蘇州地鐵1號線車站通風空調系統節能控制方案與應用研究

貴州匯通華城股份有限公司 騫志彥 姜 博

1 引言

蘇州軌道交通1號線共設地下車站24座，各站點通風空調系統由大系統、小系統和水系統構成。其中大系統為車站公共區（站臺、站廳）的空調通風系統，包括組合式空調箱、排熱風機、全新風機、小新風機及相應的風道和各種風閥組成等設備；小系統為車站設備管理用房的空調通風系統，包括柜式風機盤管、回排風機等設備；水系統指為大系統、小系統指用于提供冷源的冷源站設備，包括冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等設備。在各個站點中，其通風空調系統的能耗約占整個站點總用電量的50%～60%，是站點的主要耗能設備。

通過對蘇州地鐵站點的負荷情況的分析發現，大系統的高負荷時段集中在早中晚上下班高峰期，在其余時間客流相對較少時，空調系統的負荷隨之降低；小系統針對設備管理用房，需24小時不間斷供冷，但在夜間僅用于消除設備的散熱負荷，對冷量需求也較小。因此，針對不同工作時段的負荷差異性和室外氣候變化所引起的負荷變化對空調大系統、小系統和冷源站進行優化控制，可以有效提高通風空調系統的用能效率，實現系統節能。

本研究以蘇州地鐵1號線濱河路站和東方之門站的通風空調系統為研究對象，對通風空調系統中的水系統和大系統的控制方案進行了研究分析，并對節能效果進行了總結，為蘇州地鐵1號通風空調系統的節能改造提供參考。

2 系統耗能分析

對于蘇州地鐵1號通風空調系統，其水系統僅在空調季運行，一年運行約6個月，而大系統全年均需運行，一年運行約12個月，通過對兩個實驗站點節能改造前實際能耗數據的抽樣采集分析，東方之門站和濱河路站各通風空調主要設備運行耗電量分析見表1和表2：

表1 蘇州地鐵1號線東方之門站水系統全年運行能耗表

表2 蘇州地鐵1號線濱河路站全年水系統及大系統運行能耗表

根據以上統計計算，蘇州地鐵1號站東方之門站水系統運行耗電量約為53萬kW·h/年，濱河路站水系統及大系統運行耗電量約為68萬kW·h/年。因此如何降低地鐵車站通風空調系統的能耗，減少運營成本是軌道交通環控系統亟待解決的問題。

3 系統控制方案

本項目針對地鐵站通風空調大系統、水系統的運行特點及存在的問題，開展智能化節能控制技術研究，制定了以下系統控制方案。該控制方案為減少系統中各環節的相互干擾，將系統分為幾個相對獨立的環節來進行控制，再由一個上層集中監控平臺系統來完成各環節間的協調，降低調節算法的設計難度。

3.1 基于冷量供需匹配的冷凍水系統動態控制方案

系統根據冷凍水循環周期、歷史負荷數據分析和室外濕球溫度檢測，動態預測“未來時刻”車站內空調負荷的變化趨勢，并以此計算冷凍水系統的優化運行參數，對冷凍水流量“提前”進行控制，有效解決了大時滯、大惰性的冷凍水系統控制滯后問題，不僅可消除冷量供給的“數量差”與“時間差”，實現了冷量的供需匹配，保證空調的舒適性，而且還消除了“大流量、小溫差”現象，有效降低輸送能耗，提高冷凍水系統運行的穩定性。

3.2 基于制冷系統效率最佳的冷卻水系統優化控制方案

系統自動實時建立制冷站在不同負荷率及濕球溫度條件下系統的能效比(COP)數據庫和自適應模糊優化算法模型，根據排熱負荷、氣候條件和系統特性，通過推理、計算出所需的冷卻水最佳溫度值TCm，并以此調節冷卻水泵變頻器的頻率及冷卻塔風機的運行數量，動態調節冷卻水的流量及冷卻塔的風量，使冷卻水溫度逐漸趨近于TCm，從而保證空調制冷系統在任何條件下都處于系統效率最佳狀態運行，實現系統整體能耗最低。

3.3 基于能量預測的空調風機模糊預期控制方案

在地鐵車站公共區通風空調“大系統”組合式空氣處理機組的控制中，為克服空氣的熱惰性和控制滯后，控制系統通過對系統各種工藝參數及設備參數的采集，計算并記錄空氣處理機組的輸出能量趨勢序列，結合系統特性、循環周期、歷史負荷數據及車站出入口的漏風量等推理預測“未來時刻”系統的負荷，從而確定空氣處理機組的最佳運行參數，實現空調區域溫度的精確控制，在保證服務質量的前提下，最大限度的降低系統的能耗。

系統根據車站兩端回風溫度的采集和比較，調節兩端空氣處理機組送風機的運行頻率，以調節其送風量，使車站兩端空調區域的溫度達到均衡。而回排風機則采用跟隨送風機頻率運行，使車站內保持必要的微正壓。

3.4 基于總冷量與總負荷匹配的風水協調控制方案

在系統的集中管理平臺中內嵌風水協調控制策略。系統首先會采集各個末端的負荷信息，并結合其自身歷史數據庫進行末端系統總負荷的推理預測，并將推理預測結果轉發冷凍水調節環節，冷凍水調節環節結合系統管路損耗特性，并結合自身的負荷預測數據完成對末端系統總負荷的修正，從而計算滿足末端需求和克服系統損耗條件下制冷站所需輸出的總冷量，并調節冷凍水泵頻率來滿足冷量的供給，以保證冷站供給與末端需求的一致。同時，在輸出與需求相匹配的基礎上，系統再通過調整各末端空氣處理機組表冷器的冷凍水閥的開度，根據各末端子系統的實際負荷需要對冷量進行動態分配，以保證在任何一個環節均不至于產生冷量浪費。以實現風系統與水系統之間的協調運作，保持整個通風空調系統始終處于最高效率點運行。

4 應用效果分析

經現場試驗發現，車站內的實際熱負荷受客流量變化的影響因素較小，站內熱負荷主要來源于混風室新風的補給與車站出入口的漏風所帶入的外界熱負荷，因此在測試期間，當室外溫度較低時開啟一套冷水機組測試，室外溫度高時開啟兩套冷水機組測試。

對于東方之門站，通過對兩種工況下多組測試數據的綜合處理，測試結果如表3所示：

表3 東方之門站節能測試數據表

以測試的系統節能率32.33%為基礎，結合東方之門站原系統年能耗數據，可計算出東方之門站的年節能量，如表4所示：

表4 東方之門站年節能量測算表

對于濱河路站，通過對兩種工況下多組測試數據的綜合處理，測試結果如表5所示：

表5 濱河路站節能測試數據表

以測試的系統節能率33.58%為基礎，結合濱河路站原系統年能耗數據，可計算出濱河路站的年節能量，如表6所示：

表6 濱河路站年節能量測算表

可見，無論是單獨對水系統進行變流量控制，還是同時進行水系統變流量和大系統變風量控制，水系統的節能率均可達到30%以上，而大系統的節能率可接近50%，由于大系統需要全年運行，其設備功率雖小，但全年能耗仍然巨大，因此單單對水系統進行變流量控制，節能潛力的挖掘有限，只有將大系統和水系統的節能控制有效結合，才可最大限度降低地鐵站點的能源消耗，大幅度降低運營成本，從而贏得較好的投資回報。

5 結束語

據調查，全國大部分地鐵車站的通風空調系統沒有采用先進的節能控制技術，或只安裝了簡單的變頻裝置，本研究對變風量及變水量控制方案進行深入探討，并進行了長期有效的詳細對比測試，通過分析比較得出：變風量及變水量控制方式由于深入到了地鐵車站通風空調的制冷主機、冷凍水循環系統、冷卻水系統、末端空氣處理系統及冷量分配系統等各個環節，通過相互間的協調工作，可實現對整個通風空調系統各環節節能潛力的最大挖掘，節能及控制效果遠高于傳統簡單變頻模式。

從本方案在試驗站點的應用效果來看，系統運行安全、穩定、可靠，控制算法先進、節能率高，系統COP得到了顯著提高，如果對本研究繼續深化完善，并在全國各站點全面推廣，將會給各地鐵運營公司帶來巨大的經濟效益和社會效益，引領中國地鐵車站通風空調控制技術的發展與變革。