地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制

林曉偉 王 俠

（國電南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，工程師）

地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)是地鐵綜合自動化系統(tǒng)的一部分，在地鐵運營中發(fā)揮著重要的作用。良好的地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)地鐵內(nèi)部環(huán)境的變化自動進行溫度、濕度、風量等調(diào)節(jié)，為乘客創(chuàng)造一個舒適愜意的乘車環(huán)境。但地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗非常大，清華大學的朱穎心教授認為：地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗在地鐵總能耗中所占的比例相當高，甚至超過了列車的牽引能耗。在當今節(jié)能減排已經(jīng)成為國家重要戰(zhàn)略目標的情況下，這種巨大的能源消耗發(fā)人深思，這也是在發(fā)展地鐵的過程中必須要面對和解決的現(xiàn)實問題。

本文以國電南瑞科技股份有限公司軌道技術分公司在地鐵環(huán)控系統(tǒng)上采用的控制技術為基礎，討論了地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制思路，并提出了變風量變流量的優(yōu)化控制模型。

1 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)介紹

1.1 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)組成及原理

地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)由大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)構(gòu)成，三部分組成一個有機的整體，共同作用完成車站環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。大系統(tǒng)和小系統(tǒng)負責車站公共區(qū)和設備管理用房的通風、排風以及車站溫濕度的控制等。水系統(tǒng)為車站空調(diào)系統(tǒng)提供冷源，使組合空調(diào)機組完成熱交換過程，從而實現(xiàn)地鐵車站溫度調(diào)節(jié)。

車站通風空調(diào)系統(tǒng)運行的原理如圖1所示。在地鐵運營時，空調(diào)新風機負責向站內(nèi)輸送新風；回排風機負責站內(nèi)排風；組合空調(diào)機組兼具送風和制冷兩個方面的功能。組合空調(diào)通過冷凍水回路和空調(diào)水系統(tǒng)相連，將制冷后帶有設備熱負荷的冷凍水通過冷凍泵輸送到空調(diào)水系統(tǒng)的冷水機組，冷水機組通過熱交換將冷凍水熱量轉(zhuǎn)移到冷卻水，通過冷卻水回路和冷卻塔將熱量排放到大氣中。同時冷水機組將熱交換后形成的冷源（不帶熱負荷的冷凍水）回饋到空調(diào)機組以便站內(nèi)制冷。

另外，地鐵列車在進站、停站、出站時都會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量不僅對列車車體造成損害，也會使隧道內(nèi)的溫度升高而危及隧道設備的安全，隧道通風系統(tǒng)利用列車運行時產(chǎn)生的活塞風和站臺下或軌道頂?shù)呐艧犸L機將這部分熱量排出。

1.2 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)負荷特征及常規(guī)設計

1.2.1 負荷特征

地鐵車站負荷主要包括設備負荷（照明、電梯、自動售票機等設備的散熱量）、列車和人員負荷、新風負荷。其中車站設備負荷在地鐵運行期間相對穩(wěn)定，基本是一個定值。站內(nèi)負荷的變化主要是由乘客數(shù)量變化和屏蔽門開啟引起的，屏蔽門開啟的頻率與行車對數(shù)有關，而行車計劃又是根據(jù)客流量的變化來制定，因此站內(nèi)負荷變化與客流變化存在近似正比關系（見圖2）。

圖1 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)原理圖

圖2 車站冷負荷與客流關系圖

新風負荷的選取，要滿足人員要求的最小風量、維持最小換氣次數(shù)、維持站內(nèi)正壓、有害物質(zhì)濃度控制新風量中的最大值，且新風負荷不應該小于系統(tǒng)總風量的10%。

從上面的描述可以看出，地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的負荷具有以下特征：①空調(diào)負荷變化大，會對系統(tǒng)形成較大的干擾；②空氣的調(diào)節(jié)過程是高度非線性的，各個執(zhí)行機構(gòu)的動作過程也是非線性的；③空調(diào)設備會老化和更換，車站的熱環(huán)境也會發(fā)生變化，導致系統(tǒng)參數(shù)的變化；③地鐵站廳、站臺的空間很大，溫度的變化緩慢，具有非常明顯的滯后性。

1.2.2 空調(diào)系統(tǒng)冷負荷計算的一般原理

向站內(nèi)送冷風，送入站內(nèi)的冷量

式中：

C——空氣的比熱容，［kJ／（kg·℃）］；

P——空氣密度，kg／m3；

L——送風量，m3／s；

tn——室內(nèi)溫度，℃；

ts——送風溫度，℃；

Q——吸收（或送入）室內(nèi)的熱流量，kW。

設L為一常數(shù)，由式（1）可知，為了吸收站內(nèi)相同的熱量，可改變送風溫度ts，ts越小，吸收室內(nèi)熱流量就越大，因此，通過改變送風溫度可適應室內(nèi)負荷變化，維持室溫不變。這就是定風量變流量時的工作原理。也可以通過改變風量定流量來適應室內(nèi)負荷的變化，維持室溫不變，即變風量定流量控制。

單獨采用定風量變流量控制或變風量定流量控制都是有局限性的，比如：在變風量定流量控制中，最低送風量中的最小新風量必須滿足換氣的要求，既要保證一定的新空氣量，又要能維持站內(nèi)正壓。因此，地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)采用變風量變流量的控制方式可以顯著地實現(xiàn)節(jié)能增效，這也是未來地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

1.2.3 系統(tǒng)常規(guī)設計

在早期建成的地鐵中，通過采用人工控制的方法來增加或減少投入運行的主機數(shù)量和水泵臺數(shù)，以達到節(jié)能的目的。該方式分級調(diào)節(jié)粗糙、實時性差，且受設備配置和人為因素影響較大。

在近期的地鐵建設中或在已投運的地鐵中，已配置了比較健全的BAS（設備監(jiān)控）控制系統(tǒng)，利用DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)）或PLC（可編程控制器）控制空調(diào)系統(tǒng)的運行。這一方法原理簡單、使用方便、投資成本低。

當前，BAS控制系統(tǒng)基本采用定風量變流量的控制方式，這是一個定值閉環(huán)負反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它把溫度傳感器測量的回風（室內(nèi)）溫度Tf送入PLC控制器與給定值Tg比較，根據(jù)Δ±T偏差，由PLC控制器按PID（比例積分微分）規(guī)律調(diào)節(jié)冷凍回水調(diào)節(jié)閥開度以達到控制冷凍水回水量Ts，從而可以控制空調(diào)機組的制冷量Tk。同時，組合空調(diào)機組和新風機以固定轉(zhuǎn)速運行，其送風量Gk1和Gk2為定值。通過Gk1、Gk2和Tk使站內(nèi)溫濕度保持在規(guī)定范圍內(nèi)。控制原理如圖3所示。

圖3 定風量變流量控制原理圖

2 系統(tǒng)的優(yōu)化控制

2.1 優(yōu)化控制思路

由于傳統(tǒng)的空調(diào)控制系統(tǒng)的控制方式屬于粗放式的控制，造成了極高的能源耗費，因此必須尋找一種更加優(yōu)化的控制方式來代替。

地鐵列車及其空調(diào)冷凝器的發(fā)熱量、新風負荷、人員負荷隨行車密度及客流量波動，不同時期、不同時段所需要的軌道排風量、車站所需的新風量和冷量都會因行車密度、客流量及屏蔽門開啟時間的變化而有很大差異。地鐵列車及其空調(diào)冷凝器的發(fā)熱量占地鐵總發(fā)熱量的2／3以上，人員負荷和新風負荷占車站大系統(tǒng)負荷的40%以上，因此，負荷變化大導致需要的風量和冷量變化大是地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的一大特點。

風機的風量、消耗功率與轉(zhuǎn)速有下述關系：

式中：

V1，Pl——分別為N1轉(zhuǎn)速下的風機風量和消耗功率；

V2，P2——分別為N2轉(zhuǎn)速下的風機風量和消耗功率。

由式（2）、（3）可知：風機風量與轉(zhuǎn)速成正比，消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，為了節(jié)能，應使軌道排熱風機、空調(diào)風機、新風機、回排風機的轉(zhuǎn)速隨風量需求進行調(diào)整。要達到這一要求，相關風機就均應采用變頻器驅(qū)動，這樣就可實現(xiàn)風量的連續(xù)調(diào)節(jié)，能耗下降明顯，而且還能夠更好地適應車站負荷的變化，有利于控制站內(nèi)熱環(huán)境。同時，使用變頻器控制風機轉(zhuǎn)速，變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始增加，避免了啟動電流對電網(wǎng)造成的沖擊污染。

在空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按照車站最大設計負荷選定的，且留有余量。在實際使用中，空調(diào)系統(tǒng)大多處于低負荷運行狀態(tài)，因此，對冷凍水回水閥進行PID調(diào)節(jié)，以控制冷凍水回水量，這是減少能耗的有效途徑。

綜合上述分析，需要將風量調(diào)節(jié)與冷凍水量調(diào)節(jié)綜合考慮才能全面滿足既保證冷凍水流量的需求，又滿足新空氣的要求，同時又能實現(xiàn)節(jié)能增效。

2.2 通風空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制方案

2.2.1 變風量變流量控制

變風量控制主要是由設在車站兩端的組合式空調(diào)機組和回排風機來實現(xiàn)的。在送風機和回排風機上均配備變頻器，用來改變送風機和回排風機的轉(zhuǎn)速，可方便地調(diào)節(jié)送風量和回風量，使空調(diào)大系統(tǒng)成為變風量系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)不僅能隨時改變供風量以適應風量需求的變化，同時也有顯著的節(jié)能效果。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過與自動售檢票系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)及環(huán)境與設備控制系統(tǒng)的接口，可獲知當前時段進閘人數(shù)和出閘人數(shù)等客流信息、屏蔽門開啟次數(shù)以及站內(nèi)的CO2傳感器采集的信息，然后由綜合監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)這些信息實時計算系統(tǒng)的新風負荷和人員負荷。這兩種負荷對站內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個擾動量，使得站內(nèi)溫度調(diào)節(jié)總是滯后于新風溫度或客流的變化。為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，把新風負荷和人員負荷做為正反饋信號加入站內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當空調(diào)負荷波動時，正反饋控制器可在車站溫、濕度負反饋產(chǎn)生糾正作用前就發(fā)出校正指令，可加快系統(tǒng)的響應速度，有效防止系統(tǒng)的振蕩，實現(xiàn)通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運行?？刂圃砣鐖D4所示。

圖4 變風量變流量控制原理圖

在圖4所示的控制模型里，變風量控制和變流量控制均引入了正反饋控制和負反饋控制。

組合空調(diào)機組的送風量Gk1和新風機的送風量Gk2采用正反饋控制，綜合監(jiān)控系統(tǒng)將計算出的新風負荷和人員負荷作為正反饋信號α2、α3分別引入到空調(diào)機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和新風機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中；同時，這兩種負荷也作為正反饋信號Ψw參與末端冷凍水量Ts的調(diào)節(jié)，使負荷的變化也同時反映到冷凍水量的調(diào)節(jié)上來。冷凍水回水閥的控制引入不靈敏環(huán)節(jié)（又稱為死區(qū)，是指輸入量的變化不致引起該儀表輸出量有任何可察覺的變化的有限區(qū)間，產(chǎn)生死區(qū)的原因主要是儀表內(nèi)部元件間的摩擦和間歇），避免二通閥頻繁動作。

組合空調(diào)機組的送風量Gk1也采用了定值閉環(huán)負反饋控制。設在送風、回風中的溫濕度傳感器，把主風道中的風溫轉(zhuǎn)換成4～20mA標準信號Tf送到PLC，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后形成空調(diào)機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號α1，并將該信號輸出到空調(diào)機組變頻器上，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。當室溫偏離設定值時，即反映在回風溫度偏離，PLC將調(diào)節(jié)風機速度，控制表冷器熱交換量，使室溫回復至設定值。

末端冷凍水量Ts也采用了定值閉環(huán)負反饋控制，控制原理與1.2.3節(jié)中介紹的定風量變流量控制原理完全一致。

2.2.2 分析比較

常規(guī)的定風量變流量控制方式存在冷水量不能隨風量同步變化的問題，這也限制了冷水量的調(diào)節(jié)作用。而且地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的負荷具有大干擾、高度非線性、不確定性、大滯后的特征，如果控制模型單純采用負反饋控制，容易造成系統(tǒng)的波動和震蕩，難以達到預想的控制效果。

采用變風量變流量優(yōu)化方案的優(yōu)點是：發(fā)揮變頻器調(diào)節(jié)風量的優(yōu)勢，引入正反饋和負反饋控制，用于調(diào)節(jié)組合空調(diào)和新風機的出風量以適應負荷的波動。對末端冷水量的調(diào)節(jié)引入正反饋控制，使冷水量隨風量同步變化，增加了風量調(diào)節(jié)的有效范圍，縮短了冷水量調(diào)節(jié)的響應時間。該方案考慮了冷水量和風量的配合問題，將變風量控制和變流量控制有機地結(jié)合在一起，使整個通風空調(diào)系統(tǒng)的性能得到了進一步的優(yōu)化，而且該方案結(jié)構(gòu)清晰、控制流程簡單、易于組態(tài)、容易編程，可以有效地節(jié)約地鐵運營的能耗。

另外，由于變風量變流量方案將變風量和變流量控制統(tǒng)籌考慮，而且引入了正反饋和負反饋控制，使水系統(tǒng)、風系統(tǒng)之間的邏輯控制關系變得更為復雜，也會給安裝、管理等增加難度。在現(xiàn)階段的地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)建設中還沒有該方案的應用先例，缺少在該方案下車站全年通風空調(diào)系統(tǒng)的分析計算，變頻節(jié)能效果的評價是不完整的，在工程實施后應對照實測數(shù)據(jù)驗證理論計算的節(jié)能情況。

綜合上述分析比較，變風量變流量控制方式能將風量和水量有機結(jié)合；雖然存在著邏輯關系復雜等缺點，但是總體來看，這種控制方式是未來地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的方向和趨勢，而且隨著技術的發(fā)展，變風量變流量控制中存在的一些問題也必將獲得解決。

2.2.3 軌道排熱風機節(jié)能優(yōu)化控制

車行區(qū)排熱通風系統(tǒng)中的排熱風機的作用是排除列車進站、停站、出站時產(chǎn)生的熱量，以減少列車發(fā)熱量對車站及區(qū)間的影響。車行區(qū)排熱系統(tǒng)在地鐵運營期間需長期運行，能耗巨大，且負荷變化明顯，因而排熱風機有必要采用變頻技術。

排熱風機的變頻控制主要有分時段控制和隧道溫度實時控制兩種方式。如果采用根據(jù)隧道溫度實時控制模式，由于受到活塞風的影響，隧道內(nèi)空氣擾動大，檢測到的溫度將極不穩(wěn)定，風機運行也將極不穩(wěn)定，可靠性無法保證。而采用分時段控制模式是可靠合理的，因為排熱風機負荷主要與行車對數(shù)有關，時段性強。當發(fā)車間隔較大時，排熱風機應該根據(jù)列車位置改變排熱風機的轉(zhuǎn)速，當列車到站時高速運轉(zhuǎn)，當列車離站時低速運轉(zhuǎn)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)可將信號系統(tǒng)傳送的列車進出站信息轉(zhuǎn)換成風機控制命令，轉(zhuǎn)發(fā)給環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)，由環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)通過變頻器調(diào)整排熱風機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對排熱風機的節(jié)能控制（見圖5）。

圖5 排熱風機節(jié)能優(yōu)化控制圖

3 結(jié)語

本文分析了地鐵運營時的負荷特征，通過分析發(fā)現(xiàn)地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排還具有非常巨大的潛力可供挖掘。通過分析地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)的定風量變流量控制方式存在的缺陷和不足，提出了更為優(yōu)化的變風量變流量控制模型。采用這種優(yōu)化控制方式可以有效地提高地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的運行效率，并且可以大幅度地節(jié)約能源。還簡要分析了軌道排熱風機的節(jié)能優(yōu)化問題，在綜合監(jiān)控平臺上，將車站環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)同信號系統(tǒng)進行聯(lián)動，通過信號系統(tǒng)發(fā)給綜合監(jiān)控系統(tǒng)的列車運行信息控制排熱風機變頻器的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)排熱風機的節(jié)能減排。

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