地鐵環境控制系統與節能控制系統的集成方式

張洪濤

(同方股份有限公司，100083，北京//工程師)

受設計、施工及運營維護水平的限制，地鐵節能水平遠未達到最佳。地鐵耗電量巨大，能耗費用高昂。其中，地鐵環境控制系統消耗的能源約占地鐵建筑總能耗的40%～60%。在滿足地鐵正常運營的前提下，提高系統設備的運行效率，實現地鐵環境控制系統節能運行，是城市軌道交通中節能減排的主要工作之一[2]。為此，將節能控制系統接入到地鐵環境控制系統中，以地鐵環境控制系統為重點進行調節和節能控制已經成為關注的焦點。

1 節能控制系統

在實際的運營過程中，地鐵節能存在著諸多問題：首先，一般地鐵規劃需要綜合考慮近期和遠期的運力要求，設計和采用的設備功率應與遠期的需求相匹配，故近期使用的設備會有一定裕量，其按照設計功率運行會產生電能的浪費；其次，地鐵日常客流量有高峰期和低谷期，隨著線網建設各線路的客流量也會發生變化，而車站中的通風空調系統運行模式較單一，設備運行效率低，故不僅能耗較高，而且地鐵車站內環境的舒適度也難以保證。為了解決上述問題，引入地鐵節能控制系統勢在必行。地鐵節能控制系統基于地鐵環境控制系統的工藝設計，可實現對地鐵空調系統的優化控制，進而減少系統能耗及設備損耗。其總體框架見圖1。

圖1 地鐵節能控制系統總體框架

地鐵節能控制系統各模塊功能為：時間表模塊根據地鐵內的運營時刻表，對系統進行總體控制；數據處理模塊負責采集處理各系統的傳感器等測量數據，并剔除不合理的數據，其輸出結果作為控制依據提供給各子系統控制模塊；制冷機組模塊根據輸入信息，判斷制冷機組控制模式，進行制冷機組啟停、加卸載控制，設定制冷機組出水溫度等運行參數；大系統(公共區域通風空調系統)、小系統(車站內管理機房和設備用房空調通風系統)及隧道系統的控制模塊則根據輸入數據和制冷機組運行情況，給出相應的控制模式。可見，節能控制系統能按照車站室內外負荷變化及車站自身特點調整各模塊控制模式，能實現地鐵的節能減排和高效穩定運行。而將節能控制系統集成到地鐵環境控制系統中，需要從地鐵的整體規劃設計，地鐵線路和車站的既有規模架構，技術層面等綜合考慮，匹配地鐵線路不同時期的運營需求。

2 節能控制系統和BAS的集成方式

地鐵是通過環境與設備監控系統(BAS)對地鐵站內的環境控制設備進行全面監控管理的。因此，地鐵環境控制系統與節能控制系統的集成就是節能控制系統和BAS的集成。

傳統BAS能實現車站設備的集中監視和分散控制，具有良好的可靠性和開放性，但在節能方面存在一定的不足：首先，BAS的控制功能較為簡單，不適合通過復雜的運算推理和數據處理來實現空調機組等設備的控制；其次，車站環境是個具有多控制變量的非線性時變系統，較為復雜，不僅其隧道通風系統和冷水系統的控制變量間存在一定的耦合關系和滯后性，而且地鐵的運行工況受季節和氣候變化、環境溫度及客流量等多個因素影響，采用靜態參數的調節方式難以達到最佳控制效果。

將節能控制系統與 BAS集成則能起到較好的節能效果。節能控制系統和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 系統架構

在地鐵的規劃、設計、建設和運營環節中，應當從源頭引入環保理念和節能要求，將節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。深度集成方案將節能控制系統作為功能模塊集成到BAS，其系統架構如圖2所示。

圖2 節能控制系統深度集成到BAS方案的系統架構

深度集成方案可在不影響BAS功能的前提下實現節能降耗。 BAS采集到的環境參數、監控設備的狀態等信息，與節能相關的設備控制及模式選擇等下發信息均通過節能控制系統處理，系統診斷、網絡通信等BAS原有功能仍獨立運行。

2.1.2 節能策略

相比原BAS粗放式的設備管理，深度集成了節能控制系統的BAS能為車站提供量身定制的節能策略，實現冷水系統、隧道通風系統、大系統和小系統中的相關設備統籌兼顧，綜合考量車站當前的環境參數，給出最適合的運行模式，并且實現更加精細智能的設備控制。

車站很多單機設備的設計容量偏大，大馬拉小車現象嚴重，正常運行負荷遠大于實際工作負荷。采用變頻控制能大幅降低此類不必要的能耗。節能控制系統模塊能采集相應傳感器數據，經過內部算法處理，輸出變頻設備的運行頻率。其中，大系統空調根據大系統回風溫度控制，小系統風機根據各個設備用房溫度控制，冷凍泵則由供回水溫差確定運行頻率。節能控制系統還設有保護機制：當站內空氣二氧化碳濃度過高時自動提高風機運行頻率，以保證安全舒適的乘車環境。

傳統的隧道系統多數采用時間表控制，與環境條件不匹配，持續開啟軌排風機。當地下隧道環境溫度較低時，傳統的隧道通風系統還會將外界大量的熱量抽進隧道，將隧道和車站的冷量帶走，導致隧道溫度更高。深度集成了節能控制系統的BAS，能將隧道溫度及當前線路行車對數等參數傳遞給節能控制系統模塊，由節能控制系統模塊綜合考慮相關因素，控制軌排風機實行高低檔定頻運行，從而實現隧道系統的節能控制。

在不降低現有地鐵環境控制系統服務水平的前提下，節能控制系統模塊還能優化地鐵環境控制系統設備方案，優化設備運行次數和時間表，降低設備損耗，從而提升設備效率，達到變相節能的目的。比如，在冷水系統中，節能控制系統模塊可根據能效和設備性能提供最優設備運行組合，優化每臺冷水機負荷分配，從而實現各臺冷水機組及水泵的運行時間均衡。

2.1.3 節能效果分析

以某地鐵項目為例，將節能控制系統高度集成于BAS中并啟用后，空調啟用季節(5～9月)的地鐵環境控制系統節能效果較為明顯，相應的典型日節能效益如表1所示。根據表1計算可得，該項目通風空調系統共節能2 347.3 kW·h，綜合節能率高達44.9%。

表1 通風空調系統典型日節能量計算

2.2 互連集成方式

互連集成方式適用于已經建成的地鐵改建。互連集成方式能保證既有系統的可靠穩定運行，能在不影響原有BAS設備監控和防災減災功能的前提下，將節能控制系統集成到現有車站系統中，并通過信息互連實現節能。

互連集成方式將節能控制系統作為獨立子系統與原BAS互連，通過接口與之交換必要的信息。在正常運行時，保留原BAS的監視功能，由節能子系統管理相關環境控制設備；在發生火災時，把控制權限還給BAS，保證火災模式下能正常下發執行相關指令。這樣的架構既能滿足既有系統正常運行的需求，又能實現地鐵通風系統的節能運行。節能子系統和BAS互連集成的系統框架如圖3所示。

圖3 節能子系統和BAS互連集成的系統架構

2.2.1 接口改造

節能子系統和BAS要實現互連集成，需對接口進行改造。

電氣接口部分要加裝切換裝置，以完成節能子系統和BAS的模式切換，還要加裝信號分轉裝置，以完成共同監控設備的信號接入。設備輸入信號線通過BAS控制柜以串聯式連接的方式接到信號箱，之后，通過信號分轉裝置接到節能子系統和BAS。節能子系統和BAS可以同步對相關設備進行監視。設備控制信號通過切換裝置和邏輯互鎖裝置，實現在BAS下和節能子系統下的控制權限切換和控制信號的下發。節能受控設備同BAS及節能子系統的信號流如圖4所示。

圖4 節能子系統和BAS互連的硬線監控信號流

在實際工程中，節能子系統和BAS共同監測的信號輸入點可改線接入到節能控制柜，再通過繼電器接回到BAS控制箱。信號分轉繼電器具有兩路常開觸點(如圖5所示)，可分轉設備反饋信號，從而實現節能子系統和BAS的同時監測。

圖5 輸入點改造圖例

對于節能子系統和BAS共同監控設備，可在權限控制點加裝切換裝置，兩路設備控制點則分別接到節能子系統和BAS，從而實現權限切換。改造后的控制點如圖6所示。圖6中，權限控制點切換裝置由節能子系統控制，可實現節能子系統和BAS的信號互鎖和模式切換，繼電器觸點常閉，同一時刻僅有一套系統對設備進行控制。

圖6 控制點改造圖例

圖7 節能子系統和BAS互連集成的通信信號流

對于原BAS通過通信方式監控的設備，可增加新的通信鏈路，使節能子系統獲得所需的監控點。如圖7所示，在受控設備的接口處增加1臺可編程的工業通信網關，以讀取受控設備的狀態及下發控制信號。節能子系統和BAS可同時通過工業通信網關讀取受控設備的當前運行狀態等信息；網關中的權限管理系統根據當前控制權限來判斷由BAS或節能子系統下發控制信號。

2.2.2 權限控制

節能子系統與BAS互連集成時，需避免新增節能子系統的控制權限與原有控制系統發生沖突，保證環境控制系統的正常運轉。節能模式下，節能子系統完全監控通風、冷源等受控設備，BAS只監不控；非節能模式下(火災、阻塞、節能子系統故障工況下)，節能子系統自動將權限交給BAS，只監不控，由BAS發揮自身防災減災的功能。通過這種切換機制，節能子系統和BAS各司其職，在保證地鐵安全可靠運行的前提下實現綠色節能。

2.2.3 節能策略及節能效果分析

地鐵環境控制系統作為一個整體，有著“牽一發而動全身”的特點，只對單獨的設備進行改造，有可能只達到局部最優，卻造成總能耗升高。基于此，全面地衡量環境控制系統整體運行方式，從而做到系統級的優化。

節能子系統能自動跟蹤車站的運行規律和負荷變化特點，實時調整運行模式和設備功率，在滿足室內環境需求的前提下，有效降低地鐵環境控制系統的運行能耗。針對不同地鐵車站的環境控制特點，結合所在的地域氣候、線路特點、客流量和設備選型等情況，從通風系統節能優化和冷源效率優化等方面著手，能長期維持控制過程的穩定可靠。

地鐵車站的客流量和新風溫度不斷變化，熱負荷也隨之變化，需要動態調節新風機和排風機的頻率。這不僅能節約一部分風機能耗，也有利于車站內環境溫度的精確控制。為了避免車站復雜的環境參數帶來的影響，模糊控制算法針對風機進行優化，能減小控制過程中的室溫波動。另外，結合不同地鐵站的建筑特點，采用多種送排風結合的模式控制，可實現通風機組的自動啟停，節約能耗。

冷水系統作為一個整體，其設備彼此關聯，其優化同樣需要從全局考慮、綜合調控，使節能總效率最優。節能子系統能優化冷水系統中設備的連鎖啟停控制，能在不同工況下采取更加節能高效的模式控制，還能增加冷凍泵、冷卻泵等設備的變頻控制，實現能效最優。冷水系統中，制冷機組是耗電大戶。而制冷機組運行臺數一般取決于末端冷量需求[4]。節能子系統接入冷水系統設備的監控的最大的優勢在于加卸載管理：將供水溫度和制冷機組的冷量同時納入到增加或減少制冷機組運行臺數的策略中，控制效果更好；加卸載過程中，同時控制多臺運行機組的制冷負荷，能最快達到冷水系統的穩定狀態，使供水溫度波動最小；能減小電網突增的負荷，平衡冷水機組的壽命，最大限度提升節能效果。

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

表2 某站節能改造后1年的節能效果

3 結語

未來的地鐵節能必定會向精細化和一體化發展，節能控制也將更加精細化的管理。節能控制系統的集成方式需要在規劃建設階段，結合項目特點來進行選擇。本文介紹的兩種集成方式可為節能控制系統在地鐵中的應用提供參考。