廣州地鐵十三號線白江站空調節能控制系統淺析

邵峰，劉娜

(1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院）；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

1 車站空調系統

白江站空調設備機房位于車站站廳一層設備機房內，在機房內布置有兩臺電制冷螺桿機組，兩臺機組并聯運行作為車站夏季制冷的冷源提供；冷卻側及冷凍側各有三臺循環泵用于冷凍水及冷卻水的輸送，水泵配置為兩用一備配置，系統設計為機組與水泵一對一的配置使用；車站配置有兩套冷卻塔；車站站廳及站臺的冷源輸送主要依靠南北兩臺空調機箱，在車站的站廳及站臺的兩端及中間立柱上分別安裝有室內溫度和二氧化碳傳感器，用于檢測車站的溫度和二氧化碳的含量，來調節風系統的運行模式；車站工作人員值班室和設備用房由車站小循環風系統提供；車站其他小房間的夏季制冷全部由風機盤管提供。

2 智能DES控制系統

2.1 概述

智能DES控制系統可根據水管溫度、壓力及水流量傳感器采集來的各類數據變化，經過內部的計算，使得控制中心感知到系統負荷變化和各類故障信息，在充分考慮各受控設備的特性，運用冷站節能優化邏輯，在保證系統安全可靠運行的基礎上，對各受控設備發出相應控制指令，實現最大程度的能耗降低。同時系統具有對負荷變化預測的自學習能力，對不同負荷需求和環境條件下的性能及能耗作出預測，提供最佳的運行參數邏輯優化，并根據實時的反饋數據對這些運行參數進行修正，實現系統自學習控制。

2.2 智能DES-控制器 dynamic equilibrium selflearning（動態平衡自學習）

作為空調節能系統的控制部分，即一切功能展示的邏輯算法的核心，也是數據提取與計算的大腦，同時需要將控制策略的結果輸出給展示層進行各種報表、圖表的繪制與能耗的分析。如圖1所示。

圖1 智能DES控制系統示意圖

（1）動態平衡自學習控制策略。受地鐵站客流變化，行車對數等影響，且通常通風空調的溫度調節會有滯后反應，使系統處于震蕩或超調。基于此，我們在分時段控制的同時引入室外溫度作為氣候補償，使系統達到一個動態平衡，且更加節能。系統動態調節的策略為：增負荷時，先增大水量后增大風量；減負荷時，先降低風量后降低水量。

DES-控制系統中的自學習策略由參考模型、被控對象、反饋控制器和調整控制器參數的自適應機構等部分組成，其基本原理如圖2所示。

圖2 自學習策略參考模型

控制器參數的自學習調整過程如下：當參考輸入r(t)同時加到系統和模型的入口時，由于對象的初始參數未知，控制器的初始參數不可能整定得很好。故一開始，運行系統的輸出響應y(t)與模型的輸出響應ym(t)是不可能完全一致的，結果將產生偏差信號e(t)，故可由e(t)驅動自適應機構來產生適當調節作用，直接改變控制器的參數，從而使系統的輸出 y(t)逐步與模型輸出ym(t)接近，直到y(t)=ym(t)為止，當e(t)=0后，自適應調整過程就自動停止，控制器參數也就自動整定完畢。

我們的控制策略的原則是全自動跟隨負荷調整，減少人工干預。負荷曲線可隨著時間推移無限優化。自學習系統能夠避免滯后和喘振的基礎，在一個大平衡系統下，無限調整系統COP。

（2）冷水機組節能控制。策略1：如果機組出水溫度長時間達不到設定溫度值，且系統負荷高于冷機額定制冷量的70%，那么加開冷機；如果出水溫度達到設定值，負載率低于50%，則減開冷機。策略2：計算出的實際冷負荷與當前運行機組的額定冷量比較，當實際負荷小于當前機組的額定總負荷一定量時，減少相應的機組運行；當實際負荷大于當前機組的額定總負荷一定量時，增加相應的機組運行。策略3：引入室外溫度進行氣候補償，冷凍水溫度設定值隨室外氣溫隨時調整，當室外溫度相對較低時，出水溫度目標設定值會相應提高，室外溫度較高時，目標設定值相應降低。

（3）冷卻側綜合控制。①冷卻塔數量啟停控制。采用獨創的冷卻塔臺數優化控制技術，可根據室外氣候條件，冷機及系統運行狀況實時分析、判斷冷卻塔的最優使用臺數，突破傳統一對一運行方式。通過降低冷卻水水溫，從而減少冷機的運行能耗。同時也考慮了冷卻塔增加的能耗與冷機降低的能耗之間的平衡（圖3）。②冷卻塔風機自動控制。冷卻塔風機自動優化控制策略是基于綜合考慮冷站的運行優化，以室外氣象參數、冷卻側設備運行狀態以及當前冷機的運行狀態動態地控制冷卻塔風機的轉速，實現在滿足節能的前提下，最大可能的實現降低冷站能耗的目標。通過冷卻塔的性能曲線分析，找到在不同運行條件下的最優冷卻水出水溫度設定值，最終通過實際的冷卻水出水溫度與該設定值的比較，計算出最優的冷卻塔風機轉速。③冷卻水泵集中優化控制。空調系統恒溫差控制功能是整個系統節電的一個突出特點，其原理概述為：當末端不需要如此多的冷量時系統會水溫度和供水溫度差進一步降低，要保持空調系統設計溫差5攝氏度，循環泵頻率則回降低：原理公式Q＝CM（t1-t2）。

圖3 臺數優化控制技術能耗分析

（4）冷凍側綜合控制。系統采用溫差或壓差變流量控制。利用變頻器改變泵的流量，保持空調或采暖系統供/回水溫差穩定。從空調系統熱力特性出發，能保證室內的溫/濕度或末端的水利要求，能夠反映系統負荷的變化，供/回水溫差可達到4.5℃以上，節能效果明顯，能夠實現對空調循環泵和地源水泵變流量控制。

圖4 冷凍側控制能耗分析

3 能效分析

3.1 地鐵設備能效計算表計算（圖5～7）

圖5 冷凍水泵性能測試圖表

圖6 冷卻水泵性能測試圖表

3.2 能效提升節能收益分析

圖7 冷水機組能效測試表

由于白江地鐵站于2017年12月開通，開通后的兩個月屬于非空調季，只有3月的運行數據可以參考。因此以下計算的節能率為根據3月現場實際情況，估算節能率（表1）。

表1

由此可見，從控制技術的使用效果，投資收益，系統穩定性等多個方面考慮，采用智能DES控制系統對地鐵車站通風空調進行集中管理和控制，可以最大限度實現能效提升，進而減少能耗費用。