地鐵通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)方案探析

王克斌

（上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 200063）

1 軌道交通節(jié)能概述

截至2019年底，中國內(nèi)地共有40個城市開通城市軌道交通運營線路208條，總長度6 736.2 km，當年新增運營里程974.8 km。共有65個城市的城軌交通線網(wǎng)規(guī)劃獲批，其中，線網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃在實施的城市共計63個，在實施的建設(shè)規(guī)劃線路總長7 339.4 km。十三五四年間，累計新增3 118.2 km[1]，地鐵建設(shè)處于蓬勃發(fā)展的時期。隨著各城市地鐵運營里程的不斷增長，能耗問題日益凸顯，電費支出占運營成本的30%左右，而車輛牽引和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)又是整個系統(tǒng)的耗電大戶，如圖1所示。由于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按照遠期運營指標設(shè)計，并留有較大裕量，所以具有較大的節(jié)能空間。該文以上海軌道交通15號線為案例，闡述了通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)策略、架構(gòu)以及功能。

圖1 地鐵各系統(tǒng)能耗占比情況

1.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包括為公共區(qū)環(huán)境提供服務(wù)的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的大系統(tǒng)，為車站設(shè)備管理用房提供服務(wù)的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的小系統(tǒng)，為整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)提供冷源的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的冷水系統(tǒng)，為隧道區(qū)間提供通風(fēng)排熱的相關(guān)設(shè)備構(gòu)成的隧道通風(fēng)系統(tǒng)。

上海15號線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要是由回排風(fēng)機、組合式空調(diào)器、冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、電動風(fēng)閥及管路等構(gòu)成的一個相對獨立完整的系統(tǒng)，其中冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、回排風(fēng)機和組合式空調(diào)器采用變頻器控制，冷水機組采用的是螺桿式冷水機組。

1.2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響因素

地鐵地下車站熱量主要來源于列車運行產(chǎn)生的熱能、乘客的散熱、站內(nèi)照明設(shè)備的熱能、站內(nèi)自動扶梯等機械設(shè)備運行的散熱以及通過新風(fēng)系統(tǒng)和出入口進入站內(nèi)的新風(fēng)帶來的熱能等[2]。由于地鐵站熱力學(xué)模型具有大滯后的特性，所以要達到較好的優(yōu)化控制效果，僅關(guān)注站內(nèi)各參數(shù)的實時變化情況，是不能滿足控制需求的，需要預(yù)測冷源的需求變化趨勢，根據(jù)趨勢變化情況，對系統(tǒng)設(shè)備進行合理控制，使各設(shè)備避免運行狀態(tài)大幅變化的情況，降低系統(tǒng)能耗。總之，通過通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制，滿足地下站公共區(qū)內(nèi)環(huán)境如下指標，并取得較好的節(jié)能效果：地下站公共區(qū)內(nèi)的CO2日平均濃度應(yīng)小于1.5‰，通風(fēng)季站內(nèi)溫度不高于室外空氣計算溫度5 ℃且不應(yīng)超過30 ℃，空調(diào)季站廳比室外空氣計算溫度低2 ℃～3 ℃，且不應(yīng)超過30℃，相對濕度在40%～70%，站臺比站廳空氣計算溫度低1 ℃～2 ℃，相對濕度在40%～70%[3]。

2 通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)策略

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制主要采用以下3個策略：效率優(yōu)先、供需平衡和智能聯(lián)動。

2.1 效率優(yōu)先

效率優(yōu)先主要從2個方面考慮，設(shè)備運行效率和環(huán)境因素。從圖2冷水機組制冷效率隨冷卻水溫度變化趨勢圖中可以看出，冷卻水溫度越低，冷水機組的制冷效率越高，但是不論冷卻水溫度如何變化，冷水機組負載率為50%～70%，相對于同一冷卻水溫度其他負載率的情況下，其制冷效率都是較高的，所以在對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化控制時，要盡量保證冷水機組運行在該區(qū)域內(nèi)。環(huán)境因素主要是從盡量降低潛熱損耗的角度出發(fā)的。潛熱是物質(zhì)發(fā)生相變過程吸收或放出的熱量，通常情況下，物質(zhì)發(fā)生相變的過程中溫度基本保持恒溫狀態(tài)[4]。站內(nèi)環(huán)境溫度，采用降低空調(diào)機組送風(fēng)溫度，但是當送風(fēng)溫度低于露點溫度時，水蒸氣凝結(jié)成水，部分冷量浪費在潛熱消耗，此時增加冷水機組冷量供給，送風(fēng)溫度不會明顯降低，所以要提高效率，就必須減少潛熱的損耗。

2.2 供需平衡

站內(nèi)環(huán)境影響因素包括行車間隔、客流量、站外環(huán)境變化情況等，通過分析各因素對冷量需求的影響，預(yù)測站內(nèi)冷量需求，根據(jù)冷量需求合理調(diào)整各設(shè)備運行參數(shù)，達到冷量供需平衡的狀態(tài)，避免設(shè)備大幅波動，減少設(shè)備能耗。冷量預(yù)測是對歷史數(shù)據(jù)進行存儲、分析，根據(jù)歷史類似運行工況下的冷量需求數(shù)據(jù)，預(yù)測當前環(huán)境冷量需求。例如相似條件下t1時刻給定相同的系統(tǒng)負荷Q1，t2時刻以歷史數(shù)據(jù)Q2為基準，參考變換趨勢給定t2時刻系統(tǒng)冷量需求Q3，如此往復(fù)，不斷修正。通過負荷預(yù)測，變被動調(diào)節(jié)為主動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)供需平衡，減少了系統(tǒng)的振動和波動，降低系統(tǒng)能耗。

圖2 冷水機組制冷效率隨冷卻水溫度變化趨勢圖

2.3 智能聯(lián)動

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中存在多個耦合關(guān)系的系統(tǒng)，例如冷卻水系統(tǒng)與冷水機組、冷凍水系統(tǒng)與冷水機組、風(fēng)系統(tǒng)與冷水系統(tǒng)等，在處理具有耦合關(guān)系設(shè)備的節(jié)能控制時，需要綜合考慮系統(tǒng)的能耗，才能達到整體能耗最優(yōu)的目的。

以冷卻水系統(tǒng)與冷水機組為例，從圖3中可以看出，冷水機組制冷效率隨著冷卻水溫度的降低而升高，因此，在同樣的冷量需求下，冷水機組的能耗隨冷卻水溫度的降低而減少；冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機的能耗隨冷卻水溫度的降低而增大；冷水機組的能耗與冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機的能耗具有緊密的耦合關(guān)系。處理好系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，才能使系統(tǒng)的能耗最低。通過圖3可以看出，在冷卻水的邊界條件內(nèi)，存在某個冷卻水溫度，使冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機和冷水機組組成的冷卻水系統(tǒng)能耗最低，采用尋優(yōu)算法，找到最優(yōu)參數(shù)，是節(jié)能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖3 冷水機組冷卻水系統(tǒng)能耗圖

3 通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)及功能

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)主要包括節(jié)能智能控制模塊和節(jié)能優(yōu)化決策模塊，節(jié)能智能控制模塊部署在BAS冗余PLC中，由空調(diào)水系統(tǒng)的變流量智能控制模塊、風(fēng)系統(tǒng)的變風(fēng)量智能控制模塊、車站軌行區(qū)排熱風(fēng)機智能控制模塊構(gòu)成；節(jié)能優(yōu)化決策模塊部署在實時數(shù)據(jù)服務(wù)器上，由COP主動尋優(yōu)模塊和負荷預(yù)測預(yù)判模塊構(gòu)成。通風(fēng)空調(diào)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。變流量智能控制模塊、變風(fēng)量智能控制模塊具有相對獨立的運行特性，分別接收空調(diào)水系統(tǒng)、車站風(fēng)系統(tǒng)和軌行區(qū)排熱系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)內(nèi)置的節(jié)能控制算法，制定最佳系統(tǒng)控制策略，同時接收節(jié)能優(yōu)化決策模塊的計算參數(shù)，優(yōu)化各模塊的控制參數(shù)；節(jié)能優(yōu)化控制記錄及相關(guān)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)由BAS主體系統(tǒng)上傳到綜合監(jiān)控系統(tǒng)。節(jié)能智能運算單元的被控對象（風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)）的運行狀態(tài)監(jiān)控及節(jié)能調(diào)節(jié)記錄等歷史數(shù)據(jù)存儲功能由綜合監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一實現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 COP主動尋優(yōu)模塊

主動尋優(yōu)模塊是將系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行存儲，利用大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合主動尋優(yōu)算法，計算出系統(tǒng)的最佳工況點；將歷史數(shù)據(jù)類似工況下的設(shè)備運行參數(shù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制參數(shù)，并不斷自動修正。主動尋優(yōu)可以使整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗最低。

3.2.2 負荷預(yù)測預(yù)判模塊

利用大數(shù)據(jù)對行車間隔、客流量、溫濕度變化情況等數(shù)據(jù)進行存儲，分析各因素對負荷變化的影響，結(jié)合行車計劃、客流高峰、溫濕度變化等數(shù)據(jù)，預(yù)測預(yù)判站內(nèi)冷量需求情況，提出設(shè)備優(yōu)化控制方案。

圖4 通風(fēng)空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2.3 變流量智能控制模塊

變流量智能控制模塊實現(xiàn)冷水機組、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機等水系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動控制，通過對各設(shè)備的運行參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)水系統(tǒng)節(jié)能的目標。在任何負荷條件下，都能以最少的系統(tǒng)能耗獲得需要的冷量，在保證末端空調(diào)服務(wù)質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)的綜合優(yōu)化與高效節(jié)能。

變流量智能控制模塊包括以下4個功能。1） 關(guān)聯(lián)控制功能：根據(jù)實際需要制定關(guān)聯(lián)計劃，來指定受控設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并按要求來啟動/停止相關(guān)的設(shè)備組合，操作簡便。2） 泵組優(yōu)選功能：在并聯(lián)冷凍水泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r計算當前負荷所需的冷凍水流量，推算出運行的并聯(lián)水泵臺數(shù)及工作頻率，在該狀態(tài)下泵組消耗的總能耗最低，實現(xiàn)泵組電量總消耗最低的控制目標。3） 冷水機組群控功能：在多臺冷水機組并聯(lián)運行時，系統(tǒng)可以根據(jù)實際的運行情況和負荷變化，智能選擇空調(diào)冷水機組運行臺數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)最佳運行組合，確保空調(diào)系統(tǒng)的高效運行；同時，可以根據(jù)車站空調(diào)使用習(xí)慣，制定機組啟停計劃，滿足控制需求。4） 動態(tài)水力平衡控制：能夠通過對空調(diào)系統(tǒng)的水力分配加以干預(yù)，使每個空調(diào)環(huán)路都能夠獲得需要的冷凍水流量，實現(xiàn)中央空調(diào)管網(wǎng)的水力動態(tài)檢測和自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)水力平衡的有效控制，確保各支路的能量分配均衡和良好的制冷效果。

3.2.4 變風(fēng)量智能控制模塊

風(fēng)系統(tǒng)的組合式空調(diào)箱和回/排風(fēng)機，根據(jù)車站公共區(qū)控制對象和實際需求，采用變頻控制方式調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送/排風(fēng)量，同時組合式空調(diào)冷凍水閥依據(jù)送風(fēng)溫度進行自動調(diào)節(jié)，在滿足公共區(qū)環(huán)境溫度的前提下，最大限度地降低能源消耗，同時實現(xiàn)全局的動態(tài)水力平衡調(diào)節(jié)功能。

根據(jù)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)備的變頻控制，實現(xiàn)綜合優(yōu)化節(jié)能。變風(fēng)量智能控制模塊包括以下功能。1）定時控制策略：根據(jù)實際需要制訂定時啟停計劃，達到計劃時間則自動啟動或停止控制策略中指定的設(shè)備。2）計劃目標值表控制：根據(jù)需要在不同時間段配置不同的目標值，也可以根據(jù)地鐵車站在不同時段的客流量分布情況，設(shè)置不同的控制目標值。3）新風(fēng)換氣功能：系統(tǒng)通過實時監(jiān)測的公共區(qū)CO2濃度，以滿足《地鐵設(shè)計規(guī)范中》規(guī)定的人均最小新風(fēng)量為依據(jù)，并綜合考慮風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、歷史CO2濃度變化趨勢，確定新風(fēng)的需求量，定時進行新風(fēng)量的補給。4）系統(tǒng)保護功能：系統(tǒng)能通過對車站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備各種運行參數(shù)的檢測，提供完善的安全保護功能，確保設(shè)備運行安全、可靠、穩(wěn)定，包括但不限于以下保護功能：CO2濃度過高保護功能、回風(fēng)（區(qū)域）高溫保護功能、送風(fēng)高溫保護功能等。

4 結(jié)語

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為車站公共區(qū)域提供服務(wù)，直接影響乘客的出行體驗，在滿足乘客需求的前提下，降低系統(tǒng)能耗，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，也為城市的低碳出行、綠色出行提供強有力保障。通風(fēng)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)有很大的發(fā)展空間，設(shè)備在線監(jiān)測、故障智慧診斷，避免“帶病”設(shè)備影響系統(tǒng)能耗，節(jié)能系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)、自主進化等都是節(jié)能系統(tǒng)的發(fā)展方向。