地鐵綜合監控系統節能控制方案探討

王孟強

（廈門軌道建設發展集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引 言

廈門地鐵3號線通風空調系統設計分為空調水系統、車站大系統、設備區小系統以及隧道通風系統等，其控制方案按照傳統的方案進行設計，由環境與設備監控系統（BAS）對通風空調系統進行監控管理，由于通風空調專業設計對控制專業了解不夠深入，同時控制專業設計對通風空調系統的整體工藝了解不夠全面，在通風空調系統的節能控制方面，BAS系統的控制策略無法與通風空調系統工藝緊密結合，通風空調系統的模式工況轉換有時需要調度人員人工干預執行，整個通風空調系統的運行效率亟待提高，其節能控制方案需要進一步優化和完善。

1 現狀分析

綜合監控系統作為機電系統的核心控制“大腦”，其在機電設備聯動控制、節能減排方面起著關鍵核心作用，在筆者參與的幾條已建成的線路中，機電通風空調系統的控制方案存在一些不足之處，下面列舉幾個關鍵問題，并逐一進行探討和分析：

（1）通風空調系統由BAS對其各種模式工況和設備狀況進行監控和管理，由于BAS系統是一套實時控制系統，沒有歷史環境數據，同時BAS與自動售檢票系統（AFC）未設置接口，無法實時獲取車站客流信息，無法根據客流人員負荷情況進行控制，其在控制方面存在一定的滯后性，有時出現早晚高峰期間車站公共區偏冷，正常運營時間段車站偏熱的現象，通風空調系統的控制效果不理想。

（2）通風空調設計要求冷水機組的控制分為單臺冷機運行、雙冷機運行以及全停模式三種工況，根據負荷調節開啟冷水機組，冷水機組加減機的轉換條件為，兩臺冷機負載率均小于40%時，關閉一臺冷機，當冷水機組運行臺數為一臺，負載率大于85%且車站溫度高于目標值時，開啟第二臺冷機。該設計中冷機的加減機轉換條件不完善，可能會出現雙冷機長時間運行工況，從而增加整個冷水系統的能耗，因此，冷水機組的開機與自動加減機控制需要進一步優化，最終才能實現降低冷水系統用電能耗的目的。

（3）隧道通風系統是通風空調系統的重要組成部分，主要由隧道變頻風機TVF（90至100 kW）、排熱變頻風機UOF（50至60 kW）以及電動風閥組成。根據通風設計要求，每天在列車上線前和運營結束后，各車站需要執行隧道早晚通風模式，一般固定開啟四臺TVF運行1小時，此運行時間為通風設計根據經驗估算得出，主要目的是利用室外冷空氣對地鐵隧道進行冷卻降溫并補充新鮮空氣，將地鐵隧道內聚集的熱氣和濕氣排出隧道。UOF在空調季行車高峰期間以50 Hz頻率運行，非高峰期間以25 Hz頻率運行，夜間停運，開啟UOF是為了將列車運行期間產生的熱量以及剎車制動時產生的熱量排出隧道。從遠期運營情況分析，上述模式工況沒有問題，但結合初期試運營情況分析，初期行車密度小，地鐵隧道內溫度遠未達到設計上限值，仍按照固定模式運行隧道通風系統，從控制專業角度分析，顯然不合理，應考慮初期運營行車密度情況，根據隧道內的實際溫度，優化調整早晚通風模式和排熱風機運行時間，以達到合理使用設備，降低隧道通風系統設備能耗的目的。

2 綜合監控系統節能控制設計思路

針對通風空調系統現有控制方案無法實現更好的節能目標問題，筆者提出了對通風空調系統控制方案進行優化和完善，利用綜合監控系統平臺優勢，優化通風空調模式工況自動切換控制、增加風水聯動控制策略，優化冷水機組自動投切控制功能，優化隧道通風系統早晚通風及排熱模式等，在保證車站環境質量和溫度滿足設計要求的前提下，降低通風空調系統設備能耗，實現節能減排目標，以下是具體的設計思路：

（1）利用綜合監控系統強大的計算能力，根據室外與車站內環境溫濕度參數計算出室內外空氣焓值，并對室內外空氣焓值進行對比分析，最終由綜合監控系統自動控制通風空調系統模式運行工況，實現通風空調系統模式工況自動切換運行。

（2）對于車站大系統的節能控制，利用綜合監控系統與AFC的互聯接口，實時采集客流信息數據，估算車站客流人員負荷，根據客流人員負荷情況與站臺公共區的實際溫度計算所需空調冷負荷及新風量，采用前饋加風水聯動控制策略，動態調節空調機組的運行頻率（改變送風量）和空調機組回水管上二通閥的開度（調節冷凍水流量），來調節公共區的環境溫度；對于車站小系統節能控制，因其空調機組采用定頻設計，通過自動調節設置在末端空調機組回水管上的電動二通閥開度來控制流經空調機表冷器的冷凍水流量，改變送風溫度，使設備房和人員管理房間溫度穩定在設計范圍內。

（3）對于冷水系統的節能控制，增加車站環境溫度的判斷條件，根據車站環境溫度和冷水機組的負荷變化，優化冷水機組的控制策略，實現冷水機組合理自動投切運行，使冷水機組保持高效運行工況，減少冷水系統運行負荷。

（4）根據車站隧道內實際溫度，結合初期試運行情況，優化隧道通風系統早晚通風模式和排熱風機的運行時間，降低設備能耗。

3 具體實施方案

3.1 通風空調系統模式工況自動切換控制

具體方案為：

（1）通風空調系統在空調季分為小新風和全新風兩種模式工況，綜合監控系統根據室外空氣焓值（I）和室內空氣焓值（I）比較結果進行模式工況轉換控制。當I＞I時，執行小新風空調工況，這時由于室內空氣焓值低于室外空氣焓值，為了節約能耗，采用小新風加一次回風運行小新風空調工況。當I≤I時，并且T（室外溫度）≥T（空調送風溫度，預設為18 ℃）時，執行全新風空調工況，這時關閉回風閥，將車站內回風全部排出，同時打開新風閥，采用室外全新風，室外新風經過空調機組表冷器冷卻后送至車站空調區域。

空氣焓值計算公式：＝1.006＋(2 501＋1.86)，其中表示空氣溫度，表示單位質量干空氣含濕量。

（2）通風季工況：當T（室外溫度）＜T（空調送風溫度預設18 ℃）時，系統執行通風季模式，T由設置在空調機組出風管上的傳感器采集送風溫度。

（3）當站內CO濃度超過設計范圍1 000 PPM時，由綜合監控界面進行報警，提示站務人員公共區CO濃度超標，系統自動執行小新風空調模式工況運行。

綜上所述，綜合監控系統每分鐘對T與T進行比較，為了提高控制的穩定性，防止頻繁切換控制，T與T連續對比10次且結果一致，作為空調季與通風季運行工況轉換的依據。同時，綜合監控系統每10分鐘計算一次室內外焓值，作為空調季小新風與全新風工況轉換依據。即：綜合監控節能控制系統每10分鐘根據溫度和焓值計算的結果判斷是否進入空調季，如進入空調季，再進行小新風與全新風工況轉換。另外，當站內CO濃度超過1 000 PPM（室內空氣質量標準要求）時，綜合監控系統執行小新風工況。

3.2 車站大系統節能控制方案

車站大系統采用雙端送風方式，在站廳A端和B端環控機房各設置一臺變頻組合式空調（35至55 kW）、一臺變頻回排風機（20至35 kW）、一臺新風機和部分風閥等設備，其共同負責車站公共區的通風調節工作。通過綜合監控與AFC系統的接口，實時獲取車站客流信息數據，計算出客流人員負荷，根據客流人員負荷與站臺公共區溫度數據，計算出通風空調系統所需冷量負荷。大系統節能控制采用前饋加風水聯動控制（變風量和變水量）方案。變風量調節，主要是調節大系統空調機組的頻率，頻率越大，送風量越大；頻率越小，送風量越小。變水量調節，通過調節設置在大系統空調機組回水管上的電動二通閥來控制流經空調機組表冷器的冷凍水流量，二通閥開度越大，冷凍水流量越大；開度越小，冷凍水流量越小，調節二通閥開度可以改變大系統的送風溫度。圖1為通風空調大系統原理示意圖。

圖1 通風空調大系統原理示意圖

由于車站大系統變頻空調機組的功率要高于冷凍泵的功率，為了實現更好的節能控制目標，采用加大送風溫差方式，減少送風量，即大系統二通閥開度調節幅度要大于空調機組頻率調節幅度，二通閥開度變大，流經空調機組表冷器的冷凍水流量就會變大，會帶走更多熱量，換熱效果更好，此時降低空調機組頻率調節幅度，減少送風量。根據車站站廳與站臺的設計結構，站廳溫度一般會比站臺溫度高2 ℃左右，在本控制方案中，以穩定站臺溫度為控制目標，根據車站客流人員負荷情況與當前環境溫度參數，確定大系統最優送風溫度，調節二通閥開度控制車站送風溫度，調節組合式空調機組頻率控制車站環境溫度。圖2為大系統節能控制示意圖。

圖2 大系統（前饋+風水聯動）節能控制示意圖

3.2.1 大系統空調機組頻率控制

根據通風空調系統設計要求，在車站站臺公共區設置四個溫濕度傳感器和兩個二氧化碳傳感器，用來采集站臺的實時環境數據。根據客流負荷與站臺公共區四個溫濕度傳感器的平均溫度值對公共區溫度進行調節，車站大系統按同一被控對象對兩端的空調系統進行調節控制，即綜合監控系統根據站臺平均溫度值與客流負荷情況，調節控制空調機組運行頻率，保證大系統回風溫度穩定在設定值（根據設計要求設定）附近，從而使站廳、站臺實際溫度達到設計要求。圖3為大系統空調機組控制邏輯示意圖。

圖3 大系統空調機組控制示意圖

當公共區平均溫度T＜28 ℃（通風設計要求，可調節）時，說明站臺公共區的冷負荷超出設計要求，供冷過量，空調機組負荷需要減少，應降低空調機組運行頻率；當站臺公共區平均溫度T＞28 ℃時，說明站臺公共區的冷負荷未達到設計要求，需要增大空調機組運行荷，應提高空調機組運行頻率。

3.2.2 大系統空調水流量控制

大系統二通閥安裝在組合式空調機組的回水管上，通過控制二通閥開度大小，來控制流經組合式空調機組的冷凍水流量，從而保證組合式空調機組送風溫度恒定。空調機組以不小于25 Hz（最低頻率）運行，當站臺公共區平均溫度T＜28 ℃時，說明站臺公共區供冷過量，冷負荷需要減少，此時應關小二通閥開度；當站臺公共區平均溫度T＞28 ℃時，說明站臺公共區的冷負荷未達到設計要求，需要增大供冷量，此時應增大二通閥開度。

3.2.3 大系統節能控制要點

大系統節能控制采用模糊控制算法，同時控制二通閥開度及空調機組頻率，綜合監控系統每3分鐘采樣一次站臺公共區平均溫度值進行計算，并根據公共區實際溫度與設計目標溫度偏差值對控制精度不斷進行修正，為了提高控制的精確性，同時避免出現較大控制震蕩，控制系統做以下設置：

（1）將車站A、B端作為整體的一個系統進行控制，使用站臺公共區的溫度平均值作為輸入條件，進行目標溫度控制，同時設置控制死區，設定值偏差為±0.3 ℃。

（2）根據客流信息計算出客流人員負荷，采用前饋加風水聯動控制，將二通閥開度、風機頻率調節作為一個協調變量，在增大二通閥開度同時加大空調機組的運行頻率，二通閥開度調節幅度大于空調機組頻率調節幅度，以此來提高綜合監控系統節能控制的反應速度，改變系統響應時間，使得在系統受到擾動后能夠很快地恢復到目標值，避免出現大的波動。

（3）對于大系統風循環，由于大系統空調箱實際風量與設計風量不能做到完全一致，而且不同頻率下風量也會發生變化，可能會出現混風室負壓較大，漏風嚴重的情況。因此，空調季節采用平衡送風，在確定空調機組頻率以后，回排風機頻率根據空調機組頻率進行調節，即回排風機頻率=空調機組頻率。需要注意的是，空調機組運行頻率下限保護值為25 Hz。

3.3 車站小系統節能控制

車站小系統空調機組為定頻設計，因此小系統調節主要是通過調節末端組合式空調機組回水管上二通閥開度來實現節能控制，小系統為定風量控制系統，二通閥調節控制方法與大系統一致，小系統采用的是各設備房平均溫度值進行計算。圖4為小系統節能控制示意圖。

圖4 小系統節能控制示意圖

當設備房平均溫度T＜設定值（通風專業設計要求，弱電設備房溫度宜為27 ℃，強電設備房溫度宜為36 ℃）時，說明設備房供冷過量，系統冷負荷需減少，應關小二通閥；當T＞設定值時，說明設備房冷負荷未達到設計要求，需要增大冷負荷供應，此時應開大二通閥開度；小系統同樣設置調節死區，設定值偏差為±0.3 ℃。

3.4 冷水機組節能控制

冷水機組是通風空調系統的耗能大戶，提高冷水機組的運行效率，優化冷水機組的控制策略，對于提高整個冷水系統的能效和節能有著重要的意義，冷水機組的節能控制采用前饋加反饋控制策略，即綜合監控系統根據公共區的環境溫度、設備區房間溫度來判斷冷水機組是否開機的前饋控制，再根據冷水機組的運行負載率、室內溫度等參數反饋控制冷水機組加機和減機運行，具體控制要求為：

（1）開機控制，當前如果沒有冷機運行，根據站臺公共區平均溫度（設計值為28 ℃）和小系統設備房溫度（強電設備房設計為36 ℃，弱電設備房設計為27 ℃）是否超過設計值來判斷是否需要開啟冷機。在白天時間段，如果站臺公共區平均溫度或小系統至少兩個設備房的溫度超過了設計目標值，則開啟一臺冷機運行。在夜間時間段，如果小系統設備房平均溫度超過了設計目標值，則開啟一臺冷機運行。白天和夜間開啟的這臺冷機由綜合監控系統根據歷史數據進行對比分析，即在同樣時間段，哪臺冷機的歷史運行效率高，則開啟哪臺冷機。

（2）冷水機組的加機控制，當冷水機組運行數量為一臺，當前冷機運行負載率＞90%，同時室內溫度高于控制目標+1 ℃，且該工況持續25分鐘時，啟動第二臺冷水機組開機程序；當60%≤冷機當前負載率≤90%，同時冷水機組出水溫度大于設定值+1 ℃，且室內溫度高于控制目標，該工況持續25分鐘時，啟動第二臺冷水機組開機運行。這兩種情況說明單臺冷機的制冷量已經不能滿足現場的實際負荷需求，需要增加一臺冷機運行。

（3）冷水機組的減機控制，當冷水機組運行臺數為兩臺，且兩臺冷水機組負載率均小于50%，同時室內溫度小于設計值1 ℃，該工況持續25分鐘時，關閉運行時間久的冷機。

（4）冷水機組的出水溫度、運行負載率、公共區溫度和設備房溫度的采樣周期均為5分鐘。夜間時間段，室內溫度取小系統設備房平均溫度值。

3.5 隧道通風系統節能控制

隧道通風系統中TVF和UOF為主要能耗設備，合理開啟TVF和UOF能降低通風設備能耗。利用綜合監控系統與隧道內感溫光纖接口，可對實時采集隧道內的溫度，廈門地鐵3號線隧道內的溫度長期維持在23 ℃至29 ℃。由于初期試運營期間行車密度較小，因此，每天可以將隧道早晚通風模式運行時間優化為20分鐘至30分鐘，這樣既達到了隧道通風換氣的目的，又減少了TVF運行時間，降低了設備能耗，該控制由綜合監控系統時間表功能實現。在運營遠期時間段，再根據隧道內溫度調整早晚通風模式運行時間。

根據通風設計要求，最熱月正常運行時段區間溫度≤40 ℃，列車空調箱周圍空氣溫度≤45 ℃。空調季，UOF在早、晚高峰期間以工頻50 Hz運行，非高峰期間，以25 Hz變頻方式運行。非空調季UOF在白天運營期間以25 Hz運行。開啟UOF是為了將列車運行期間列車空調產生的熱量和剎車制動時產生的熱量排出隧道。參考對隧道系統早晚通風模式的分析，在列車運行期間，會產生大量活塞風，這些活塞風可以將隧道內的熱量和濕氣通過活塞風井排出隧道，那么在初期試運營期間，對于列車運行期間UOF的控制思路為：

（1）當隧道區間溫度超過38 ℃時，綜合監控系統通過BAS控制UOF以50 Hz頻率運行。

（2）當隧道區間溫度超過30 ℃且小于38 ℃時，綜合監控系統通過BAS控制UOF以25 Hz頻率運行。

（3）當隧道區間溫度低于30 ℃時，關閉UOF。

4 綜合監控系統節能控制方案應用效果

為測試綜合監控節能控制系統方案應用效果，2021年9月（空調季）在廈門地鐵3號線華容路站進行測試，9月上旬采用綜合監控節能控制方案運行，9月下旬采用通風空調系統固定模式運行，測試效果為：

（1）冷水機組運行控制效果，采用固定模式控制工藝，早上8點前進入雙冷機運行工況，雙冷機運行時間較長，且雙冷機最高負載率累加值接近155%；采用綜合監控節能控制系統運行后，在行車期間，單機組運行即可基本滿足供冷需求。

（2）9月上旬，華容路站通風空調系統日均耗電量約3 019.2 kWh，9月下旬，華容路站通風空調系統日均耗電量約3 553.8 kWh。通風空調系統采用綜合監控節能控制方案相比固定工況運行模式日均節約大概534.6 kWh用電能耗。如圖5、圖6所示為應用效果情況。

圖5 華容路試點站采用綜合監控節能控制方案環控系統能耗統計

圖6 華容路試點站采用傳統控制方案環控系統能耗統計

5 結 論

采用綜合監控節能控制方案后，實現了通風空調系統全自動高效運行，減少了運營管理人員人工操作時間，提高了工作效率，整個節能控制系統更加智能，車站大、小系統的控制更合理，空調冷水系統的運行效率更高。在運營初期，合理減少隧道區間早晚通風模式的運行時間，根據區間環境溫度聯動控制排熱風機，有效地降低了隧道通風設備用電能耗。在空調季，測試站環控系統采用綜合監控節能控制方案相比固定模式能耗降低了約15%，電費按照0.6元/度計算，單站每個月可節約大概1萬元電費，目前，該節能控制方案已在廈門地鐵3號線（21站）全線投運，通風空調系統預估每年（空調季為6個月）可節約用電費用約120萬元左右。該綜合監控系統節能控制方案效果顯著，在保證車站通風環境質量并滿足設計要求的前提下，有效降低了系統設備能耗，具有良好的節能效益。筆者將繼續跟進該方案的應用情況，針對可能出現的問題進行不斷地優化和完善，使得綜合監控系統在節能控制方面發揮更大的優勢，同時也為軌道交通行業提供具有一定參考價值的節能控制方案。