智能控制在地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)中的應用

張世勇，張國華

（1.北京軌道交通建設管理有限公司，北京100000；2.中國地質(zhì)大學 人文經(jīng)管學院，北京100000）

城市軌道（地鐵）作為一個城市的標志性公共基礎建筑，憑借著強大的人員分流能力，在城市交通中有著得天獨厚的優(yōu)勢，已成為各大中城市重點發(fā)展的對象。但地鐵也因高耗能的特點，成為人們最迫切希望改觀的現(xiàn)實問題。盡快找到大幅降低地鐵運行能耗的方法，并加以推廣應用，已成為保持軌道交通健康可持續(xù)發(fā)展道路上必須解決的課題之一。

通風空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵中的重要設備系統(tǒng)之一，擔負著對地下空間的空氣溫度、濕度、空氣流速和空氣品質(zhì)進行控制的任務。據(jù)統(tǒng)計，通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗約為地下線能耗的30%以上，僅次于車輛牽引用電能耗，節(jié)能潛力相對較大。

本文通過對既有地下車站通風空調(diào)系統(tǒng)的實際測試和實驗，在對測試和實驗數(shù)據(jù)進行分析后，得出通風空調(diào)系統(tǒng)最佳節(jié)能運行方式，并在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中設計了空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊，為地鐵節(jié)能運行提供了科學依據(jù)和控制手段。

1 通風空調(diào)系統(tǒng)的運行模式

地鐵公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)一般按既定的運行時間表自動執(zhí)行，運行模式一般分為空調(diào)小新風、空調(diào)全新風、過渡季通風和冬季通風等，分別對應不同的風機、風閥、表冷器、冷水系統(tǒng)等設備的開閉組合，送/回排風機的運行頻率為設定頻率。設計的運行模式如表1所示。

2 實驗方案及測試數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗與測試方案

此次測試主要針對地鐵通風空調(diào)的風系統(tǒng)，測試車站采用集成閉式通風空調(diào)系統(tǒng)，車站空調(diào)系統(tǒng)送/回排風機兼任區(qū)間隧道事故風機，送風道內(nèi)設置可電動開啟型表冷器和空氣過濾器，送/回排風機均為20#可逆轉(zhuǎn)軸流風機，并設置了變頻調(diào)速裝置。

表1 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)全年運行典型模式

2.1.1 耗電量測試

耗電量測試是通過加裝智能型電表實現(xiàn)的。在車站送/排風機的變頻控制柜內(nèi)加裝PM1200型電力參數(shù)測量儀表，并在電力監(jiān)控系統(tǒng)中進行記錄和統(tǒng)計。

2.1.2 車站公共區(qū)環(huán)境溫濕度測試

車站公共區(qū)環(huán)境溫濕度測試通過加裝溫濕度自記儀實現(xiàn)，在送/排風道、車站公共區(qū)共安裝了10臺RR002型溫、濕度記錄儀，記錄的溫濕度數(shù)值可定期通過USB接口導出，并可與BAS系統(tǒng)的記錄進行對比。

2.2 測試結(jié)果簡述

2.2.1 耗電量測試結(jié)果

本測試是在1月份某天夜間地鐵停運后開始的，根據(jù)測試方案，通過BAS系統(tǒng)分別按不同運行模式開啟風機、風閥、表冷器，并使風機在不同運行頻率下工作，得到各模式下、各頻率下的風機運轉(zhuǎn)功率數(shù)據(jù)；并增加兩種模式作為對比方案，分別是送風機送風、出入口自然排風和排風機排風、出入口自然進風，同時調(diào)整風機在不同頻率下工作，進行耗電量測試。鑒于篇幅，表2僅列出30 Hz下各模式風機的功率測試數(shù)據(jù)。

表2 風機功率測試數(shù)據(jù)表

2.2.2 溫濕度測試結(jié)果

測試車站公共區(qū)站臺層和站廳層的冬季某日的溫濕度曲線如圖1、圖2所示，由于測試是在冬季進行的，待其他季節(jié)再進行相關的測試和分析。

2.3 測試數(shù)據(jù)分析

2.3.1 耗電量測試數(shù)據(jù)分析

從表2的測試數(shù)據(jù)可以看出，風機采用變頻后，確實能夠收到良好的節(jié)能效果，對于同一臺風機，相同運行頻率、不同運行模式下的實際運行功率有所差別。

對比全新風（通風）模式、送風（單送，通風）和排風（單排，通風）模式的測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其送/排風機的實際運行功率有所差別，但差別很小，考慮到其中的記錄誤差，可以認為由于出入口的面積較大，公共區(qū)采用機械送風、機械排風的方式與采用機械排風、出入口自然進風或者機械送風、出入口自然排風兩種方式產(chǎn)生的實際通風量差別不大。所以，采用后兩種單排、單送的方式替代送、排的方式是很好的節(jié)能選擇，而由于排風機的功率比送風機的功率有較大幅度的下降，所以，機械排風、出入口自然進風的方式是最為節(jié)能的方式。

2.3.2 溫濕度測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖1、圖2可以看出，地鐵車站具有較為明顯的早、晚高峰特點，尤以早高峰溫度上升較為明顯。但是，由于現(xiàn)階段冬季日間通風時間為10:00～18:00，故在日間平峰時段內(nèi)，站廳溫度受到機械通風及列車活塞風效應的影響較大，室外低溫空氣的引入會造成站廳溫度偏低的情況，日間局部時段出現(xiàn)接近5℃的低溫。而此時站臺因有一定的人員發(fā)熱及列車等設備發(fā)熱，受到室外低溫空氣的影響較小，日間站臺溫度基本維持在12℃～14℃。

2.4 節(jié)能分析

采用機械排風的缺點顯而易見，就是室外空氣不經(jīng)過濾直接進入地鐵，會帶進一部分的灰塵，但瑕不掩瑜，相對于機械送、機械排，其節(jié)能幅度達到驚人的60%，所以，春季和秋季可以考慮采用機械排、自然進風的方式，如果擔心灰塵的問題，亦可采用機械送、自然排的方式，也能達到40%左右的節(jié)能率。

對于冬季，測試數(shù)據(jù)體現(xiàn)站廳、站臺溫度差距較大，說明列車運行活塞風對站廳的影響較大且站廳層的發(fā)熱量較小，采用機械送風、自然排風的方式能夠一定程度上抵消活塞風引入的室外空氣，站臺層的熱量也會進入站廳層，對縮小差距有很大好處。在風機運行時間上，早高峰和晚高峰進行通風較好，其他時段采用閉式運行[1]。

3 空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊的實現(xiàn)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）廣泛應用于地鐵環(huán)境監(jiān)控。通過BAS控制地鐵車站及區(qū)間的環(huán)境監(jiān)控和其他機電設備，使其安全、高效、協(xié)調(diào)運行，保證地鐵車站及區(qū)間環(huán)境的良好舒適，產(chǎn)生最佳的節(jié)能效果，并在突發(fā)事件(如火災)時指揮環(huán)控設備轉(zhuǎn)向特定模式，為地鐵乘車環(huán)境提供安全保證[2-3]。

目前，地鐵公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)按照設定的模式運行，運行過程中不會根據(jù)環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)。為了能夠在提供舒適環(huán)境前提下，達到節(jié)能效果，在前期測試分析的基礎上，在BAS系統(tǒng)中設計了空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊。

空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊利用實時采集的機電設備運行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，在滿足給定約束條件的前提下，通過優(yōu)化計算，生成達到目標的最優(yōu)運行方案，并通過BAS系統(tǒng)的控制模塊實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的自動控制，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。在開環(huán)控制模式下，可以對運行方案進行人工調(diào)整。

空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊的工作原理如圖3所示。

智能控制模塊的核心為方案優(yōu)化引擎，其輸入信息包括：

（1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)：安裝在設備現(xiàn)場的測控裝置采集到的實時數(shù)據(jù)包括設備的功耗、累計用電量、啟停狀態(tài)、站內(nèi)外溫濕度和空氣質(zhì)量等信息。這些數(shù)據(jù)反映設備運行的狀態(tài)和站內(nèi)外的環(huán)境，是導出控制方案的數(shù)據(jù)基礎；

（2）預報數(shù)據(jù)：包括天氣預報數(shù)據(jù)、客流預報數(shù)據(jù)等。在給定運行模式的情況下，未來的天氣和客流狀況可對車站內(nèi)部的環(huán)境產(chǎn)生重要的影響；

（3）數(shù)據(jù)處理：對實時采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行相應的處理，使之適合方案優(yōu)化引擎的需要；

（4）運行規(guī)則：是預先設定的設備運行方式的集合。包括按時間、溫度、濕度、空氣質(zhì)量，并根據(jù)前期測試分析結(jié)果而制定的設備運行方式；

（5）約束條件：必須遵守的前提條件，如空調(diào)設備的最大輸出功率、變頻器的變頻能力、供電線路的額定負荷等；

（6）控制目標：實施控制后所期望的目標，如現(xiàn)場的溫度、濕度、空氣質(zhì)量、能耗等；

（7）方案優(yōu)化引擎：根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和預報數(shù)據(jù)，在限定的約束條件下，按照預先設定的運行規(guī)則，生成最接近控制目標的控制方案[4]；

（8）運行方案：系統(tǒng)中所有設備的運行方案集合；

（9）人工干預：在開環(huán)控制模式下，由人工對生成的運行方案進行修改，或直接進行人工控制；

（10）控制輸出：按照運行方案對現(xiàn)場設備進行控制。

通過優(yōu)化分析計算，方案優(yōu)化引擎生成最優(yōu)的空調(diào)系統(tǒng)運行方案，如表3所示。

表3 地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)運行方案示例

智能控制模塊的應用能夠避免地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)以單一的模式運行，使空調(diào)系統(tǒng)既能提供舒適的空間環(huán)境，又能最大限度地提高節(jié)能效果。

通過以上的分析可知，城市軌道交通節(jié)能降耗的發(fā)展主要取決于兩個因素，一是實驗、研發(fā)領域是否可以取得突破；二是推廣應用新型節(jié)能成果是否順利。但是要想實現(xiàn)這兩個目標，最終還得歸結(jié)于管理層面，只有創(chuàng)造了良好的創(chuàng)新條件、規(guī)范的行業(yè)標準及適宜的推廣流程，才是最終實現(xiàn)成功的前提。

[1]張云飛.自動控制系統(tǒng)在地鐵環(huán)境控制中的應用[J].城市軌道交通研究，2011(1)：67-72.

[2]張發(fā)明，王穎.北京地鐵10號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)簡介[J].城市軌道交通研究，2009(1)：71-74.

[3]董云路.中央空調(diào)節(jié)能技術分析[J].山西建筑，2009，35(22)：244-255.

[4]蔣騰旭.智能優(yōu)化算法概述[C].電腦知識與技術，2007(8)：507-508，530.