地鐵站通風空調系統風水聯動智能控制系統的應用

鄭奕

（北京市市政工程設計研究總院有限公司）

1 引言

隨著城市的高速發展，軌道交通以運力大、受氣候影響小等多種優勢成為了城市公共交通的新寵。但隨著城市軌道交通的建設，其高能耗的特點也逐漸顯現。

在整個地鐵系統運行能耗中，通風空調系統能耗約占到25%～35%，僅次于列車牽引供電的能耗。因此通風空調系統節能的有效性對軌道交通的總體能耗的降低具有重大的意義。

2 節能控制原理

地鐵的通風空調系統包含兩個部分：風系統和水系統。地鐵通風空調系統的設備一般按照遠期高峰小時運行情況進行配置，在運行初期，近期客流及行車對數遠沒有達到設計水平，因此設備選型有較大的富余量；同樣在非高峰時段，也存在設備選型富裕的問題。

圖1 地鐵運行中各專業能耗占比

目前一般集成閉式通風空調系統中，公共區的風機采用變頻控制，并由BAS系統按照固定的控制表來進行運轉，如（空調季與過渡季有6h以最大風量運行，有12h以一半風量運行），并未根據實際的車站負荷來調節風機的頻率，且空調水系統循環水泵并未采取變頻泵，只通過調節冷水機組的負荷進行節能控制，因此通過將水泵改為變頻控制以及優化風機運行模式可以進一步實現系統的節能運行。

風系統及水系統是有一定耦合的關系，當車站公共區負荷變化時，通過調節風機頻率及送風溫度來節省風系統的能耗，同時還應改變冷水系統的流量及制冷機組運行狀態以節省水系統的能耗。只有風、水系統的調節有機的結合在一起，節能才能達到最佳狀態。

風水聯動智能控制系統是指一套可以通過采集設于車站內各處的溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器及可吸入顆粒物傳感器的數據，完成車站冷負荷最低化的運算以及通風空調系統運行能耗最低化的運行方案，并制定相應的設備控制策略，使車站公共區在達到設計環境溫度目標值的前提下，車站通風空調系統綜合能耗值達到最低值的智能控制系統。

因此在地下車站中，引入風水聯動智能控制系統對車站公共區通風空調設備的運行狀態進行整體調節才是實現系統節能運行的有效手段。

3 通風空調系統工藝要求

3.1 參與風水聯動智能控制的車站通風空調設備

1）車站風系統（大系統）：車站送/排風機、車站新風閥、排風閥、回風閥、公共區送排風管上的電動調節閥。

2）車站空調水系統：冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、電動二通閥、電動蝶閥。

3.2 風水聯動智能控制系統的節能目標

風水聯動智能控制系統應根據車站客流變化、列車行車組織變化、室內新風負荷變化等室內負荷變化量以及室外空氣狀態，完成車站冷負荷最低化的運算以及通風空調系統運行能耗最低化的運行方案，使車站公共區在達到設計環境溫度目標值的前提下，車站通風空調系統COP值達到最大值。

3.3 通風空調系統運行工況

車站通風空調系統運行工況分為正常運行工況、阻塞運行工況、火災運行工況。

1)正常運行工況

風水聯動智能控制系統通過負荷計算及系統COP值比對確定通風空調系統運行模式。同時風水聯動智能控制系統可以根據室內負荷變化調節車站送、排風機運行頻率，并同時對空調水系統設備實際運行參數進行調節。

2)阻塞運行工況

風水聯動智能控制系統不再執行節能策略，水系統各設備保持原運行狀態，風系統不再執行節能策略，權限交由BAS系統控制。

3)火災運行工況

水系統關閉，風水聯動智能控制系統不參與設備控制，風系統設備由BAS系統控制。

4 風水聯動智能控制方案

4.1 系統方案

風水聯動智能控制系統采用與環境與設備控制系統（BAS）獨立并存的方式。由BAS系統下達通風空調系統正常或事故工況運行模式的模式選擇。風水聯動智能控制系統負責監控車站空調水系統，BAS系統負責監控車站其它通風空調系統，風水聯動智能控制系統與BAS系統共享空調水系統及公共區通風空調系統的信息。在正常模式下，風水聯動智能控制系統根據設備的監測信息對空調水系統及公共區通風空調系統提出相應控制策略與算法，實現對車站空調系統的節能控制。

4.2 系統模式

車站通風與空調系統分為3種工況（正常工況、火災工況、阻塞工況）。風水聯動智能控制系統在正常工況下具有對空調水系統及風系統的模式控制功能以及調節控制功能，與此之外，其它模式對通風與空調系統設備均不進行節能調節。

4.3 系統功能

4.3.1 系統采集及監視功能

監視空調水系統中冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機等設備的運行狀態和系統管路上對應的傳感器（如溫度、壓差等）、電動閥門狀態、流量計的參數，并可通過與BAS系統通訊共享相應參數。

通過與BAS系統通訊采集通風空調公共區通風與空調系統各設備的運行狀態及相關的運行參數。

采集并存儲被監控對象電能量表計的數據。

4.3.2 控制功能

1)空調水系統控制

①空調水系統節能策略

風水聯動智能控制系統可根據實際的運行情況和負荷變化，通過調節閥門開度、智能化選擇冷水機組、循環水泵、冷卻塔風機等設備運行的臺數和運行頻率，確保空調水系統的高效率運行。

②空調水系統設備控制

控制空調水系統中冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、二通調節閥、電動蝶閥等設備的啟停狀態及設置相應參數。

③空調水系統設備運行保護

設置合理的設備啟停順序及聯鎖功能、設置冷水機組超溫保護限定值，避免設備在運行過程中造成損壞或非正常停機。

2)全局協調控制

正常工況下，風水聯動智能控制系統通過與BAS的通訊采集公共區通風與空調系統變頻器頻率、公共區末端負荷等信息，對全局監控對象進行關聯，通過智能控制算法提出相應控制策略實現全局協調控制，使整個通風空調系統的各個環節能協調工作、高效運行。

3)系統參數設置及遠程控制

在監控平臺的流程監視界面上實現對通風空調風系統、水系統中的各設備進行監視，直接進行空調冷水系統參數設置和啟停操作，如：設置冷水閥開度、冷水機組冷凍水出口溫度等。

4.4 車站系統構成

在每個車站獨立設置一套風水聯動智能控制系統，采用監控管理層、采集控制層、現場監測執行儀表層三級結構，由集中控制器、水泵控制主裝置、冷卻塔控制裝置、以及各種傳感器件以及系統軟件等組成。本系統采用分布式控制，每個控制裝置均設置分布式控制器，各個控制柜、控制箱均完全獨立工作。

5 結論

隨著社會對節能、低碳、環保的要求的提高，軌道交通的節能運行也被日益關注，風水聯動智能控制系統雖然在民用建筑上早有類似應用，但在軌道交通工程中的應用才剛剛起步，該技術在軌道交通領域的應用響應了住建部關于“十三五”時期我國大力推動建筑節能和綠色建筑的號召，實現了通風空調系統的智能化節能控制。