地鐵通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)方案探析

王克斌

（上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 200063）

1 軌道交通節(jié)能概述

截至2019年底，中國(guó)內(nèi)地共有40個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路208條，總長(zhǎng)度6 736.2 km，當(dāng)年新增運(yùn)營(yíng)里程974.8 km。共有65個(gè)城市的城軌交通線網(wǎng)規(guī)劃獲批，其中，線網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃在實(shí)施的城市共計(jì)63個(gè)，在實(shí)施的建設(shè)規(guī)劃線路總長(zhǎng)7 339.4 km。十三五四年間，累計(jì)新增3 118.2 km[1]，地鐵建設(shè)處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期。隨著各城市地鐵運(yùn)營(yíng)里程的不斷增長(zhǎng)，能耗問題日益凸顯，電費(fèi)支出占運(yùn)營(yíng)成本的30%左右，而車輛牽引和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)又是整個(gè)系統(tǒng)的耗電大戶，如圖1所示。由于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按照遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)指標(biāo)設(shè)計(jì)，并留有較大裕量，所以具有較大的節(jié)能空間。該文以上海軌道交通15號(hào)線為案例，闡述了通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)策略、架構(gòu)以及功能。

圖1 地鐵各系統(tǒng)能耗占比情況

1.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包括為公共區(qū)環(huán)境提供服務(wù)的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的大系統(tǒng)，為車站設(shè)備管理用房提供服務(wù)的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的小系統(tǒng)，為整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)提供冷源的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的冷水系統(tǒng)，為隧道區(qū)間提供通風(fēng)排熱的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的隧道通風(fēng)系統(tǒng)。

上海15號(hào)線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要是由回排風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)器、冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、電動(dòng)風(fēng)閥及管路等構(gòu)成的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立完整的系統(tǒng)，其中冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、回排風(fēng)機(jī)和組合式空調(diào)器采用變頻器控制，冷水機(jī)組采用的是螺桿式冷水機(jī)組。

1.2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響因素

地鐵地下車站熱量主要來源于列車運(yùn)行產(chǎn)生的熱能、乘客的散熱、站內(nèi)照明設(shè)備的熱能、站內(nèi)自動(dòng)扶梯等機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的散熱以及通過新風(fēng)系統(tǒng)和出入口進(jìn)入站內(nèi)的新風(fēng)帶來的熱能等[2]。由于地鐵站熱力學(xué)模型具有大滯后的特性，所以要達(dá)到較好的優(yōu)化控制效果，僅關(guān)注站內(nèi)各參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，是不能滿足控制需求的，需要預(yù)測(cè)冷源的需求變化趨勢(shì)，根據(jù)趨勢(shì)變化情況，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行合理控制，使各設(shè)備避免運(yùn)行狀態(tài)大幅變化的情況，降低系統(tǒng)能耗。總之，通過通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制，滿足地下站公共區(qū)內(nèi)環(huán)境如下指標(biāo)，并取得較好的節(jié)能效果：地下站公共區(qū)內(nèi)的CO2日平均濃度應(yīng)小于1.5‰，通風(fēng)季站內(nèi)溫度不高于室外空氣計(jì)算溫度5 ℃且不應(yīng)超過30 ℃，空調(diào)季站廳比室外空氣計(jì)算溫度低2 ℃～3 ℃，且不應(yīng)超過30℃，相對(duì)濕度在40%～70%，站臺(tái)比站廳空氣計(jì)算溫度低1 ℃～2 ℃，相對(duì)濕度在40%～70%[3]。

2 通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)策略

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制主要采用以下3個(gè)策略：效率優(yōu)先、供需平衡和智能聯(lián)動(dòng)。

2.1 效率優(yōu)先

效率優(yōu)先主要從2個(gè)方面考慮，設(shè)備運(yùn)行效率和環(huán)境因素。從圖2冷水機(jī)組制冷效率隨冷卻水溫度變化趨勢(shì)圖中可以看出，冷卻水溫度越低，冷水機(jī)組的制冷效率越高，但是不論冷卻水溫度如何變化，冷水機(jī)組負(fù)載率為50%～70%，相對(duì)于同一冷卻水溫度其他負(fù)載率的情況下，其制冷效率都是較高的，所以在對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制時(shí)，要盡量保證冷水機(jī)組運(yùn)行在該區(qū)域內(nèi)。環(huán)境因素主要是從盡量降低潛熱損耗的角度出發(fā)的。潛熱是物質(zhì)發(fā)生相變過程吸收或放出的熱量，通常情況下，物質(zhì)發(fā)生相變的過程中溫度基本保持恒溫狀態(tài)[4]。站內(nèi)環(huán)境溫度，采用降低空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度，但是當(dāng)送風(fēng)溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣凝結(jié)成水，部分冷量浪費(fèi)在潛熱消耗，此時(shí)增加冷水機(jī)組冷量供給，送風(fēng)溫度不會(huì)明顯降低，所以要提高效率，就必須減少潛熱的損耗。

2.2 供需平衡

站內(nèi)環(huán)境影響因素包括行車間隔、客流量、站外環(huán)境變化情況等，通過分析各因素對(duì)冷量需求的影響，預(yù)測(cè)站內(nèi)冷量需求，根據(jù)冷量需求合理調(diào)整各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到冷量供需平衡的狀態(tài)，避免設(shè)備大幅波動(dòng)，減少設(shè)備能耗。冷量預(yù)測(cè)是對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，根據(jù)歷史類似運(yùn)行工況下的冷量需求數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)當(dāng)前環(huán)境冷量需求。例如相似條件下t1時(shí)刻給定相同的系統(tǒng)負(fù)荷Q1，t2時(shí)刻以歷史數(shù)據(jù)Q2為基準(zhǔn)，參考變換趨勢(shì)給定t2時(shí)刻系統(tǒng)冷量需求Q3，如此往復(fù)，不斷修正。通過負(fù)荷預(yù)測(cè)，變被動(dòng)調(diào)節(jié)為主動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)供需平衡，減少了系統(tǒng)的振動(dòng)和波動(dòng)，降低系統(tǒng)能耗。

圖2 冷水機(jī)組制冷效率隨冷卻水溫度變化趨勢(shì)圖

2.3 智能聯(lián)動(dòng)

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中存在多個(gè)耦合關(guān)系的系統(tǒng)，例如冷卻水系統(tǒng)與冷水機(jī)組、冷凍水系統(tǒng)與冷水機(jī)組、風(fēng)系統(tǒng)與冷水系統(tǒng)等，在處理具有耦合關(guān)系設(shè)備的節(jié)能控制時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)的能耗，才能達(dá)到整體能耗最優(yōu)的目的。

以冷卻水系統(tǒng)與冷水機(jī)組為例，從圖3中可以看出，冷水機(jī)組制冷效率隨著冷卻水溫度的降低而升高，因此，在同樣的冷量需求下，冷水機(jī)組的能耗隨冷卻水溫度的降低而減少；冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗隨冷卻水溫度的降低而增大；冷水機(jī)組的能耗與冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗具有緊密的耦合關(guān)系。處理好系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，才能使系統(tǒng)的能耗最低。通過圖3可以看出，在冷卻水的邊界條件內(nèi)，存在某個(gè)冷卻水溫度，使冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)組組成的冷卻水系統(tǒng)能耗最低，采用尋優(yōu)算法，找到最優(yōu)參數(shù)，是節(jié)能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖3 冷水機(jī)組冷卻水系統(tǒng)能耗圖

3 通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)及功能

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)主要包括節(jié)能智能控制模塊和節(jié)能優(yōu)化決策模塊，節(jié)能智能控制模塊部署在BAS冗余PLC中，由空調(diào)水系統(tǒng)的變流量智能控制模塊、風(fēng)系統(tǒng)的變風(fēng)量智能控制模塊、車站軌行區(qū)排熱風(fēng)機(jī)智能控制模塊構(gòu)成；節(jié)能優(yōu)化決策模塊部署在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器上，由COP主動(dòng)尋優(yōu)模塊和負(fù)荷預(yù)測(cè)預(yù)判模塊構(gòu)成。通風(fēng)空調(diào)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。變流量智能控制模塊、變風(fēng)量智能控制模塊具有相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行特性，分別接收空調(diào)水系統(tǒng)、車站風(fēng)系統(tǒng)和軌行區(qū)排熱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)內(nèi)置的節(jié)能控制算法，制定最佳系統(tǒng)控制策略，同時(shí)接收節(jié)能優(yōu)化決策模塊的計(jì)算參數(shù)，優(yōu)化各模塊的控制參數(shù)；節(jié)能優(yōu)化控制記錄及相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)由BAS主體系統(tǒng)上傳到綜合監(jiān)控系統(tǒng)。節(jié)能智能運(yùn)算單元的被控對(duì)象（風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)）的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及節(jié)能調(diào)節(jié)記錄等歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能由綜合監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 COP主動(dòng)尋優(yōu)模塊

主動(dòng)尋優(yōu)模塊是將系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合主動(dòng)尋優(yōu)算法，計(jì)算出系統(tǒng)的最佳工況點(diǎn)；將歷史數(shù)據(jù)類似工況下的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制參數(shù)，并不斷自動(dòng)修正。主動(dòng)尋優(yōu)可以使整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗最低。

3.2.2 負(fù)荷預(yù)測(cè)預(yù)判模塊

利用大數(shù)據(jù)對(duì)行車間隔、客流量、溫濕度變化情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，分析各因素對(duì)負(fù)荷變化的影響，結(jié)合行車計(jì)劃、客流高峰、溫濕度變化等數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)預(yù)判站內(nèi)冷量需求情況，提出設(shè)備優(yōu)化控制方案。

圖4 通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2.3 變流量智能控制模塊

變流量智能控制模塊實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)等水系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，通過對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)節(jié)能的目標(biāo)。在任何負(fù)荷條件下，都能以最少的系統(tǒng)能耗獲得需要的冷量，在保證末端空調(diào)服務(wù)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)的綜合優(yōu)化與高效節(jié)能。

變流量智能控制模塊包括以下4個(gè)功能。1） 關(guān)聯(lián)控制功能：根據(jù)實(shí)際需要制定關(guān)聯(lián)計(jì)劃，來指定受控設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并按要求來啟動(dòng)/停止相關(guān)的設(shè)備組合，操作簡(jiǎn)便。2） 泵組優(yōu)選功能：在并聯(lián)冷凍水泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷所需的冷凍水流量，推算出運(yùn)行的并聯(lián)水泵臺(tái)數(shù)及工作頻率，在該狀態(tài)下泵組消耗的總能耗最低，實(shí)現(xiàn)泵組電量總消耗最低的控制目標(biāo)。3） 冷水機(jī)組群控功能：在多臺(tái)冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況和負(fù)荷變化，智能選擇空調(diào)冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳運(yùn)行組合，確?？照{(diào)系統(tǒng)的高效運(yùn)行；同時(shí)，可以根據(jù)車站空調(diào)使用習(xí)慣，制定機(jī)組啟停計(jì)劃，滿足控制需求。4） 動(dòng)態(tài)水力平衡控制：能夠通過對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的水力分配加以干預(yù)，使每個(gè)空調(diào)環(huán)路都能夠獲得需要的冷凍水流量，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)管網(wǎng)的水力動(dòng)態(tài)檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)水力平衡的有效控制，確保各支路的能量分配均衡和良好的制冷效果。

3.2.4 變風(fēng)量智能控制模塊

風(fēng)系統(tǒng)的組合式空調(diào)箱和回/排風(fēng)機(jī)，根據(jù)車站公共區(qū)控制對(duì)象和實(shí)際需求，采用變頻控制方式調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送/排風(fēng)量，同時(shí)組合式空調(diào)冷凍水閥依據(jù)送風(fēng)溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在滿足公共區(qū)環(huán)境溫度的前提下，最大限度地降低能源消耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全局的動(dòng)態(tài)水力平衡調(diào)節(jié)功能。

根據(jù)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)備的變頻控制，實(shí)現(xiàn)綜合優(yōu)化節(jié)能。變風(fēng)量智能控制模塊包括以下功能。1）定時(shí)控制策略：根據(jù)實(shí)際需要制訂定時(shí)啟停計(jì)劃，達(dá)到計(jì)劃時(shí)間則自動(dòng)啟動(dòng)或停止控制策略中指定的設(shè)備。2）計(jì)劃目標(biāo)值表控制：根據(jù)需要在不同時(shí)間段配置不同的目標(biāo)值，也可以根據(jù)地鐵車站在不同時(shí)段的客流量分布情況，設(shè)置不同的控制目標(biāo)值。3）新風(fēng)換氣功能：系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的公共區(qū)CO2濃度，以滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中》規(guī)定的人均最小新風(fēng)量為依據(jù)，并綜合考慮風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、歷史CO2濃度變化趨勢(shì)，確定新風(fēng)的需求量，定時(shí)進(jìn)行新風(fēng)量的補(bǔ)給。4）系統(tǒng)保護(hù)功能：系統(tǒng)能通過對(duì)車站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備各種運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)，提供完善的安全保護(hù)功能，確保設(shè)備運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定，包括但不限于以下保護(hù)功能：CO2濃度過高保護(hù)功能、回風(fēng)（區(qū)域）高溫保護(hù)功能、送風(fēng)高溫保護(hù)功能等。

4 結(jié)語

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為車站公共區(qū)域提供服務(wù)，直接影響乘客的出行體驗(yàn)，在滿足乘客需求的前提下，降低系統(tǒng)能耗，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也為城市的低碳出行、綠色出行提供強(qiáng)有力保障。通風(fēng)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)有很大的發(fā)展空間，設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、故障智慧診斷，避免“帶病”設(shè)備影響系統(tǒng)能耗，節(jié)能系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)、自主進(jìn)化等都是節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展方向。