傳感器。

各子系統(tǒng)控制對(duì)象及系統(tǒng)主要受控參數(shù)見表1。

表1 主要受控設(shè)備參數(shù)

3 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制策略

正常工況下，由BAS 系統(tǒng)確定通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式。模式下發(fā)后，由風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制策略運(yùn)算，通過對(duì)風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)跟蹤和耦合計(jì)算以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的主動(dòng)尋優(yōu)和在線調(diào)節(jié)等功能，將大系統(tǒng)變風(fēng)量控制子系統(tǒng)與水系統(tǒng)變流量控制子系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。采取風(fēng)變頻、水變頻的全局協(xié)調(diào)控制模式，使整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)工作、高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的智能化節(jié)能控制。見圖2。

圖2 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制策略

3.1 風(fēng)系統(tǒng)控制策略

大系統(tǒng)變風(fēng)量智能控制子系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)室外及公共區(qū)空氣溫濕度、CO2濃度參數(shù)，結(jié)合車站客流量數(shù)據(jù)及歷史負(fù)荷變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)計(jì)算并預(yù)測(cè)未來短時(shí)間系統(tǒng)負(fù)荷及新風(fēng)量需求，對(duì)大系統(tǒng)組合空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)及新風(fēng)機(jī)啟停和頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

1）空調(diào)季小新風(fēng)模式：當(dāng)Iw＞In或Tw＞Tn且公共區(qū)CO2濃度≤φs時(shí)，啟動(dòng)大系統(tǒng)組合式空調(diào)機(jī)組、小新風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，關(guān)閉回排風(fēng)機(jī)。

2）空調(diào)季全新風(fēng)模式：當(dāng)Iw＞In或Tw＞Tn且公共區(qū)CO2濃度＞φs時(shí)，啟動(dòng)大系統(tǒng)組合式空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，關(guān)閉小新風(fēng)機(jī)。

3）過渡季全新風(fēng)模式：當(dāng)Iw≤In且Ts＜Tw≤Tn，啟動(dòng)大系統(tǒng)組合式空調(diào)機(jī)組變頻運(yùn)行，關(guān)閉回排風(fēng)機(jī)、小新風(fēng)機(jī)。

4）通風(fēng)季全新風(fēng)模式：當(dāng)Iw≤In且Tw≤Tn且Tw≤Ts且Tn＞14 ℃時(shí)，啟動(dòng)大系統(tǒng)回排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，關(guān)閉組合式空調(diào)機(jī)組、小新風(fēng)機(jī)。

5）冬季最小新風(fēng)模式：當(dāng)Iw≤In且Tw≤Tn且Tw≤Ts且Tn≤14 ℃時(shí)，啟動(dòng)大系統(tǒng)小新風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，關(guān)閉組合式空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)。

式中：Iw為車站室外新風(fēng)空氣焓值；In為車站回風(fēng)空氣焓值；Tw為室外空氣干球溫度；Tn為車站公共區(qū)空氣干球溫度；Ts為車站空調(diào)送風(fēng)溫度設(shè)定值；φs為工況轉(zhuǎn)換臨界CO2濃度。

3.2 水系統(tǒng)控制策略

水系統(tǒng)變流量智能控制子系統(tǒng)通過控制柜監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)視空調(diào)水系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及主要運(yùn)行參數(shù)（運(yùn)行溫度、流量、壓力、壓差等），實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷并動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)未來變化趨勢(shì)，根據(jù)負(fù)荷需求匹配計(jì)算系統(tǒng)所需冷凍、冷卻水流量及供回水溫度，主動(dòng)尋優(yōu)、智能選擇冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)、冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)及轉(zhuǎn)速、水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)及頻率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳組合運(yùn)行，使該狀態(tài)下水系統(tǒng)設(shè)備所消耗的總能耗最低。

同時(shí)，為匹配風(fēng)系統(tǒng)末端空調(diào)機(jī)組表冷器冷量需求，變流量控制子系統(tǒng)對(duì)表冷器回水管電動(dòng)二通閥開度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，使每個(gè)空調(diào)環(huán)路均能夠獲得所需的冷凍水流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)水力平衡的有效控制，確保各支路能量分配均衡、制冷效果良好。

1）空調(diào)季模式一：當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷＜單臺(tái)冷水機(jī)組的制冷量時(shí)，通過臺(tái)數(shù)控制，開啟1組冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔及相關(guān)設(shè)備，水泵、冷卻塔變頻運(yùn)行。同時(shí)根據(jù)2臺(tái)冷水機(jī)組不同累計(jì)運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備輪換控制，均衡設(shè)備之間的運(yùn)行時(shí)間。

2）空調(diào)季模式二：當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷≥單臺(tái)冷水機(jī)組的制冷量時(shí)，開啟2 組冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔及相關(guān)設(shè)備。

3）通風(fēng)季及冬季，水系統(tǒng)退出運(yùn)行。

4 結(jié)語

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)通過全局協(xié)調(diào)的節(jié)能控制策略，利用風(fēng)變頻、水變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的主動(dòng)尋優(yōu)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)綜合能效系數(shù)，確保地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)采用定頻冷水機(jī)組和雙速調(diào)節(jié)冷卻塔，與全部采用變頻設(shè)備系統(tǒng)相比，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制策略及節(jié)能效果待進(jìn)一步研究分析。