南昌某地鐵車站節能控制系統研究

吳振

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 系統概況

車站大系統采用節能控制系統，通過對系統各種工藝參數及設備參數的采集，計算并記錄空氣處理機組的輸出能量趨勢序列，結合系統特性、循環周期、歷史負荷數據等推理預測“未來時刻”系統的負荷，從而確定空氣處理機組的最佳運行參數，實現空調區域溫度的精確控制，在保證服務質量的前提下，最大限度地降低系統的能耗。系統根據車站兩端回風溫度的采集和比較，調節兩端空氣處理機組送風機的運行頻率，以調節其送風量，使車站兩端空調區域的溫度達到均衡。回排風機則采用跟隨送風機頻率運行，使車站內保持必要的微正壓[1]。

車站空調水系統設置節能控制系統，冷凍、冷卻水系統均采用變流量系統，以空調水系統綜合能效最優作為控制目標，對冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、冷水機組進行節能控制，冷水機組通過通信接口與節能控制系統實現指令傳輸和數據采集。

2 接口設計

2.1 與BAS系統接口

節能控制系統與BAS系統的接口分為硬件接口和軟件接口。硬件接口采用冗余以太網通信接口，接口位置在車站環控電控室節能控制系統集中控制柜；軟件接口是BAS通過以太網向節能控制系統的集中控制柜發出水系統和大系統的正常運行、停止和火災等運行模式指令[2]。

集中控制柜通過以太網向BAS系統發送水系統的運行參數，主要參數為：2臺冷水機組、2臺冷凍泵、2臺冷卻泵、2臺冷卻塔的控制狀態及運行狀態；8臺電動蝶閥和壓差旁通閥的控制狀態及運行狀態；冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等設備的運行參數、電壓、電流、功率、用電量等；2臺冷水機組的進/出水溫度；冷凍水總管供回水溫度、壓力流量；冷卻水總管供回水溫度、流量；集水器大小系統回水管的回水溫度。

集中控制柜通過以太網向BAS系統發送大系統的運行參數，主要參數為：兩端的2臺組合式空調器、2臺小新風機、2臺回排風機的控制狀態及運行狀態10臺電動風閥的控制狀態及運行狀態；兩端組合式空調器、小新風機、回排風機的運行參數、電壓、電流、功率、用電量等；兩端組合式空調器的出水溫度；兩端新風溫濕度、送風溫濕度、回風溫濕度、混風溫濕度；站廳、站臺溫濕度；電動二通閥開度。

集中控制柜接受BAS運行模式指令，結合使用條件和實際工況向水系統控制柜、大系統控制柜發出子一級控制指令，調整水系統和大系統的設備和閥門的開關和運行。

當車站BAS系統向節能控制系統發出大系統節能運行模式指令時，節能控制系統根據實際工況判斷執行空調模式還是通風模式，執行空調模式時聯動開啟水系統，水系統根據空調負荷率調整水系統的運行工況：當空調負荷率＜50%，水系統投入1套冷水機組運行，同時調節水泵頻率；當空調負荷率≥50%，水系統投入2套冷水機組運行，同時調節水泵頻率。

夜間停運時BAS向節能控制系統發出大系統停止指令，節能控制系統對A、B兩端大系統執行停止模式，水系統根據空調負荷率調整運行工況：當空調負荷率＜50%，水系統卸載，只投入1套冷水機組運行，同時調節水泵頻率，兩臺冷水機組互為備用定時輪換。

由于小系統由BAS系統直接控制，當BAS單獨開啟小系統空調模式時，應同時下發指令給節能控制系統開啟水系統，由節能控制系統按模式開啟1套冷水機組運行，根據實際工況調節水泵頻率，兩臺冷水機組互為備用定時輪換。

2.2 與動力照明專業接口

動力照明與節能控制系統接口在節能控制柜進線端子處，節能控制柜進線電纜及敷設由動力照明專業負責。手操箱采用硬線接口，接口位置在車站環控電控室節能控制系統節能的相關接線端子，手操箱電纜由節能控制專業提供，機電專業敷設和端接。

2.3 與通風空調接口

冷水機組采用通信接口，接口位置在冷水機組控制器的相關通信接口上。組合式空調器采用硬線接口，接口位置在空調機組消毒凈化裝置的相關接線端子處。電動二通調節閥、各類傳感器采用硬線接口，接口位置在電動二通調節閥及傳感器的安裝位置上。

3 系統構架

節能控制系統的所有控制柜須均是基于強電、弱電、計量、電力監測、節能控制一體化的產品整體設計；每臺控制柜內需要配置有獨立的控制器，遵循“集中管理、分布控制”的設計理念，降低系統的控制風險，節能控制系統配電圖如圖1所示。

圖1 節能控制系統配電圖

節能控制系統由以下各部分組成：集中管理平臺、水系統節能控制子系統、大系統節能控制子系統（A、B兩端各一套），集中管理平臺對各節能控制子系統進行控制。

4 系統控制策略

4.1 空調大系統控制策略

空調大系統負責車站公共區的環境控制，主要設備包括：新風機、組合式空調器、回排風機、相關的風閥（全新風閥、小新風閥、回風閥、排風閥等）。組合式空調器、回排風機設置變頻器，可進行變頻變風量調節，變頻調整范圍為25～48 Hz，小新風機工頻運行。

BAS系統通過對室外空氣參數判斷，對節能控制系統發出指令，運行小新風空調模式、全新風空調模式、通風模式等模式。車站大系統的運行模式見表1。

表1 車站大系統運行模式表

車站正常運行狀態的工況切換控制是根據iw、ir和Tw（iw為車站室外焓值；ir為車站回風焓值；Tw為車站室外干球溫度）的變化與設定的送風溫度T0進行比較分析確定。組合式空調器送風量（頻率）由回風溫度Tr控制：Tr＞Tr0（Tr0=29℃，為回風溫度設定值）時，加大送風量（升高頻率）；Tr≤Tr0時，減小送風量（降低頻率）。大系統節能系統采集空調機組的送風溫度Ti與系統設置的送風溫度T0比較，調節組合式空調器的二通閥開度：Ti＞T0時，二通閥開大；Ti≤T0時，二通閥關小。回排風機頻率跟隨組合式空調器頻率同步調節。系統采集站廳站臺的CO2濃度，小新風機根據站內CO2濃度控制啟停：當CO2濃度≥900 mg/L時，小新風機啟動；當CO2濃度≤700 mg/L時，小新風機定時啟動；當700 mg/L＜CO2濃度＜900 mg/L時，小新風機保持原運行狀態。

車站內空調季節的負荷根據Tr的變化與設定的回風溫度（29℃）進行比較分析確定。當Tr≤29℃時，說明車站負荷減少，先利用風機變頻器調小風量再關小電動二通閥減小冷凍水量。當Tr＞29℃時，說明車站負荷增大，先利用風機變頻器調大風量再開大電動二通閥增加冷凍水量。

當iw≤ir，且Tw＞T0時，進入全新風空調運行工況，組合式空調器、回排風機根據回風溫度調節頻率，最低頻率25 Hz，空調器二通閥根據送風溫度調節開度，全新風閥、排風閥打開，小新風機和小新風閥、回風閥關閉。

當外界環境溫度Tw≤18℃時，進入通風季工況運行：組合式空調器仍以調節站臺溫度為目標變頻運行，全新風閥、排風閥打開，小新風機和小新風閥、回風閥關閉；當組合式空調處于最低運行頻率時，關閉排風機，采用機械送風+自然排風的方式運行。當CO2濃度≤50 mg/L或Tr＜18℃時，停止通風，也可以由車站工作人員采用間歇通風運行。空氣的焓值由空氣溫濕度決定，為了防止工況在一天內頻繁轉換，只要求對焓值每0.5 h測量一次。將測量值分析比較后再決定是否改變運行工況。

4.2 空調水系統控制策略

空調水系統包括冷水機組，冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔以及各類傳感器、閥門及空調機組等末端裝置。空調水系統納入節能控制系統進行監控管理，同時將設備狀態信息上傳BAS系統。節能控制系統根據車控室BAS系統下達的模式指令對水系統進行控制。車站水系統的運行模式。

節能控制系統根據空調負荷率調節冷水機組及對應冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔的加減載。冷凍系統開機時設備的開機順序：電動蝶閥→開冷卻塔→冷卻泵→冷凍泵→冷凍主機；關機順序：關冷凍主機→冷凍泵→冷卻泵→冷卻塔→電動蝶閥。

系統檢測冷凍水總管進、出水溫度，當冷凍系統啟動后，節能控制系統根據冷凍水總管進出水溫度差ΔTdi調節冷凍水泵頻率fd進而調節冷凍水流量：節能控制系統設定冷凍水總管進出水溫差ΔTd0=5℃，當ΔTdi＞ΔTd0，fd增大，當ΔTdi≤ΔTd0，fd減少。

系統檢測冷卻水總管進、出水溫度，當冷凍系統啟動后節能控制系統根據冷卻水總管進出水溫度差ΔTqi調節水泵頻率fq進而調節冷卻水流量：節能控制系統設定冷凍水總管進出水溫差ΔTq0=5℃，當ΔTqi＞ΔTq0時，fq增大；當ΔTqi≤ΔTq0時，fq減少。

系統檢測2臺冷卻塔出水溫度，當冷凍系統啟動后節能控制系統根據冷卻塔出水溫度與氣象站的濕球溫度的溫差ΔTti（逼近度）調節冷卻塔風扇頻率ft：節能系統設定逼近度ΔTti=4℃，當ΔTti＞ΔTt0，ft增大；當ΔTti≤ΔTt0，ft減少。

冷水機組的運行工況的轉換是由集中控制柜的PLC根據系統空調負荷率自動控制和定時切換，冷水機組流量及冷量輸出、冷凍水泵、冷卻水泵的流量由節能控制系統進行控制。當空調負荷率≤50%并持續15 min時，1套冷水機組運行；當空調負荷率＞50%并持續15 min時，2套冷水機組運行。當正在運行的一套冷凍系統發生故障時，集中控制器發出工況模式轉換指令，故障系統停止運行，備用系統投入運行。

壓差旁通閥的自身具備壓差控制開度的功能，壓差旁通閥根據分/集水缸的壓差變化自行進行調節；節能控制系統采集壓差旁通閥DPCV-W1的開度信號或開/關到位信號，監測DPCV-W1的工作狀態。

5 結語

隨著地鐵交通規模的日益壯大，如何降低地鐵通風空調系統的能耗將是一直可值得研究的課題。本文詳細介紹了通風空調大系統和空調水系統的節能控制系統設計方案，以期為相關工程提供理論依據。