地鐵車站常用通風空調系統的風水聯動節能研究

高 超，胡曉鋒，潘國勝，柳 斌，趙 峰，梁科敏，朱茂進

（杭州地鐵運營有限公司，浙江杭州 310017）

1 研究背景

地鐵作為地下空間中使用最廣泛的設施，承載著城市交通的主要職責。根據現有軌道交通運營能耗統計，列車牽引和車站動力照明是軌道交通主要能耗部分，其中牽引功率約占能耗的40%～50%，而在車站動力照明能耗中，通風空調系統即環控系統能耗是主要部分，約占車站動力照明總能耗的50%以上[1]，因此對地鐵車站環控系統節能的研究是目前階段節能的主要目標。

在地鐵車站環控系統風系統方面，溫倩[2]提出了基于客流預測的地鐵公共區新風控制策略，同時利用建筑污染與CO2濃度計算新風量設定值，提升了控制策略的有效性，并設計了模糊PID 控制器，利用Simulink 建模仿真驗證預測模型和控制策略的新風動態控制和節能效果；張榮[3]利用Simulink 工具對控制系統建立數學模型，仿真結果表明系統模型能夠根據人群密度動態調節新風閥門開度，控制車站新風輸入量，不僅能夠提高地鐵車站的環境舒適度，還可以有效的降低地鐵通風系統的能耗；武翠霞[4]根據北京某高校地鐵站通風空調實訓平臺情況，搭建了TRNSYS 仿真平臺，分別選取7 月份兩個典型天氣日，對送風溫度和回風溫度進行變頻控制，結果表明：不同的天氣狀況，能耗并不隨設定值一直單調增大或減小，在某一時刻，存在一組設定值組合使能耗最小。

而對于水系統方面，段皖秦[5]通過TRNSYS 搭建了西安地鐵車站通風空調系統的模型，在此模型基礎上對冷凍水泵在定頻和變頻狀態下進行了數值模擬，并對結果進行了分析對比，驗證了當冷凍水泵處于變頻工作時的能耗比冷凍水泵處于定頻時的能耗有顯著下降，在相同時間段內節能效率提高10%以上。對于風水聯動調節，崔偉強[6]以地鐵站空調主要能耗機組和運營情況為基礎，設計出一種新型智能空調控制系統，可根據站內人流量的變化，及時調控風機、變頻器和制冷機組等，以此達到適宜的站內環境并節能13%左右。熊武標[7]為實現地鐵車站的節能運行，通過對末端控制邏輯的對比，風量、水量同時調節的控制效果較好，且輸送設備節能率可達31.7%。李軍[8]以南寧地鐵1 號線麻村站通風空調系統為例，對空調設備的運行能耗進行了調研，引入并驗證了通風空調系統風水聯動控制模型，對比分析了不同控制模式下的節能效果。結果表明，地鐵車站空調系統實施風水聯動控制能實現通風空調系統節能潛力最大化。

2 耗能分析

以杭州地鐵2 號線盈豐路站通風空調系統為研究對象，風水聯動節能系統主要由硬件設施和節能控制系統兩大部分構成。硬件部分新增節能控制PLC，與BAS 通信實現對車站通風空調系統設備的控制調節，新增工控機一臺，裝載人機界面，實現節能模式下的通風空調系統各設備監控功能，新增冷凍水泵電機、冷卻水泵電機變頻器（柜）共6 臺。軟件部分主要實現了冷水機組的啟停和機組優化控制，以及風系統和水系統運行模式的聯動調控，圖1 為地鐵車站通風空調水系統示意圖，圖2 為地鐵車站通風空調風系統示意圖，通風空調設備功率見表1。

表1 盈豐路站通風空調設備功率

圖2 地鐵車站通風空調風系統

3 風水聯動控制原理

3.1 水系統運行的聯動調節

（1）冷水機組開機判定標準：空調季時車站大系統運行過程中，系統監測到室外溫度高于T1、且公共區平均溫度高于T2時，開啟對應冷水機組，T1和T2分別代表室外溫度和公共區平均溫度設定值。冷水機組的具體開機設定對應控制邏輯，空調季時優先啟動1 號、2 號大機組，具體方式按單雙號執行對應機組；過渡季時車站空調負荷較小，優先啟動3號小機組。

（2）冷水機組切換判定標準：當1 號或2 號大機組單獨運行無法滿足車站制冷需求時，加開3 號小機組；在一大一小兩臺機組運行的情況下，當冷凍出水溫度低于T1，兩臺機組總負荷小于對應P1，且持續時間達到預設值t 時，關停3 號小機組；過渡季3 號小機組無法滿足車站制冷需求時，則根據單雙號切換至相應的大機組；當1 號或2 號大機組單獨運行負荷低于P2時，持續時間達到預設值t 時，切換至3 號小機組。若冷水機組出現故障停機時，系統能及時判定并進行切換。

（3）冷水機組關機判定標準：室外溫度低于T1時，或公共區平均溫度低于T2時，關閉冷水機組，此后持續對公共區的溫度進行監測，當公共區溫度高于T2時，則再次開啟冷機。不滿足上述條件則空調季和過渡季停機時間按原有模式執行。

（4）水泵聯動調節的判定標準：冷卻水的供回水溫差保持在Td1～Td2之間，若供回水溫差低于設定值下限Td1，判定為末端熱負荷小，此時降低冷卻水泵頻率來調節冷凍水流量，減少冷量輸出，降低冷卻泵及冷水機組功率；若供回水溫差大于設定值上限Td2，則提高冷卻水泵頻率。在調節過程中，需要控制冷卻水泵的頻率下限Hlow，頻率下限由冷水機組本身最小流量要求和保證最不利末端冷卻水流量確定，水泵變化頻率暫定為步進值。冷凍水泵出水溫度初設為12 ℃，后采取同樣原理控制。冷凍泵通過研究分析配置相應的自調節節流儀控制模塊，滿足通風空調系統整體COP 值最優的前提下，控制冷凍水的相關參數，如冷凍水回水溫度，冷凍水流量、以及循環水泵節能控制計算模型。整個水系統圍繞最低能耗而實現相應的運行控制，對于運營時某特定條件下對應的負荷情況，水系統能夠實現最佳冷卻水回水溫度和最佳冷卻水流量的精準控制，結合冷卻水泵變頻控制，使整個系統整體COP 最高，能耗最低。

3.2 風系統運行的聯動調節

風系統的運行模式為內循環模式和通風模式，根據室外環境參數的變化進行調整轉換，在保證車站內公共區溫濕度要求的前提下，盡可能降低通風空調系統的能耗。車站空調風系統的模式主要根據室內外空氣溫濕度等環境參數進行判定，對應不同的環境參數判定區間實現新風閥，混風閥，排風閥之間的開關具體情況。

（1）風機頻率調節判定標準：風機功率較大，在滿足室內溫濕度需求的前提下降低風機頻率，可以實現能耗降低。當通過調節電動二通閥（電動二通閥PID調節控制）無法有效降低室內溫濕度時，應加大風機頻率，加速公共區空氣循環，降低環境溫濕度。為降低數據滯后的影響，當二通閥開度大于等于設定值上限，室內溫度大于等于溫度上限值時，風機頻率調整至頻率上限值，室內溫度下降小于等于溫度下限值時或二通閥開度小于等于設定值下限，風機頻率調整至頻率上限值。

（2）冷卻塔的梯級節能控制主要實現冷卻水的最佳回水溫度，同時考慮室外的實際環境因素的影響，冷卻塔的風機可以實現梯級變風量運行，保證冷卻水的溫度能夠實現最佳狀態，真正做到冷卻量之間的供需平衡，即冷卻塔的實時冷卻量與冷水機組所需冷卻量之間達到平衡關系，保證冷卻塔節能且高效地運行，提高整個通風空調系統的COP 值，提高整體通風空調系統的節能效率。

4 應用效果

通過采集分析杭州地鐵2 號線盈豐路站半個月的能耗數據，在非節能和節能模式下對應能耗分布如表2 所示。

表2 盈豐路站通風空調能耗對比

5 結束語

（1）地鐵車站常用通風空調系統的風水聯動節能系統的實現和應用，有效解決了冷卻塔-冷水機組地鐵車站通風空調系統復雜的系統節能控制問題。

（2）節能模式與非節能模式應用效果的對比測試表明，風水聯動節能系統的節能效果達到14.16%，可降低運營成本，且系統能效得到了提升。

（3）風水聯動節能系統實現了動態跟蹤、在線調節、智能調節等功能，可根據環境及負荷的變化快速且只能調整運行參數，保證了車站通風空調系統高效運行。

（4）風水聯動節能系統運行穩定、可靠、節能效果良好。本研究系統在杭州地鐵車站的成功應用，也為地鐵車站通風調系統的節能控制模式提供了可行、可靠的技術支撐。