十號線空調大系統控制策略優化節能改造研究成果報告

嚴豪

摘要：南京地鐵十號線線路全長21.6km，共設站14座（其中新建車站10座;既有車站4座），于2014年7月正式投入運營，自動化專業在接管BAS系統的這段時間內對環境監控系統設計理念與控制思路進行了深入的研究與探索。專業技術人員在對全線（新站）空調大系統的控制策略深入理解并結合現場實際情況調查后發現原有的環境控制邏輯并未切實考慮到現場的實際情況，邏輯控制的程序化造成了現場諸多問題，主要表現在以下方面。

關鍵詞：南京地鐵;空調大系統控制;節能改造

一、問題分析

冬季：BAS根據設計模式自動執行通風工況，此時即使車站溫度很低的情況下空調風機和回排風機依然同時運行，站內與站外竄風嚴重，使得車站溫度變得更低，甚至會凍壞水管。

空調季：制冷量不能根據站內實際溫濕度情況實現閉環控制，使得車站溫度過低，從而導致人體感覺冷、站臺門玻璃結霧、通風管道外壁與出風口冷凝水嚴重、電能浪費嚴重。

針對上述問題我們對空調大系統的控制策略進行了自主創新改造從而提高車站環境的舒適度，達到節約能耗和降低設備維護成本等方面的目的。

二、基礎條件

十號線每站空調大系統區域各有兩臺大空調風機（KT）和大回排風機（HPF），通過通風管道連接到站廳站臺區域，實現站廳、站臺的通風和空調功能。四臺風機在正常情況下開機運行需要滿足兩個條件：1、系統處于自動狀態2、在運營時間段內（5：30—0：30）。因此，即使在不同的季節，只要滿足這兩個條件，風機便會以18—40HZ頻率運行。站廳站臺溫度調節的依據是回風口的溫度，PLC以此調節風機的頻率對站廳站臺的送風量進行控制，從而控制車站溫度。某些時段即便站廳站臺的溫度很低了，風機最低還是會以18Hz持續運行。

冷水系統作為全站的制冷源，在空調季運營時段保持冷凍水溫度維持在7-12度，冷站負荷調整的依據是冷凍水的回水溫度，如果車站溫度過高，冷凍水溫度也會升高，于是冷站便會提高制冷量，當車站溫度低于臨界值，冷站便會降低負載直至待機，然而現實情況是即使車站溫度很低了，冷凍水溫度很難達到冷站待機的閾值。

根據溫、濕度傳感器顯示，每年5-10月空調季里站廳站臺的溫度在相當長的時間里都不超過27度，體感甚至偏冷，而風機與冷站依然會按照上述原則繼續制冷，導致車站維持在一個過低的溫度，制冷量被大量的浪費，只有在最熱的七、八兩月站廳站臺的溫度才會超過28度，此時冷水機組和大系統風機負荷才會有比較明顯的提升。

因此，我們提出：

空調季里，一方面新增大系統冷凍水閥自動調節功能，通過改變冷水的供給量來調節風機的制冷量，減少冷站不必要的制冷量;另一方面在KT和HPF風機的啟停依據中加入溫、濕度判斷條件，避免風機一直持續運行。通過冷水量與風量的聯動控制擴大原有溫度控制區域，維持車站舒適度，降低設備負荷，延長其使用壽命。

春季和秋季，不再同時開啟KT和HPF風機，而是采取只排不送或只送不排的模式。

冬季，也加入溫濕度判斷，車站溫度和濕度相對較低的情況下，KT和HPF風機就不再開啟，車站依靠出入口的自然對流進行通風。

三、技術方法

第一、對原始BAS系統PLC程序的進行整理，確保對系統的改造不影響其它設備、不影響手動控制、不影響事故模式等功能。

第二、打破南京地鐵以往空調大系統只調風不調水的固有模式，開創性的加入冷水水量控制，構建一個風、水聯調的雙閉環自動控制系統。

具體實施步驟如下：

1. 對源程序進行分解。對原先KT和HPF共用程序進行剝離，實現兩種風機的獨立控制。

2. 在程序中加入季節判斷，分別設置出了春夏過渡季、空調季、秋冬過渡季、冬季等四個不同的時段，從而實現不同季節采用不同的控制策略。

3. 在空調季，采用風水聯調的雙閉環控制策略。

⑴.HPF風機每日按時間表開啟，保證站內空氣質量。

⑵.站內溫度高于27度，HPF風機頻率提高，最高至40HZ。當溫度低于27度，HPF風機頻率降低，最低至18HZ。

⑶.站內濕度高于85%，KT風機運行。當濕度低于80%且溫度低于24.7時，KT風機停機。

⑷.站內溫度高于25度時，KT風機運行。溫度低于24.7度且濕度低于80%時，KT風機停機

⑸.對風機頻率和冷凍水出水溫度進行調整。在保證風機性能要求的前提下將個別站的風機頻率下限下調至16HZ，將個別站的頻率下限上調至20HZ，以分別適應各站的需要。將冷凍水溫度設定值從7度上調到12度。

⑹.在風量閉環控制的基礎上添加水量的閉環控制，在PLC程序中增加了兩個PID指令，分別對車站兩端空調表冷器的電動水閥進行控制。根據車站溫度的反饋值與設定值之間的偏差，自動加減水閥開度（30%-100%），從而更有效的控制KT風機的出風溫度。當站內溫度低于26.5度時，水閥自動減小開度，最低30%。當站內溫度高于30%時，水閥自動加大開度，最大100%，最終達到控制車站溫度的目的。

4. 在春夏過渡季，修改程序實現風機只排不送。

5. 在秋冬過渡季，修改程序實現風機只送不排。

6. 在冬季，正常情況下風機都不開，執行自然通風模式。若溫度、濕度有一項超閾值，相應風機自動開啟。

7. 算法上的優化。對溫度的采樣周期、溫度值的數據計算方法、上下限的回差設置等進行優化，避免現場溫度擾動對系統穩定性造成影響，減少了風機啟停頻率。

四、實施過程

在充分的研究和論證下，我們從四月份起對程序進行模擬功能試驗。五月初，將江心洲和綠博園站作為試點進行實際測試。五月中旬，我們對全部10個新站的空調大系統進行了優化。經過近半年的跟蹤完善，目前各站PLC和空調通風系統運行良好，手動和事故功能正常，節能效果顯著，凝露滴水等頑疾得到根治。

五、項目效益

經現場實測，改造前十號線全線10個新站20臺KT風機總功率為54.7千瓦，年耗電量為379345千瓦時。20臺HPF風機總功率為23.2千瓦，年耗電量為160892千瓦時，合計540237千瓦時。在新的控制策略下，KT風機冬季基本不會再運行。11月運行30天，空調季約運行135天。故全年約200天可以停運，可節電207860千瓦時。HPF風機11月停運30天，全年節電13224千瓦時。KT和HPF機全年共節電221084千瓦時，能耗下降40.9%。

經現場抄表所得數據顯示，十號線10個新站的冷水機組在2014至2017年的四個空調季平均能耗為3130540千瓦時。2018年空調季能耗為2388885千瓦時，比改造前節能741660千瓦時，能耗下降23.7%。其中冷機節能618250千瓦時，下降31.5%;水泵節能110280千瓦時，下降10%;冷卻塔風機節能13120千瓦時，下降19.6%。

2018年空調風機和冷水機組共節能96.3萬千瓦時。考慮到程序和參數在空調季的部分時間里還處于不斷的改進和優化、現場設備還存在個別缺陷等因素，所以本次創新改造的效果并沒有完全體現出來。受條件限制現場設備問題將在接下來的非空調季得到解決，下一個空調季時程序和參數也無需再做大的變動，我們預計今后每年將節能110萬至120萬千瓦時之間。

六、項目評價

十號線空調大系統控制策略的節能優化改造只對軟件程序進行調整優化，沒有添加新的硬件設備，無任何改造費用。我們通過對PLC、變頻器等智能設備程序的更改以及現場設備參數的調整，實現了空調季車站溫度的自動控制。本次改造不僅節約了大量能源，而且解決了夏季風管凝露滴水、站臺門玻璃起霧、冬季車站竄冷風等多項問題，還降低了部分設備的故障率和維修成本，延長了設備的使用壽命。

七、結語

感謝機電分公司領導對本次節能改造項目的大力支持，感謝十號線自動化與風水電專業的技術支持和全力配合！為了鞏固和擴大本次節能改造的成果，我們還會在今后對十號線空調大系統的使用情況進行跟蹤和優化。并且我們會以此為模版，將節能優化創新項目拓展到各線的空調大系統、空調小系統、通風系統等領域，爭取為公司創造更大的經濟效益。

（作者單位：南京地鐵運營有限責任公司機電分公司）