地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)與節(jié)能控制系統(tǒng)的集成方式

張洪濤

(同方股份有限公司，100083，北京//工程師)

受設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維護(hù)水平的限制，地鐵節(jié)能水平遠(yuǎn)未達(dá)到最佳。地鐵耗電量巨大，能耗費(fèi)用高昂。其中，地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)消耗的能源約占地鐵建筑總能耗的40%～60%。在滿足地鐵正常運(yùn)營的前提下，提高系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，是城市軌道交通中節(jié)能減排的主要工作之一[2]。為此，將節(jié)能控制系統(tǒng)接入到地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)中，以地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)為重點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)和節(jié)能控制已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 節(jié)能控制系統(tǒng)

在實(shí)際的運(yùn)營過程中，地鐵節(jié)能存在著諸多問題：首先，一般地鐵規(guī)劃需要綜合考慮近期和遠(yuǎn)期的運(yùn)力要求，設(shè)計(jì)和采用的設(shè)備功率應(yīng)與遠(yuǎn)期的需求相匹配，故近期使用的設(shè)備會有一定裕量，其按照設(shè)計(jì)功率運(yùn)行會產(chǎn)生電能的浪費(fèi)；其次，地鐵日?？土髁坑懈叻迤诤偷凸绕冢S著線網(wǎng)建設(shè)各線路的客流量也會發(fā)生變化，而車站中的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式較單一，設(shè)備運(yùn)行效率低，故不僅能耗較高，而且地鐵車站內(nèi)環(huán)境的舒適度也難以保證。為了解決上述問題，引入地鐵節(jié)能控制系統(tǒng)勢在必行。地鐵節(jié)能控制系統(tǒng)基于地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對地鐵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，進(jìn)而減少系統(tǒng)能耗及設(shè)備損耗。其總體框架見圖1。

圖1 地鐵節(jié)能控制系統(tǒng)總體框架

地鐵節(jié)能控制系統(tǒng)各模塊功能為：時(shí)間表模塊根據(jù)地鐵內(nèi)的運(yùn)營時(shí)刻表，對系統(tǒng)進(jìn)行總體控制；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)采集處理各系統(tǒng)的傳感器等測量數(shù)據(jù)，并剔除不合理的數(shù)據(jù)，其輸出結(jié)果作為控制依據(jù)提供給各子系統(tǒng)控制模塊；制冷機(jī)組模塊根據(jù)輸入信息，判斷制冷機(jī)組控制模式，進(jìn)行制冷機(jī)組啟停、加卸載控制，設(shè)定制冷機(jī)組出水溫度等運(yùn)行參數(shù)；大系統(tǒng)(公共區(qū)域通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng))、小系統(tǒng)(車站內(nèi)管理機(jī)房和設(shè)備用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng))及隧道系統(tǒng)的控制模塊則根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和制冷機(jī)組運(yùn)行情況，給出相應(yīng)的控制模式。可見，節(jié)能控制系統(tǒng)能按照車站室內(nèi)外負(fù)荷變化及車站自身特點(diǎn)調(diào)整各模塊控制模式，能實(shí)現(xiàn)地鐵的節(jié)能減排和高效穩(wěn)定運(yùn)行。而將節(jié)能控制系統(tǒng)集成到地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)中，需要從地鐵的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，地鐵線路和車站的既有規(guī)模架構(gòu)，技術(shù)層面等綜合考慮，匹配地鐵線路不同時(shí)期的運(yùn)營需求。

2 節(jié)能控制系統(tǒng)和BAS的集成方式

地鐵是通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)對地鐵站內(nèi)的環(huán)境控制設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)控管理的。因此，地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)與節(jié)能控制系統(tǒng)的集成就是節(jié)能控制系統(tǒng)和BAS的集成。

傳統(tǒng)BAS能實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備的集中監(jiān)視和分散控制，具有良好的可靠性和開放性，但在節(jié)能方面存在一定的不足：首先，BAS的控制功能較為簡單，不適合通過復(fù)雜的運(yùn)算推理和數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組等設(shè)備的控制；其次，車站環(huán)境是個(gè)具有多控制變量的非線性時(shí)變系統(tǒng)，較為復(fù)雜，不僅其隧道通風(fēng)系統(tǒng)和冷水系統(tǒng)的控制變量間存在一定的耦合關(guān)系和滯后性，而且地鐵的運(yùn)行工況受季節(jié)和氣候變化、環(huán)境溫度及客流量等多個(gè)因素影響，采用靜態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)方式難以達(dá)到最佳控制效果。

將節(jié)能控制系統(tǒng)與 BAS集成則能起到較好的節(jié)能效果。節(jié)能控制系統(tǒng)和BAS的集成有深度集成和互連集成兩種方式。

2.1 深度集成方式

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在地鐵的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營環(huán)節(jié)中，應(yīng)當(dāng)從源頭引入環(huán)保理念和節(jié)能要求，將節(jié)能貫徹到地鐵的全生命周期中。

深度集成方案適用于新建線路。深度集成方案將節(jié)能控制系統(tǒng)作為功能模塊集成到BAS，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)能控制系統(tǒng)深度集成到BAS方案的系統(tǒng)架構(gòu)

深度集成方案可在不影響B(tài)AS功能的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。 BAS采集到的環(huán)境參數(shù)、監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)等信息，與節(jié)能相關(guān)的設(shè)備控制及模式選擇等下發(fā)信息均通過節(jié)能控制系統(tǒng)處理，系統(tǒng)診斷、網(wǎng)絡(luò)通信等BAS原有功能仍獨(dú)立運(yùn)行。

2.1.2 節(jié)能策略

相比原BAS粗放式的設(shè)備管理，深度集成了節(jié)能控制系統(tǒng)的BAS能為車站提供量身定制的節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)冷水系統(tǒng)、隧道通風(fēng)系統(tǒng)、大系統(tǒng)和小系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備統(tǒng)籌兼顧，綜合考量車站當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，給出最適合的運(yùn)行模式，并且實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)智能的設(shè)備控制。

車站很多單機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)容量偏大，大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，正常運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)大于實(shí)際工作負(fù)荷。采用變頻控制能大幅降低此類不必要的能耗。節(jié)能控制系統(tǒng)模塊能采集相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部算法處理，輸出變頻設(shè)備的運(yùn)行頻率。其中，大系統(tǒng)空調(diào)根據(jù)大系統(tǒng)回風(fēng)溫度控制，小系統(tǒng)風(fēng)機(jī)根據(jù)各個(gè)設(shè)備用房溫度控制，冷凍泵則由供回水溫差確定運(yùn)行頻率。節(jié)能控制系統(tǒng)還設(shè)有保護(hù)機(jī)制：當(dāng)站內(nèi)空氣二氧化碳濃度過高時(shí)自動提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，以保證安全舒適的乘車環(huán)境。

傳統(tǒng)的隧道系統(tǒng)多數(shù)采用時(shí)間表控制，與環(huán)境條件不匹配，持續(xù)開啟軌排風(fēng)機(jī)。當(dāng)?shù)叵滤淼拉h(huán)境溫度較低時(shí)，傳統(tǒng)的隧道通風(fēng)系統(tǒng)還會將外界大量的熱量抽進(jìn)隧道，將隧道和車站的冷量帶走，導(dǎo)致隧道溫度更高。深度集成了節(jié)能控制系統(tǒng)的BAS，能將隧道溫度及當(dāng)前線路行車對數(shù)等參數(shù)傳遞給節(jié)能控制系統(tǒng)模塊，由節(jié)能控制系統(tǒng)模塊綜合考慮相關(guān)因素，控制軌排風(fēng)機(jī)實(shí)行高低檔定頻運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)隧道系統(tǒng)的節(jié)能控制。

在不降低現(xiàn)有地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)服務(wù)水平的前提下，節(jié)能控制系統(tǒng)模塊還能優(yōu)化地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)備方案，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行次數(shù)和時(shí)間表，降低設(shè)備損耗，從而提升設(shè)備效率，達(dá)到變相節(jié)能的目的。比如，在冷水系統(tǒng)中，節(jié)能控制系統(tǒng)模塊可根據(jù)能效和設(shè)備性能提供最優(yōu)設(shè)備運(yùn)行組合，優(yōu)化每臺冷水機(jī)負(fù)荷分配，從而實(shí)現(xiàn)各臺冷水機(jī)組及水泵的運(yùn)行時(shí)間均衡。

2.1.3 節(jié)能效果分析

以某地鐵項(xiàng)目為例，將節(jié)能控制系統(tǒng)高度集成于BAS中并啟用后，空調(diào)啟用季節(jié)(5～9月)的地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)節(jié)能效果較為明顯，相應(yīng)的典型日節(jié)能效益如表1所示。根據(jù)表1計(jì)算可得，該項(xiàng)目通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)共節(jié)能2 347.3 kW·h，綜合節(jié)能率高達(dá)44.9%。

表1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)典型日節(jié)能量計(jì)算

2.2 互連集成方式

互連集成方式適用于已經(jīng)建成的地鐵改建?；ミB集成方式能保證既有系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，能在不影響原有BAS設(shè)備監(jiān)控和防災(zāi)減災(zāi)功能的前提下，將節(jié)能控制系統(tǒng)集成到現(xiàn)有車站系統(tǒng)中，并通過信息互連實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

互連集成方式將節(jié)能控制系統(tǒng)作為獨(dú)立子系統(tǒng)與原BAS互連，通過接口與之交換必要的信息。在正常運(yùn)行時(shí)，保留原BAS的監(jiān)視功能，由節(jié)能子系統(tǒng)管理相關(guān)環(huán)境控制設(shè)備；在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，把控制權(quán)限還給BAS，保證火災(zāi)模式下能正常下發(fā)執(zhí)行相關(guān)指令。這樣的架構(gòu)既能滿足既有系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求，又能實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。節(jié)能子系統(tǒng)和BAS互連集成的系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 節(jié)能子系統(tǒng)和BAS互連集成的系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 接口改造

節(jié)能子系統(tǒng)和BAS要實(shí)現(xiàn)互連集成，需對接口進(jìn)行改造。

電氣接口部分要加裝切換裝置，以完成節(jié)能子系統(tǒng)和BAS的模式切換，還要加裝信號分轉(zhuǎn)裝置，以完成共同監(jiān)控設(shè)備的信號接入。設(shè)備輸入信號線通過BAS控制柜以串聯(lián)式連接的方式接到信號箱，之后，通過信號分轉(zhuǎn)裝置接到節(jié)能子系統(tǒng)和BAS。節(jié)能子系統(tǒng)和BAS可以同步對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視。設(shè)備控制信號通過切換裝置和邏輯互鎖裝置，實(shí)現(xiàn)在BAS下和節(jié)能子系統(tǒng)下的控制權(quán)限切換和控制信號的下發(fā)。節(jié)能受控設(shè)備同BAS及節(jié)能子系統(tǒng)的信號流如圖4所示。

圖4 節(jié)能子系統(tǒng)和BAS互連的硬線監(jiān)控信號流

在實(shí)際工程中，節(jié)能子系統(tǒng)和BAS共同監(jiān)測的信號輸入點(diǎn)可改線接入到節(jié)能控制柜，再通過繼電器接回到BAS控制箱。信號分轉(zhuǎn)繼電器具有兩路常開觸點(diǎn)(如圖5所示)，可分轉(zhuǎn)設(shè)備反饋信號，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能子系統(tǒng)和BAS的同時(shí)監(jiān)測。

圖5 輸入點(diǎn)改造圖例

對于節(jié)能子系統(tǒng)和BAS共同監(jiān)控設(shè)備，可在權(quán)限控制點(diǎn)加裝切換裝置，兩路設(shè)備控制點(diǎn)則分別接到節(jié)能子系統(tǒng)和BAS，從而實(shí)現(xiàn)權(quán)限切換。改造后的控制點(diǎn)如圖6所示。圖6中，權(quán)限控制點(diǎn)切換裝置由節(jié)能子系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能子系統(tǒng)和BAS的信號互鎖和模式切換，繼電器觸點(diǎn)常閉，同一時(shí)刻僅有一套系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行控制。

圖6 控制點(diǎn)改造圖例

圖7 節(jié)能子系統(tǒng)和BAS互連集成的通信信號流

對于原BAS通過通信方式監(jiān)控的設(shè)備，可增加新的通信鏈路，使節(jié)能子系統(tǒng)獲得所需的監(jiān)控點(diǎn)。如圖7所示，在受控設(shè)備的接口處增加1臺可編程的工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)，以讀取受控設(shè)備的狀態(tài)及下發(fā)控制信號。節(jié)能子系統(tǒng)和BAS可同時(shí)通過工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)讀取受控設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等信息；網(wǎng)關(guān)中的權(quán)限管理系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前控制權(quán)限來判斷由BAS或節(jié)能子系統(tǒng)下發(fā)控制信號。

2.2.2 權(quán)限控制

節(jié)能子系統(tǒng)與BAS互連集成時(shí)，需避免新增節(jié)能子系統(tǒng)的控制權(quán)限與原有控制系統(tǒng)發(fā)生沖突，保證環(huán)境控制系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。節(jié)能模式下，節(jié)能子系統(tǒng)完全監(jiān)控通風(fēng)、冷源等受控設(shè)備，BAS只監(jiān)不控；非節(jié)能模式下(火災(zāi)、阻塞、節(jié)能子系統(tǒng)故障工況下)，節(jié)能子系統(tǒng)自動將權(quán)限交給BAS，只監(jiān)不控，由BAS發(fā)揮自身防災(zāi)減災(zāi)的功能。通過這種切換機(jī)制，節(jié)能子系統(tǒng)和BAS各司其職，在保證地鐵安全可靠運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。

2.2.3 節(jié)能策略及節(jié)能效果分析

地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體，有著“牽一發(fā)而動全身”的特點(diǎn)，只對單獨(dú)的設(shè)備進(jìn)行改造，有可能只達(dá)到局部最優(yōu)，卻造成總能耗升高?；诖?，全面地衡量環(huán)境控制系統(tǒng)整體運(yùn)行方式，從而做到系統(tǒng)級的優(yōu)化。

節(jié)能子系統(tǒng)能自動跟蹤車站的運(yùn)行規(guī)律和負(fù)荷變化特點(diǎn)，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行模式和設(shè)備功率，在滿足室內(nèi)環(huán)境需求的前提下，有效降低地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。針對不同地鐵車站的環(huán)境控制特點(diǎn)，結(jié)合所在的地域氣候、線路特點(diǎn)、客流量和設(shè)備選型等情況，從通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化和冷源效率優(yōu)化等方面著手，能長期維持控制過程的穩(wěn)定可靠。

地鐵車站的客流量和新風(fēng)溫度不斷變化，熱負(fù)荷也隨之變化，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的頻率。這不僅能節(jié)約一部分風(fēng)機(jī)能耗，也有利于車站內(nèi)環(huán)境溫度的精確控制。為了避免車站復(fù)雜的環(huán)境參數(shù)帶來的影響，模糊控制算法針對風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，能減小控制過程中的室溫波動。另外，結(jié)合不同地鐵站的建筑特點(diǎn)，采用多種送排風(fēng)結(jié)合的模式控制，可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)組的自動啟停，節(jié)約能耗。

冷水系統(tǒng)作為一個(gè)整體，其設(shè)備彼此關(guān)聯(lián)，其優(yōu)化同樣需要從全局考慮、綜合調(diào)控，使節(jié)能總效率最優(yōu)。節(jié)能子系統(tǒng)能優(yōu)化冷水系統(tǒng)中設(shè)備的連鎖啟停控制，能在不同工況下采取更加節(jié)能高效的模式控制，還能增加冷凍泵、冷卻泵等設(shè)備的變頻控制，實(shí)現(xiàn)能效最優(yōu)。冷水系統(tǒng)中，制冷機(jī)組是耗電大戶。而制冷機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)一般取決于末端冷量需求[4]。節(jié)能子系統(tǒng)接入冷水系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控的最大的優(yōu)勢在于加卸載管理：將供水溫度和制冷機(jī)組的冷量同時(shí)納入到增加或減少制冷機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)的策略中，控制效果更好；加卸載過程中，同時(shí)控制多臺運(yùn)行機(jī)組的制冷負(fù)荷，能最快達(dá)到冷水系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，使供水溫度波動最??；能減小電網(wǎng)突增的負(fù)荷，平衡冷水機(jī)組的壽命，最大限度提升節(jié)能效果。

節(jié)能子系統(tǒng)互連集成BAS的方式多用于既有地鐵線路的節(jié)能改造，能為既有線路帶來可觀的節(jié)能效益。以北方某城市地鐵節(jié)能改造項(xiàng)目為例，某站1年的節(jié)能效果如表2所示。由表2可得，原能耗為71.5萬kW·h, 節(jié)能后能耗為47.6 kW·h，節(jié)能率達(dá)33%。

表2 某站節(jié)能改造后1年的節(jié)能效果

3 結(jié)語

未來的地鐵節(jié)能必定會向精細(xì)化和一體化發(fā)展，節(jié)能控制也將更加精細(xì)化的管理。節(jié)能控制系統(tǒng)的集成方式需要在規(guī)劃建設(shè)階段，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)來進(jìn)行選擇。本文介紹的兩種集成方式可為節(jié)能控制系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用提供參考。