南寧地鐵1號線通風空調系統風水聯動節能控制技術應用研究

南寧軌道交通集團有限責任公司 李 軍 周 航貴州匯通華城股份有限公司 楊 欣南寧軌道交通集團有限責任公司 王 旭

0 引言

地鐵作為城市公共交通的大動脈，對國民經濟發展起著重要的促進作用，同時也是耗電大戶。南寧地鐵1號線共設地下車站25座，各站點通風空調系統由大系統、小系統和水系統構成，其中通風空調系統電耗約占總用電量的40%～50%，是車站的主要耗能設備，因此，通風空調系統的節能顯得尤為重要。在工程設計時，通風空調系統的設備容量一般按地鐵運行遠期最大負荷確定，并預留一定的設計余量[1-2]。然而，通過對南寧地鐵站點負荷的分析發現，在設備實際運行過程中，空調負荷往往達不到最大負荷，甚至會小很多，存在較大的富余量。若地鐵通風空調系統按設計容量長期運行，勢必會造成很大的能源浪費。

南寧地鐵1號線車站的通風空調系統原設計沒有采用先進的節能控制技術，其水系統完全采用工頻模式運行，大系統雖然安裝了變頻設備，但也僅僅根據操作人員的經驗對設備的運行頻率進行手動設置。本文以南寧地鐵1號線麻村站的通風空調系統為研究對象，對其水系統和大系統的控制方案進行研究分析，采取行之有效的風系統與水系統協調控制策略，在保障地鐵環境質量的同時，有效降低了地鐵車站空調通風系統的運行能耗。對節能效果進行了總結分析，供已運營地鐵車站通風空調系統的節能改造及新線建設參考。

1 通風空調系統耗能現狀分析

以南寧地鐵1號線麻村站通風空調系統為研究對象，對其水系統和大系統的協調控制技術進行應用研究。該站空調水系統和大系統中主要受控設備參數如表1所示。

表1 南寧地鐵1號線麻村站受控設備參數

南寧市空調系統運行時間通常為5—11月。根據對南寧地鐵1號線麻村站2019年運行電量記錄數據進行統計分析，各主要通風空調設備運行耗電量統計結果如表2所示。

表2 空調季節通風空調系統各設備2019年運行能耗 kW·h

2) 節能改造前1#冷水機組存在一定的問題，導致2#冷水機組的運行時間相對較長，因此表中“環控三級負荷2設備”的實測總能耗遠大于“環控三級負荷1設備”的實測總能耗。

3) 由于節能改造前大系統沒有獨立的計量電表，因此表中大系統的能耗數據為推算而來，其值等于環控二級負荷A端(或B端)設備的實測能耗減去A端(或B端)小系統的計算能耗；由于小系統沒有變頻，且在空調季每天24 h不間斷運行，為確保推算結果的準確性，小系統能耗為每臺設備的實測瞬時功耗與月運行總時間的乘積。

4) 節能改造前，大系統已安裝變頻器，但變頻器頻率無法自動調節，僅由操作人員手動設置,因此推算所得大系統能耗與按額定功率計算的理論能耗間存在一定偏差。

根據表2統計結果，南寧地鐵1號線麻村站通風空調大系統及水系統空調季運行耗電量約為81萬kW·h/a。

南寧地鐵1號線開通運行僅3年左右時間，若通風空調系統無法根據負荷需求實時調節控制，必然造成極大的能源浪費。按照南寧市地鐵網絡規劃，目前南寧地鐵已運營車站有79座，遠期將達到200座左右，且已運營通風空調系統大部分都沒有采用先進的節能控制技術，因此，如何引入高效的節能控制技術與設備，降低通風空調系統的能耗，減少運營成本是南寧地鐵節能工作亟待解決的問題。

2 系統控制原理

風水聯動技術以對地鐵站內通風空調水系統和大系統設備的自動化控制及管理為手段，將智能控制技術、系統集成技術、計算機技術、網絡通訊技術、數據庫技術和變頻調速技術集合應用于地鐵站點的環境控制和能源管理中，實現通風空調設備的高效運行，系統自動化程度高，可實現全系統無人值守、一鍵操作、全系統運行工藝參數的存儲與分析、系統能效的分析評價等，控制效果穩定，實現了風系統與水系統的共同節能，能創造出較好的節能效益。

2.1 全日逐時負荷預測

對于地鐵車站，其負荷主要分為兩類：內部負荷與外部負荷。其中，外部負荷主要受室外氣候變化所影響，而內部負荷主要受設備發熱和人體散熱所影響。對于一個已建成的地鐵車站，其主要設備的發熱量基本固定，因此引起內部負荷變化的主要因素為客流量的變化。因此，可以根據系統歷史負荷情況及室外環境溫度的變化趨勢，對當前的全日逐時負荷進行預測，為系統的開機、加減機策略及基于負荷預測的控制策略提供數據支撐，在水系統冷量供給與末端負荷需求間進行協調聯動，即通過對系統末端負荷的預測分析來決定冷水機房需制備并向末端輸送的冷量，使其與末端的需求實時匹配，避免過度制冷帶來的能源浪費。

2.2 冷水機組出水溫度動態調節控制

對于冷水機組的出水溫度，常見為7 ℃的固定出水溫度控制，或由操作人員根據當前末端的溫度按經驗手動調整以降低冷水機組的能耗。該控制方法自控能力差，控制效果有限。在末端除濕(潛熱負荷、濕負荷)需求減少時，在滿足末端顯熱負荷需求的前提下，提高冷水機組的出水溫度，從而提高冷水機組的運行效率，可以降低空調系統中高能耗設備(冷水機組)的運行能耗；在末端除濕需求增大時，降低冷水機組的出水溫度，滿足末端環境的舒適性需求，從而實現末端空調箱表冷器換熱特性與冷水機組出口溫度再設定間的協調聯動，可以降低系統的總體能耗。

2.3 基于負荷預測的冷水控制

地鐵空調負荷具有多變性。在部分負荷時，冷水系統常常在大流量、小溫差狀態下運行，造成冷水泵輸送能耗的浪費。因此，根據負荷的變化動態調節冷水系統流量，對降低空調系統能耗具有十分重要的意義。

控制系統通過負荷預測確定空調末端的總負荷需求后，便可知道冷源站需要向末端輸配的冷量，再根據冷水機組的當前出水溫度及系統當前最佳溫差，即可得到滿足末端負荷需求的冷水流量。結合系統循環周期，以該預期流量為控制目標調節冷水泵的頻率，使實際流量趨近于預期流量，便可提高冷水泵的輸送系數，降低冷水泵的輸送能耗。

2.4 基于系統效率最佳的冷卻水系統控制

目前常見的冷卻水調節方法為固定溫差或固定冷卻水出水溫度控制，該控制方法僅考慮了冷卻水泵或冷卻塔的能耗，控制不當反而會使冷水機組的能耗上升。主機效率與冷卻水溫度相關，在一定范圍內降低冷卻水溫度，有利于提高主機效率、減少主機能耗，但降低冷卻水溫度，將導致冷卻水泵和冷卻塔的能耗升高。因此，必須將主機能耗、冷卻水泵能耗、冷卻塔風機能耗三者統一考慮[2]。

在制冷環節中，在不同負荷率、不同室外濕球溫度下，均存在一個最佳的兩器(冷凝器、蒸發器)溫差，使得系統中冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔的綜合能耗最低。而兩器溫差受室外環境濕球溫度及冷卻水供回水溫差影響。該項目通過自動漫步尋優控制，通過系統自我學習進化，自動尋找系統綜合能耗最低條件下的冷卻塔最佳出水溫度(即逼近溫度)、冷卻水的最佳供回水溫差(即冷幅)，來實現對冷卻水泵頻率及冷卻塔風機頻率的控制，保證整個制冷系統的能耗最低。

2.5 公共區空調風機控制

根據公共區實際負荷及動態計算所得系統循環周期，對末端空調箱風機及回排風機的頻率進行動態調節，使公共區溫度接近標準規定的值，避免公共區溫度過低帶來的能源費用的不必要增加。

通過對新風比焓和回風比焓的對比分析，在滿足公共區CO2濃度不超標的情況下，以充分利用低比焓空氣為原則，對新風閥、回風閥、排風閥進行有效控制，降低對冷源的消耗。

2.6 冷水機組能效在線分析

通過對冷水機組安裝能效分析裝置，采集并計算主機冷水進/出口溫度、冷卻水進/出口溫度、冷水流量、機組實時功率、耗電量及制冷量等運行參數，并對冷水機組的能效進行實時計算分析，最終生成實際運行工況下冷水機組的能效分布表，從而可以確定在任何一種工況下開哪一臺冷水機組更節能，在多大的負荷率下進行加機(或減機)更節能，為系統開關機、增減機提供數據支撐。

2.7 表冷器水閥的控制

大系統表冷器水閥根據空調箱送風溫度進行調節，調節目標為使空調箱實際送風溫度趨近于設定值；而對于小系統，由于受現場條件制約，柜式空調機組及回、排風機均未加裝變頻設備，因此對其表冷器水閥根據回風溫度進行控制，最終由系統按照盡量降低管路阻力的原則進行全局動態水力調節，以降低冷水的運載能耗。

1) 若空調末端所有表冷器水閥均未開到最大，且所有水閥開度相同，則將所有水閥全開，降低管路阻力，從而降低冷水泵頻率。

2) 若空調末端所有表冷器水閥均未開到最大，且水閥開度不同，則將其中開度最大的水閥全開，降低管路阻力，從而降低冷水泵頻率。

3) 若空調末端已有表冷器水閥開到最大，則不進行“修正”。

2.8 新風量控制

由于小新風機功率較小，未進行變頻改造，因此在空調季僅采用了模式控制，即通過對公共區二氧化碳濃度、新風比焓及回風比焓的比較計算，自動使系統工作于最小新風模式或全新風模式，以降低高比焓新風帶來的能源浪費。

1) 當站內二氧化碳體積分數大于1 200×10-6或室外新風比焓小于回風比焓時，直接啟用全新風模式，打開全新風閥，關閉小新風機及小新風閥。

2) 當站內二氧化碳體積分數小于1 200×10-6，且新風比焓大于回風比焓時，啟用最小新風模式，關閉全新風閥，開啟小新風機及小新風閥，降低室外高比焓新風帶來的冷源消耗。

從實際運行效果來看，測試期間基本運行在最小新風工況，且公共區的二氧化碳體積分數基本在650×10-6以下，即使在早晚高峰期，二氧化碳體積分數也未超過650×10-6。

3 應用效果分析

試驗車站通風空調系統改造后可運行在非節能模式和節能模式，為確保數據具有可對比性，進行了為期6 d的節能對比測試，非節能模式和節能模式各運行3 d。測試期間各天實際運行模式如表3所示。

表3 空調季通風空調系統測試模式

由于2020年9月8日至9月9日2 d夜間車站進行停電檢修，故這2 d各采集08：00—22：00共14 h運行數據進行對比。其余各模式下每天采集24 h數據進行對比。

現場試驗發現，測試期間各天站內的實際熱負荷受客流量變化的影響較小，站內熱負荷主要來源于混風室新風的補給與車站出入口的漏風所帶入的外界熱負荷，測試期間室外濕球溫度分布如圖1所示。

圖1 測試期間室外濕球溫度分布

由圖1可見，第5天(節能模式)與第6天(非節能模式)近似，第3天(節能模式)與第2天(非節能模式)近似，第1天(節能模式)與第4天(非節能模式)近似，因此按室外濕球溫度近似原則分為3組數據進行對比分析，以提高分析結果的可信度，分組情況如表4所示。

表4 系統節能測試對比分組

節能改造方案對大系統及水系統的每臺設備均安裝了電能表，用于計量各設備的能耗，并為節能優化算法提供數據支持，測試期間記錄的各類設備的能耗數據及系統制冷量如表5所示。

表5 各類設備的能耗數據及系統制冷量 kW·h

通過對2種工況下為期6 d的多組測試數據進行綜合處理，各控制模式的節能對比如表6所示，能效對比如表7所示。

表6 各控制模式的能耗及節能率對比

由表7可見，在室外環境溫度相近的情況下，節能模式下的制冷量小于非節能模式下的制冷量，這是由于在節能模式下，冷水機組采用了變出水溫度控制，在確保站內環境滿足要求的情況下，系統會根據實際需求提高冷水機組的出水溫度，從而避免過度除濕帶來的冷量消耗，為系統提供了更大的節能空間，并進一步提高了冷水機組及系統的效率。

表7 各控制模式的能效對比

由表6可見，通過對比測試，系統綜合節能率可達到42.8%，可大幅度降低運營成本，從而贏得較好的投資回報。由表7可見，采用風水聯動節能措施后，相對于非節能模式，冷水機房能效提升了22.9%，通風空調系統綜合能效比提升了30%，系統運行能效得到了大幅提升。

4 對小系統的影響分析

對于南寧地鐵1號線麻村站，冷源供冷范圍包含大系統和小系統。由于改造受現場條件的制約，小系統柜式空調機組及回、排風機均未加裝變頻設備，因此小系統無法進行變風量調節，風水聯動系統僅通過調節表冷器水閥來控制小系統的環境質量。小系統控制效果如圖2所示。

圖2 小系統控制效果

由于小系統表冷器水閥采用的是回風溫度控制，而非送風溫度控制，存在較大的惰性，因此在系統調試時，對水閥開度進行了下限鎖定，以降低由于系統的大惰性特性帶來的調節不穩定性，避免引起溫度的過大波動，但從圖2來看，即使在節能模式下，部分房間的溫度仍遠低于設計溫度27 ℃。

因此，在條件允許的情況下，若將小系統風機也加裝變頻裝置，納入自動調節，還可進一步挖掘節能潛力，另外，該項目閥門開度下限及調節參數的設定也還有進一步優化的空間。

5 結論

1) 車站通風空調系統風水聯動控制技術的實現，有效解決了地鐵車站通風空調系統這種復雜、非線性、時變性、難以用傳統理論建模的系統的控制問題。

2) 車站風水聯動控制體現了集中管理、分散控制的理念，實現了動態跟蹤、在線調節、智能推理等功能，可根據環境及負荷的變化快速擇優選擇系統的運行參數，確保車站通風空調系統高效運行。

3) 節能模式與非節能模式應用效果的對比測試表明，風水聯動控制技術的節能效果較好，可大幅度降低運營成本，且系統能效得到了大幅提升。

4) 該控制系統運行穩定、可靠、節能效果良好。同時，該項技術的成功應用，為地鐵車站通風空調系統的節能控制模式提供了可行、可靠的技術支撐。