BAS自動模式控制技術在地鐵環控中的應用

張志鵬，王文崢，任冠兵

（鄭州地鐵集團有限公司運營分公司，鄭州 450000）

夏季公共區乘客舒適度及設備房設備運行狀況與地下車站的溫度及濕度息息相關，而車站通風都是通過環境與設備監控系統(building automation system，BAS)遠程控制實現的。《地鐵設計規范》里指出，BAS應能通過對環境參數的檢測，對能耗進行統計分析，控制通風、空調設備優化運行，提高地鐵整體的環控舒適度，降低能源消耗[1]。BAS對車站通風的控制包含4種形式：單體控制、模式控制、時間表控制和自動模式控制。而車站空調水系統相關的機電設備是車站高耗能設備，怎么降低設備的能耗是目前地鐵運行中切實需解決的問題。單體控制、模式控制和時間表控制這3種方式都有其相應的弊端或缺陷，通過自動模式控制對車站空調通風及水系統進行調節，減少人工干預對設備運行能耗的影響，并通過模式自動調節空調及冷水設備運行，既可以保證公共區和設備房環境溫濕度在合理的范圍內，也可以起到節能和降低運營成本的目的。

1 自動模控工作原理

BAS通風模式控制中設置自動模控功能，采集主要位置(站廳站臺公共區、新風道、冷水機組出風口、回排風靜壓箱、設備房溫濕度等)傳感器的溫/濕度數值，通過焓值計算，自動模控依據焓值進行判斷，對大小系統中全新風模式、小新風模式和全通風模式之間進行自動切換，并通過 PID (proportional integral derivative，比例，積分，微分)參數調節組合空調、回排風機的工作頻率及動態流量平衡閥的開度。原則是先調節通風模式，后調節閥開度和風機頻率來實現自動模控的控制，以用于改善車站公共區和設備房的溫/濕度，實現設備節能與車站舒適度的同時兼顧。

地鐵環境控制系統主要以全空氣系統為主，因為地鐵負荷特征，車站內風機的運行時間相對較長，且風機功率要遠遠大于普通空調系統風機功率，所以風機能耗水平相對較高。車站對風量進行精準控制，確保風機效率可以始終保持在最佳狀態，建議將調節風機頻率作為空調系統運行方式之一，以將能源消耗控制在最低[2]。

2 焓值和PID的定義和計算

2.1 焓值定義和計算

焓值是指空氣中所含有的所有熱量，是以干空氣單元質量為基準進行計算的，也被稱為比焓[3]，即濕度與溫度的綜合表現方式。在設計BAS系統時，需要確定空氣中的焓值，以明確車站內部溫度是否合理，進而將其調整到最為舒適的狀態。焓用符號i表示，單位是kJ/kg干空氣，濕空氣焓值等于1 kg干空氣的焓值與dkg水蒸汽焓值之和[4]。通過車站公共區站廳和站臺溫濕度傳感器檢測的數值，結合焓值計算公式，計算出車站公共區濕空氣的焓值(Hi)，供PID計算時使用：

式中：t為空氣溫度，℃；d為空氣的含濕量kJ/kg干空氣；1.01為干空氣的平均定壓比熱，kJ/(kg·K)；1.84為水蒸氣的平均定壓比熱，kJ/(kg·K)；2 500為0℃時水的汽化潛熱，kJ/kg。

針對空調大小系統，BAS系統 PLC(可編程邏輯控制器)根據焓值計算值，固定時間(一般是30 min)采集1次，根據現場數據進行模式間切換。

BAS系統PLC程序內使用了梯形圖語言、功能塊語言等多種形式進行編程，自動模控部分采用了功能塊的形式。將需要重復調用的程序封裝進一個功能塊內，可以使程序結構簡明易懂。根據上述公示與功能塊定義，通過程序中設置Enthalpy Compute、MODE功能塊等計算焓值，如圖1所示，將運算結果賦予控制模式變化的變量。

圖1 Enthalpy Compute功能塊界面示例Figure 1 Example of the enthalpy computation function block interface

2.2 PID 控制定義與計算

PID控制屬于自動控制系統中的閉環控制系統。在BAS系統控制中，應用最為廣泛的調節制規律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，簡稱 PID控制，又稱PID調節[5]。

PID調節多用于車站中連續型電動調節風閥(DT)、連續型耐高溫電動調節風閥(DTH)等的多開度控制，以及大系統組合式空調器(AHU)、大系統回排風機(HPF)的變頻控制，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID計算，可以計算出風機設備的頻率變化幅度：

式中：Δf為風機設備變化的頻率，需四舍五入取整，另注意根據變化幅度計算得到組合式空調器電機頻率在小新風空調、全新風空調工況下，小于25 Hz時取25 Hz，大于50 Hz時取50 Hz。

根據變化幅度計算得到組合式空調器電機頻率在通風工況下，小于20 Hz時取20 Hz，大于50 Hz時取50 Hz。

其中Ht2為時間t2大系統回風的實測焓值，Ht1為上一次時間 10 min前(后期可根據運營數據進行調整)t1大系統回風的實測焓值，t1、t2的單位為min；HN為該車站室內空氣回風狀態點計算焓值。

通過PID計算出的調節值，在程序中進行條件判斷，進而決定選擇執行合適的大小系統通風模式。焓值搜集計算周期(一般是10 min)，根據PID計算反饋結果調整執行相應的模式，從而實現系統自身調節運行的功能。

3 自動模控實施步驟

自動模控實施工作共分為3個階段，溫/濕度傳感器數值校核階段、BAS系統自動模控調試階段以及驗證階段。

3.1 溫/濕度傳感器數值校核階段

自動模控中焓值數值的計算關鍵在于車站主要位置的溫濕度傳感器的數值，傳感器數值準確度對自動模控運行有很大的影響，通過將手持式溫濕度傳感器(精度高于或者等于現場安裝的傳感器)放置在已安裝溫濕度傳感器附近，待傳感器顯示數據穩定后(5 min左右)，記錄手持式溫濕度傳感器數值和目前綜合監控界面顯示對應溫濕度的數值，記錄溫度和濕度偏差大(溫度偏差＞1℃，濕度偏差大于4%RH)的設備，對偏差大的傳感器進行處理，如果經過處理的傳感器經測量還達不到要求，則需要更換新的傳感器，保證地鐵中運用的傳感器精度都滿足自動模控運用的要求和標準。

3.2 自動模控程序調試階段

BAS系統自動模控的程序，需要選取測試站點進行調試才能使用，因為焓值計算要基于現場溫濕度傳感器的數值準確性，并且測試效果要達到實際情況的需要，需對程序進行多次調試才能完成，待測試結果滿足通風控制要求后，才能在其他站進行廣泛的應用。以某地鐵BAS界面下自動模控示意為例，如圖2所示。

圖2 BAS系統自動模控界面Figure 2 BAS system automatic mode control interface

自動模控的實際工作原理是通過設定目標焓值，實現焓值變化后，依據實際焓值與目標焓值的關系，改變小系統的運行模式，調節PH閥開度。而自動模控參數設置界面的初始值為出廠時程序內的默認值，進行了一段時間的觀察后，對部分車站的送風焓值及回風焓值進行針對性地微調，以保證更好的系統運行情況。首次調整數值時，以5～10個偏差值進行調節，之后每次以2為偏差值進行微調。最終調整至合適的參數，使系統持續運行。

以星湖站和柿園站為例，觀察這兩個車站的平均溫度和平均濕度的變化，空調送風和空調回風的焓值參數依據公式應用而發生規律性調整，從而造成小系統通風模式的變化。如表1所示。

表1 星湖站和柿園站焓值設置與溫濕度變化界面Table 1 Xinghu Station and Shiyuan Station enthalpy value setting, temperature, and humidity change interface

3.3 自動模控程序驗證階段

通過在夏季通風季車站大小系統通風模式執行自動模控，驗證自動模控運行效果[6]。是否能夠達到自動調節車站的溫/濕度，乘客對公共區溫/濕度能不能達到一個滿意的效果，并通過采集高能耗設備電量數據和溫濕度數值，與往年同期的設備能耗數據進行對比，即可驗證自動模控能否達到運營的標準和要求。如果通過數據比對，溫/濕度數據變化較小并滿足乘客的舒適度要求，且設備的能耗數據也處于下降趨勢，則證明 BAS系統執行自動模控是控制通風設備的最優控制方式。

4 自動模控對環控的積極影響

通過使用變頻變風量系統可以完成對車站大空調系統的有效控制，能夠達到較為理想的節能效果，如果地鐵所處地區空氣濕度較大，就很容易產生凝露問題，會使乘客的乘車體驗受到一定程度的影響，也可能會造成不同程度的安全隱患[7]。因此，需要找出舒適度與節能需求兼顧的控制方案，在保證乘客基本舒適度的同時，有效降低設備能源消耗。

4.1 溫/濕度控制影響

可通過對本年度地鐵站執行自動模控的公共區溫/濕度相關數據進行統計，和往年采取其他方式的公共區溫濕度相關數據進行對比，會發現溫度和濕度變化波動范圍小，并且溫濕度在人體最舒適的環境內(溫度≤28℃，40%≤濕度≤60%)，因此自動模控對車站環境的控制，起到了良好的效果和結果。

4.2 能耗控制方面影響

借鑒某城市市區地鐵和城郊地鐵 2019年運行自動模控的情況，詳細的冷水系統設備能耗對比詳見表2和表3。

表2 市區地鐵地下站冷水系統電量消耗統計Table 2 Statistis of the electricity consumption of cold water systems in urban underground stations

表3 城郊地鐵地下站冷水系統電量消耗統計Table 3 Statistis of the electricity consumption of cold water systems in suburban metro underground stations

通過數據對比，2019年市區地鐵、城郊地鐵冷水系統電量消耗與2018年對比下降276 151 kW·h，說明自動模控在能源控制方面起到了積極效果，能夠實現節約能源、降低成本的效果。

5 結論

通過分析地鐵環控系統和變頻技術運行中的各種參數，利用微型計算機進行智能控制，有效提高功率因數，實現對負載的自動適應和調整，達到節約能源和保護設備的目的[8]。對BAS自動模控運用效果來說，通風設備自動模控具有很好的前瞻性，是未來發展的方向，設備能耗的控制是未來地鐵運營成本控制的發展方向。BAS自動模控專項運用在全國其他地鐵案例是極少的，相信在將來會有更多的運營線路應用自動模控，實現地鐵運營節能降耗。