城市軌道交通智能環控設備監控系統節能控制策略研究

孫小通，劉瓊蓉

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010）

車站環境的舒適度和設備運行狀況與車站的溫濕度密切相關，智能環控設備監控系統根據不同需求通過控制通風空調系統實現車站不同區域的溫濕度要求。根據相關統計數據顯示，通風空調系統是城市軌道交通系統中主要的“能耗大戶”，其運行能耗與車站總能耗的占比可達到30%~50%[1]。因此探討城市軌道交通通風空調系統節能控制策略具有重要的經濟效益和社會效益。目前智能環控設備監控系統采用自動模式控制，從而同時兼顧系統能效指標與系統穩定運行，并采用風水聯動節能控制技術，將空調水系統,通風大、小系統等環控系統結合起來，進行綜合節能控制。因此智能環控設備監控系統節能控制的關鍵技術在于空調水系統節能控制和通風系統節能控制2大部分。

1 概述

智能環控設備監控系統的監控內容分為節能部分和非節能部分。節能部分的設備包括空調冷源系統設備（冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、電動閥門和變送器等）、大系統變頻設備及聯動風閥、大系統（含出入口）所有傳感設備、小系統變頻空調器及其聯動風閥、小系統風管傳感設備和空調冷源系統所有傳感設備等[2]。除節能設備以外的其他通風空調設備、給排水設備、消防電源均納入非節能控制模塊。

智能環控設備監控系統采用分層分布式架構，在車站控制室端的環控電控室內設置一套冗余的PLC控制器，在另一端設置分布式I/O。BAS系統的主干網絡是光纖自愈環網以太網，智能環控設備監控系統是環網以太網的重要一環，其網絡架構如圖1所示。通過對系統架構和接口的整合優化，強弱電一體化，與綜合監控直連，從而減少外部接口。智能環控設備監控系統不獨立構建全線網絡，其冗余控制器通過4個以太網接口與綜合監控系統交換機連接，實現與綜合監控系統的集成，從而利用其組建全線監控網絡[3]。智能環控設備監控系統以冷水機房綜合能效比、空調系統綜合能效比等多項指標均作為節能控制目標。

圖1 智能環控設備監控系統的網絡架構

2 節能考核目標

采用水冷系統總冷量不超過2 326 kW的車站和集中冷站的制冷機房全年平均綜合制冷性能系數（COP）不應低于5.0，總冷量大于2 326 kW的車站制冷機房全年制冷性能系數（COP）不應低于5.2，車站空調全系統COP值不低于3.5。

3 空調水系統節能控制策略

智能環控設備監控系統空調水系統模式由節能模塊內部下發，節能模塊內置節能控制策略，節能控制系統根據末端冷負荷大小自動調節空調水系統運行模式?？照{水系統節能控制策略可以從冷水機組控制、冷凍泵控制、冷卻水系統控制和壓差旁通裝置控制4個方面開展。

3.1 冷水機組節能控制策略

因空調大小系統共用一個冷凍機房，大系統和小系統使用冷水時，冷水機組均需開啟。根據系統負荷的匹配性，充分分析通風系統負荷數據，通過負荷均分控制保證冷水機組在全工況下的高效運轉。根據冷水機組的不同負荷工作狀態，采取與之匹配的控制方案，提高節能效率。冷水機組處于高負荷運行狀態下時，優先采用冷凝溫度控制；處于低負荷運行狀態下時，優先采用定溫差控制。充分利用不同時間段溫度差異的特點，采取相應的冷卻水供回水溫差，保持冷水機房SCOP在最高點運行。

變頻冷水機組的調節區間為30%~100%，冷水機房負荷率調節區間為15%~100%，當夜間負荷低于冷水機房總負荷的15%時，智能環控系統自動啟動超低負荷水蓄冷模式運行，采用冷凍泵單獨運行，優先消耗冷凍水管路余冷的方式，再開啟冷水機組、冷卻泵及冷卻塔的方式，從而提高空調水系統在超低負荷下的運行效率。

以水冷式冷水機組為例，通過機房COP值的尋優實現水冷式冷水機組的高效運行，計算公式如下

同時尚應計算并顯示水系統SCOP值、全系統COP值和主機COP值，計算公式如下

3.2 冷凍泵節能控制策略

利用冷凍水總供水管道和總出水管道的溫度變送器和壓力變送器采集冷凍水供回水溫度，并計算出溫差，為保證冷凍水供回水溫差維持在預設的溫差值，可以使用PID或其他智能算法來調節冷凍水泵的運行頻率。當實際供回水溫差高于目標值時，則提高冷凍水泵運行頻率，增大水流量；當供回水溫差低于目標值時，則降低冷凍水泵運行頻率，減小水流量。同時智能環控設備監控系統實時監測各末端的供回水壓差，如果末端最小供回水壓差不夠則優先提高冷凍水泵的運行頻率。采用定溫差和最小壓差保護相結合的控制策略，從而實現對冷凍水泵運行頻率的自動調節，使冷凍水系統運行在按需供應的最優狀態，即大溫差、小流量的工作狀態。

3.3 冷卻水系統節能控制策略

冷卻水系統的主要功能是實現車站冷卻循環。冷卻水泵充分結合冷水機組的運行負荷狀態和控制策略，采用變流量控制方式。根據冷卻水變流量與冷凍機房COP的關系曲線，判斷出任意冷水機組運行負荷狀態下，冷卻水流量的最優解，從而調整冷卻水泵的運行頻率，實現冷卻水泵的變流量控制。同時在室外濕球溫度較低和較高的時間段，采用不同的供回水溫差控制，從而有效減少冷卻水泵的電能消耗。

當冷卻塔對應的進、出水蝶閥均開啟時，冷卻塔風機可啟動自動運行模式。設定一個濕球溫度逼近度，當實際濕球溫度逼近度大于設定值時，冷卻塔風機提高運行頻率；當實際濕球溫度逼近度小于設定值時，冷卻塔風機降低運行頻率。在這種控制策略下，可以實現在冷水機組正常運行的情況下，冷卻水進水溫度逼近室外濕球溫度，從而有效提高冷水機組的COP值和運行效率，提高節能效率。

對冷卻塔、冷卻水泵變頻，應通過機房COP值的尋優，保證冷水機組的高效運行，實現機房COP值最高，計算公式如下

3.4 壓差旁通閥控制策略

壓差旁通閥的自身具備壓差控制開度的功能。智能環控設備監控系統利用總管冷凍水供回水壓差設定冷凍水泵調節和壓差旁通閥調節的優先級。若冷凍水供回水壓差低于設定值時，智能環控設備監控系統關閉壓差旁通閥，再提高冷凍水泵運行頻率。當冷凍水供回水壓差高于設定值時，則智能環控設備監控系統減小冷凍水泵運行頻率，再增加壓差旁通閥開度。同時冷凍水流量不滿足單臺冷水機組額定流量的50%時，智能環控設備監控系統自動啟動壓差旁通閥，從而保證冷水機組的最小流量。

4 通風系統節能控制策略

車站運營時間內空調大小系統主要有3種運行模式：空調季節小新風模式、空調季節全新風模式、非空調季節通風模式。一般情況下，車站空調大小系統運行模式由綜合監控系統時間表定時下發，綜合監控系統時間表由環調系統寫入。

4.1 空調大系統節能控制策略

4.1.1 空調大系統風機模式控制策略

空調系統的運行模式由智能環控設備監控系統的節能策略來實現自動切換。優化季節工況模式判斷，系統存儲之前一天的室外焓值及溫度，并實時采集當天的焓值及溫度，高效機房節能控制系統根據存儲的歷史數據與當前采集的數據進行分析，并預測當天的焓值及溫度變化趨勢，估算出當天的室外平均焓值及溫度。通過室外焓值與大系統回風焓值，智能環控設備監控系統從上述3種模式之中選擇最優模式，并將該模式號發送給非節能模塊，由非節能模塊將該模式下的風閥執行到位（要求開啟的風閥開啟，要求關閉的風閥關閉），執行成功后將該模式下的執行結果發送到節能模塊，節能模塊接收到相應的結果后再開啟大系統風機、大系統組合式空調機組和大系統風機連鎖風閥等設備。

4.1.2 空調大系統風機頻率控制策略

空調大系統中的組合式空調器、小新風機和回排風機的運行頻率均在25~50 Hz之間。通過PID和滑?？刂频戎悄芸刂茖崿F風機頻率的精確調節。

在空調季節小新風模式下，站內回風溫度等于目標溫度是空調大系統控制的調節目標。當站內實際回風溫度大于目標值時，則提高變頻空調器的運行頻率，增大風量；當站內實際回風溫度小于目標值時，則降低變頻空調器的運行頻率，減小風量。

在空調季節全新風模式下，平均溫度等于目標溫度是空調大系統控制的調節目標。當站內實際平均溫度大于目標值時，則提高變頻空調器的運行頻率，增大風量；當站內實際平均溫度小于目標值時，則降低變頻空調器的運行頻率，減小風量。

在非空調季節通風模式下，當12℃小于等于室外溫度小于等于送風溫度時，組合式空調器頻率的調節目標是站內平均溫度等于目標溫度。當站內平均溫度大于設定值時，則提高組合式空調器的運行頻率；當站內平均溫度小于設定值時，則降低組合式空調器的運行頻率。當室外溫度小于12℃時，按照車站內外溫度差小于等于13℃，且運行頻率大于等于25 Hz的狀態，調節組合式空調器的運行頻率維持最小風量運行。

在空調季節小新風模式下，通過公共區CO2濃度值對小新風機運行頻率進行調節。當公共區CO2濃度值在1 000~1 200 ppm之間時，小新風機的運行頻率調節至50 Hz；當公共區CO2濃度值在800~1 000 ppm之間時，小新風機運行頻率調節至37.5 Hz；當CO2濃度低于800 ppm時，小新風機運行頻率可調節至25 Hz。根據通風系統風量平衡公式求出回排風機風量，即：回排風機風量=組合空調器送風量-小新風機風量，從而推導出回排風機所需工作頻率。

以某城市地鐵車站組空114 000 m3/h@1 000 Pa為例，大系統風機分別在轉速為80%、60%和50%的情況下，大系統風機功率的測試結果對比見表1。

表1 大系統風機在轉速分別為80%、60%和50%下功率表

從上表可以得出降低轉速運行比減少臺數運行，更為節能。

4.2 空調小系統風機頻率控制策略

小新風、全新風模式下智能環控設備監控系統根據小系統AHU的回風溫度控制二通調節閥的開度，當二通調節閥開度小于該AHU的變風量允許開度，系統優先降低變風量小系統空調EC風機轉速。當二通調節閥開度大于該AHU的變風量允許開度，系統優先升高變風量小系統空調EC風機轉速。節能模塊根據每臺變風量小系統空調的特點設置EC風機轉速下限，確保變風量小系統空調的最低風量需求。

通風模式下，小系統空調頻率根據室外溫度采用不同的風量定風量運行?；嘏棚L機根據風量平衡調節，確保送風量=回風量+新風量。

智能環控設備監控系統根據串級控制調節小系統送風機頻率，系統負荷升高時，優先調節二通閥開度，二通閥開度達到最大后，再調節小系統送風機頻率。系統負荷降低時，優先調節小系統送風機頻率，小系統送風機頻率達到最低，再調節二通閥開度。

5 智能運維

智能環控設備監控系統可對冷水機房各設備運行參數進行分析，如電流不平衡度、實際COP與理論COP比值（健康指數）及冷水機組端差等進行分析，可對故障進行提前預判。

智能環控設備監控系統實時計算冷卻塔逼近度，并根據當前工況下冷卻塔逼近度與設定逼近度的差值判斷冷卻塔換熱性能是否良好。

智能環控設備監控系統根據冷卻塔當前頻率下的功率與理論計算功率的差值判斷冷卻塔風機皮帶是否松動。如功率偏差連續超過設定占比，則系統會提醒運營人員及時檢查冷卻塔風機皮帶。

智能環控設備監控系統利用冷水機組制冷劑溫度壓力數學模型模擬出冷凝器換熱溫差的近似值，如果冷水機組的冷凝器換熱溫差超過設定值，系統會提醒運營人員及時檢查冷水機組冷凝器是否臟堵。

6 能耗分析

表2為某城市地鐵車站智能環控設備監控系統改造后的指標參數表。此站采用2臺制冷量為589 kW的冷水機組，系統供回水溫按5℃溫差設計，設置2臺冷凍水泵（變頻）、2臺冷卻水泵（變頻）和2臺冷卻塔（變頻）。

表2 某城市地鐵車站智能環控設備監控系統改造后的指標參數表

從表中運行能耗計算可以看出，在空調水系統節能控制策略和通風系統節能控制策略的控制調節下，采用水冷系統總冷量不超過2 326 kW的車站和集中冷站的制冷機房全年平均綜合制冷性能系數（COP）為5.07，大于目標值5.0，車站空調全系統COP值為4.55，大于目標值3.5。上述性能系數滿足節能考核目標。

7 結束語

本文對智能環控設備監控系統的系統架構作了清晰描述，并對節能控制策略作了詳細介紹。通過空調水系統節能控制策略和通風系統節能控制策略的實施，智能環控設備監控系統可實現較高的能效指標，車站的SCOP和COP全年綜合值達到有效節能指標。今后可基于大數據平臺，融合客流、行車、牽引負荷及用電量等多源數據，優化節能控制策略。