地鐵環控大系統基于已知負荷模型的前饋控制策略討論

林 菁，付戰瑩，江洪澤，劉曉亮

（廈門軌道交通集團有限公司，福建廈門 363100）

城市軌道交通是公共交通領域中最為節能的交通方式之一，然而單條地鐵線路的年用電量仍在1 億kW·h以上，其中通風空調系統由于考慮到遠期最大負荷，設計上存在一定的富余量[1]，所以運營時其能耗占地鐵總耗能的40%～50%[2]。近年來，利用變頻技術對地鐵通風空調設備進行節能控制已成為主流，即通過送、回風溫度調節PID 控制變頻器的運行頻率，實現通風空調系統變風量控制，從而在滿足室內冷負荷需求的情況下達到有效節能的目的[3]。然而，環控系統PID 控制存在惰性，主要表現為輸出變化速度緩慢，調節速度緩慢，控制周期較長，存在著改進空間。因此，筆者通過分析廈門地鐵1 號線現有控制策略下環控大系統的能耗特點，結合客流、環境建筑特點及現場設備實際運行狀態形成前饋模型，并形成基于已知負荷模型的前饋控制策略，從而提高環控系統的運行效率，實現環控大系統的節能有效運行。

1 現行地鐵環控大系統控制策略

地鐵地下車站的環控系統主要由車站通風空調系統及隧道通風系統組成。隧道通風系統服務于隧道區域，由區間隧道通風系統及車行區軌道排熱系統組成。車站通風空調系統采用一次回風全空氣系統，根據功能及服務區域不同，又分為通風空調大系統(服務于地下車站公共區)、通風空調小系統(服務于設備區)和通風空調水系統(為整套空調系統提供冷源)。這里主要討論車站通風空調大系統，主要設備有空調箱(2 臺)、回排風機(2 臺)、小新風機(2 臺)、電動二通閥(2 臺)。

地下車站環控大系統由環境與設備監控系統(BAS)進行控制，BAS 在風、水系統的控制中采用PID控制，通過與設定的室內溫濕度比較來進行風機頻率、電動二通閥的開度控制，以達到設計確定的控制目標。該控制方式是在檢測到現場負荷大量變化后才進行的反饋調節，調節輸出速度慢，具有較大的滯后性，實際運行中難以根據實際的負荷需求合理運行冷機、水泵等環控系統設備，導致能耗偏高且設備運行不佳，存在很大的控制優化空間和較大的節能空間。

2 地下車站環控大系統負荷特點

地下車站因其特殊的建筑結構及運營規律，具有明顯的已知負荷特點。地下車站環控大系統公共區的已知負荷可以大致分為新風及出入口滲漏風負荷、設備負荷、人員負荷，其中設備負荷穩定性較高，可以近似當成已知常量。所以，本研究中只進行設備負荷的基礎量測試，不再進行討論及分析。

2.1 新風負荷特點

根據李俊[4]、楊樂[5]對廣州、北京、重慶地鐵車站新風負荷的研究，傳統設計的環控系統中新風負荷約占車站公共區負荷的10%～15%。清華大學學者的研究表明，因列車活塞效應而產生的出入口滲風量在5 000～15000 m3/h 之間，約占公共區負荷的5%[6]。江億院士的研究也表明，地鐵車站的實際新風遠高于設計新風[7]。通過實際測試得出地鐵站內出入口滲漏風量情況，在滿足人員新風需求的前提下，對系統過量新風進行控制調節，從而降低站內新風負荷，對公共區環控系統節能具有重要意義。

為了解地鐵車站的環控系統控制的新風量情況及新風需求規律，筆者在環控系統閉式運行且雙排熱風機處于關機條件下，對廈門地鐵1 號線試點車站的通風空調大系統出入口滲漏風及屏蔽門區間隧道的滲入風量進行了測試，新風量供需對比如圖1 所示。

圖1 新風量供需對比Fig. 1 Comparison of supply and demand of fresh air

測試結果表明，設計中的機械新風量遠高于地鐵運營初期需求的人員新風量。而在環控大系統的閉式運行中，出入口的滲風量已完全滿足初期站內人員新風需求。因此，本研究初步認定，在地鐵運營的初期，可關閉機械新風的引入方式，以節約機械引入新風而產生的電耗。同時，根據實測結果(見圖1)，出入口的滲入風量遠低于新風道引入的新風量，因此環控大系統需進行制冷的新風負荷也大大降低，有效節約了系統能耗。

2.2 人員負荷特點

人員負荷是地鐵公共區負荷變化的重要變量。地鐵車站的客流數量呈現明顯的規律性，在周一至周五的早晚高峰時達到峰值，其余時間客流數量明顯降低。地鐵車站客流量的規律性，使得站內人員負荷的預測控制存在可能[8]。通過對人員負荷的預測進行規律性供冷，可避免平峰期的冷量浪費。

為實現對人員負荷的前饋控制，對試點站的客流規律進行實測，如圖2、圖3 所示。

由數據分析可知，試點站工作日早高峰出現在7:00—9:00，晚高峰在17:00—20:00，其中日最高客流時間段為18:00—19:00。因為試點站附近有大型商場，因而節假日高峰期出現在15:00—19:00。

圖2 試點站工作日客流數據趨勢Fig. 2 Trend of work day passenger flow of a pilot station

圖3 試點站節假日客流數據趨勢Fig. 3 Trend of passenger flow of a pilot station in holidays

同時，根據《實用供熱空調設計手冊》[9]，車站人員的冷負荷計算如下：

式中：Q乘為乘客冷負荷；Q顯為顯熱負荷；Q潛為潛熱負荷；q顯為顯熱；q潛為潛熱；R為乘客人數，根據不同客流量取值；T停為乘客停留時間。

通過計算可得出“時間-客流-負荷”三者的關系模型，如表1 所示。

表1 “時間-客流-負荷”關系Tab. 1 “Time-passenger-load” relationship

3 節能思路與前饋控制策略探討

3.1 基于已知負荷分析的節能思路

通過對上述新風負荷特點及人員負荷特點分析，結合修正新風負荷、客流負荷規律及設備負荷常量，對不同區段的客流人員冷負荷進行了定量測算，得出“時間-新風量-客流量-冷負荷”之間的關系模型，如表2所示。以該模型為基礎，換算出對應的恒定送風溫度下的風機送風頻率，分時間段控制空調箱風機送風頻率變化，從而實現在已知負荷模型下的前饋控制。根據負荷變化規律，對不同時間段的冷負荷進行預判及定時定量輸出，解決了制冷量過大及制冷滯后的問題。

表2 “時間-客流/新風-冷負荷”約束關系Tab. 2 “time-passenger flow / fresh air cooling-load”constraints

3.2 車站公共區新風量控制策略

上述站內實際新風量與需求實測結果表明，廈門地鐵在初期運行期間，站內高峰期出入口的滲漏風量已滿足室內新風量需求。因此，新風控制調節只與公共區CO2濃度有關，建議通過調節組合空調箱以及回排風機頻率進行新風量控制。

清華大學的實測數據[10]表明，在環控系統閉式運行的情況下，車站公共區的機械風量存在如下關系：當回排風機風量大于送風量時(可通過提高回排風機的運行頻率，降低組合空調箱的運行頻率)，回排風量等于送風量與出入口滲漏風量、區間隧道滲入風量的總和。因出入口新風引入的品質與新風井引入的新風品質并無太大差別，在公共區CO2濃度高于目標上限值時，采用風機聯控調節方式，從出入口引入新風，減少機械送風的風機電耗。當公共區CO2濃度不高于目標上限值時，不進行新風的主動引入，環控系統保持閉式運行。當公共區CO2濃度高于目標上限值時，根據其濃度啟動組合空調箱及回排風機，通過風機聯動引入新風，根據15 min 一次反饋進行調節，具體控制邏輯如圖4 所示，調節參數的取值范圍如表3 所示。

圖4 新風控制策略邏輯Fig. 4 logic diagram of fresh air control strategy

表3 新風調節使用參數Tab. 3 Operating parameters of fresh air regulation

3.3 基于已知負荷的前饋控制策略

為實現前饋控制，通過采集閘機數據，可預估出每日不同時間段的客流量，并得出人員負荷的需求量。根據人員負荷，結合實際運行的新風負荷修正及原始設備負荷數據，得出公共區環控系統冷負荷與時間之間的規律。通過BAS 反饋，調節組合空調箱冷凍水電動二通閥開度，實現公共區送風溫度在可控范圍內不變。然后，將模型導入前饋控制器，根據不同時間執行相應冷負荷的風機調節頻率，從而實現已知負荷前饋控制。在不同時間段輸出負荷后，如溫度出現3℃以上偏差再進行反饋控制，具體邏輯如圖5、圖6 所示。

圖5 公共區通風空調前饋控制邏輯Fig. 5 Feedforward control logic of ventilation and air conditioning in public area

圖6 送風量前饋控制邏輯Fig. 6 Feed forward control logic of air supply volume

3.4 公共區環控系統非空調季控制策略

在過渡季節，組合空調箱以最大頻率連續運行超過30 min，而室內溫度仍高于設定目標溫度時，啟動空調水系統進行制冷，其余控制部分參照空調季控制策略。過渡季節組合空調箱最低頻率連續運行超過40 min，且室內溫度低于目標溫度3℃時，關停空調水系統。

冬季關閉空調水系統，將閘機數據及歷史實測數據模型導入前饋控制器，根據不同時間執行相應冷負荷的風機調節頻率，從而實現已知負荷的前饋控制。在不同時間段輸出負荷后，如溫度出現2℃以上偏差，再進行反饋控制，具體邏輯如圖7 所示。

圖7 冬季送風量前饋控制邏輯Fig. 7 Feed forward control logic of air supply volume in winter

4 結論

筆者以廈門地鐵的實測數據為依據，提出了基于已知負荷的前饋控制策略。與原雙反饋的PID 控制策略進行對比分析，得出如下結論：

1) 地鐵車站運營初期，在活塞風的作用下，出入口滲漏風已完全滿足公共區新風量需求，公共區可采用閉式運行策略。如果出現突發客流高峰，可根據CO2上限參數進行風機聯動控制，以滿足站內新風量需求。該策略可降低傳統模式中因引入新風而造成的多余機械電耗。

2) 地下車站公共區通風空調系統在恒定送風溫度下，引入基于客流人員負荷、新風負荷、環境溫度變化等綜合歷史參數建立的負荷需求模型。以該模型對送風量進行定時定量的前饋控制，可以較好地解決雙反饋PID 調節存在的滯后及高度非線性問題。

3) 根據上述控制策略，新風控制策略預計每年可節約用電量17 萬kW·h，公共區環控系統冷負荷基于已知負荷的前饋控制策略，預計可節約用電量100 萬kW·h，合計可節約原控制策略下環控系統總用電量的4%。