蘇州地鐵1號線車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方案與應(yīng)用研究

貴州匯通華城股份有限公司 騫志彥 姜 博

1 引言

蘇州軌道交通1號線共設(shè)地下車站24座，各站點通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)構(gòu)成。其中大系統(tǒng)為車站公共區(qū)（站臺、站廳）的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，包括組合式空調(diào)箱、排熱風(fēng)機、全新風(fēng)機、小新風(fēng)機及相應(yīng)的風(fēng)道和各種風(fēng)閥組成等設(shè)備；小系統(tǒng)為車站設(shè)備管理用房的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，包括柜式風(fēng)機盤管、回排風(fēng)機等設(shè)備；水系統(tǒng)指為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)指用于提供冷源的冷源站設(shè)備，包括冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等設(shè)備。在各個站點中，其通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個站點總用電量的50%～60%，是站點的主要耗能設(shè)備。

通過對蘇州地鐵站點的負(fù)荷情況的分析發(fā)現(xiàn)，大系統(tǒng)的高負(fù)荷時段集中在早中晚上下班高峰期，在其余時間客流相對較少時，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷隨之降低；小系統(tǒng)針對設(shè)備管理用房，需24小時不間斷供冷，但在夜間僅用于消除設(shè)備的散熱負(fù)荷，對冷量需求也較小。因此，針對不同工作時段的負(fù)荷差異性和室外氣候變化所引起的負(fù)荷變化對空調(diào)大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和冷源站進(jìn)行優(yōu)化控制，可以有效提高通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的用能效率，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

本研究以蘇州地鐵1號線濱河路站和東方之門站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行了研究分析，并對節(jié)能效果進(jìn)行了總結(jié)，為蘇州地鐵1號通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供參考。

2 系統(tǒng)耗能分析

對于蘇州地鐵1號通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，其水系統(tǒng)僅在空調(diào)季運行，一年運行約6個月，而大系統(tǒng)全年均需運行，一年運行約12個月，通過對兩個實驗站點節(jié)能改造前實際能耗數(shù)據(jù)的抽樣采集分析，東方之門站和濱河路站各通風(fēng)空調(diào)主要設(shè)備運行耗電量分析見表1和表2：

表1 蘇州地鐵1號線東方之門站水系統(tǒng)全年運行能耗表

表2 蘇州地鐵1號線濱河路站全年水系統(tǒng)及大系統(tǒng)運行能耗表

根據(jù)以上統(tǒng)計計算，蘇州地鐵1號站東方之門站水系統(tǒng)運行耗電量約為53萬kW·h/年，濱河路站水系統(tǒng)及大系統(tǒng)運行耗電量約為68萬kW·h/年。因此如何降低地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，減少運營成本是軌道交通環(huán)控系統(tǒng)亟待解決的問題。

3 系統(tǒng)控制方案

本項目針對地鐵站通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)、水系統(tǒng)的運行特點及存在的問題，開展智能化節(jié)能控制技術(shù)研究，制定了以下系統(tǒng)控制方案。該控制方案為減少系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的相互干擾，將系統(tǒng)分為幾個相對獨立的環(huán)節(jié)來進(jìn)行控制，再由一個上層集中監(jiān)控平臺系統(tǒng)來完成各環(huán)節(jié)間的協(xié)調(diào)，降低調(diào)節(jié)算法的設(shè)計難度。

3.1 基于冷量供需匹配的冷凍水系統(tǒng)動態(tài)控制方案

系統(tǒng)根據(jù)冷凍水循環(huán)周期、歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)分析和室外濕球溫度檢測，動態(tài)預(yù)測“未來時刻”車站內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的變化趨勢，并以此計算冷凍水系統(tǒng)的優(yōu)化運行參數(shù)，對冷凍水流量“提前”進(jìn)行控制，有效解決了大時滯、大惰性的冷凍水系統(tǒng)控制滯后問題，不僅可消除冷量供給的“數(shù)量差”與“時間差”，實現(xiàn)了冷量的供需匹配，保證空調(diào)的舒適性，而且還消除了“大流量、小溫差”現(xiàn)象，有效降低輸送能耗，提高冷凍水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3.2 基于制冷系統(tǒng)效率最佳的冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化控制方案

系統(tǒng)自動實時建立制冷站在不同負(fù)荷率及濕球溫度條件下系統(tǒng)的能效比(COP)數(shù)據(jù)庫和自適應(yīng)模糊優(yōu)化算法模型，根據(jù)排熱負(fù)荷、氣候條件和系統(tǒng)特性，通過推理、計算出所需的冷卻水最佳溫度值TCm，并以此調(diào)節(jié)冷卻水泵變頻器的頻率及冷卻塔風(fēng)機的運行數(shù)量，動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量及冷卻塔的風(fēng)量，使冷卻水溫度逐漸趨近于TCm，從而保證空調(diào)制冷系統(tǒng)在任何條件下都處于系統(tǒng)效率最佳狀態(tài)運行，實現(xiàn)系統(tǒng)整體能耗最低。

3.3 基于能量預(yù)測的空調(diào)風(fēng)機模糊預(yù)期控制方案

在地鐵車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)“大系統(tǒng)”組合式空氣處理機組的控制中，為克服空氣的熱惰性和控制滯后，控制系統(tǒng)通過對系統(tǒng)各種工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)的采集，計算并記錄空氣處理機組的輸出能量趨勢序列，結(jié)合系統(tǒng)特性、循環(huán)周期、歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)及車站出入口的漏風(fēng)量等推理預(yù)測“未來時刻”系統(tǒng)的負(fù)荷，從而確定空氣處理機組的最佳運行參數(shù)，實現(xiàn)空調(diào)區(qū)域溫度的精確控制，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，最大限度的降低系統(tǒng)的能耗。

系統(tǒng)根據(jù)車站兩端回風(fēng)溫度的采集和比較，調(diào)節(jié)兩端空氣處理機組送風(fēng)機的運行頻率，以調(diào)節(jié)其送風(fēng)量，使車站兩端空調(diào)區(qū)域的溫度達(dá)到均衡。而回排風(fēng)機則采用跟隨送風(fēng)機頻率運行，使車站內(nèi)保持必要的微正壓。

3.4 基于總冷量與總負(fù)荷匹配的風(fēng)水協(xié)調(diào)控制方案

在系統(tǒng)的集中管理平臺中內(nèi)嵌風(fēng)水協(xié)調(diào)控制策略。系統(tǒng)首先會采集各個末端的負(fù)荷信息，并結(jié)合其自身歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行末端系統(tǒng)總負(fù)荷的推理預(yù)測，并將推理預(yù)測結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)冷凍水調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，冷凍水調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)結(jié)合系統(tǒng)管路損耗特性，并結(jié)合自身的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)完成對末端系統(tǒng)總負(fù)荷的修正，從而計算滿足末端需求和克服系統(tǒng)損耗條件下制冷站所需輸出的總冷量，并調(diào)節(jié)冷凍水泵頻率來滿足冷量的供給，以保證冷站供給與末端需求的一致。同時，在輸出與需求相匹配的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)再通過調(diào)整各末端空氣處理機組表冷器的冷凍水閥的開度，根據(jù)各末端子系統(tǒng)的實際負(fù)荷需要對冷量進(jìn)行動態(tài)分配，以保證在任何一個環(huán)節(jié)均不至于產(chǎn)生冷量浪費。以實現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運作，保持整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)始終處于最高效率點運行。

4 應(yīng)用效果分析

經(jīng)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，車站內(nèi)的實際熱負(fù)荷受客流量變化的影響因素較小，站內(nèi)熱負(fù)荷主要來源于混風(fēng)室新風(fēng)的補給與車站出入口的漏風(fēng)所帶入的外界熱負(fù)荷，因此在測試期間，當(dāng)室外溫度較低時開啟一套冷水機組測試，室外溫度高時開啟兩套冷水機組測試。

對于東方之門站，通過對兩種工況下多組測試數(shù)據(jù)的綜合處理，測試結(jié)果如表3所示：

表3 東方之門站節(jié)能測試數(shù)據(jù)表

以測試的系統(tǒng)節(jié)能率32.33%為基礎(chǔ)，結(jié)合東方之門站原系統(tǒng)年能耗數(shù)據(jù)，可計算出東方之門站的年節(jié)能量，如表4所示：

表4 東方之門站年節(jié)能量測算表

對于濱河路站，通過對兩種工況下多組測試數(shù)據(jù)的綜合處理，測試結(jié)果如表5所示：

表5 濱河路站節(jié)能測試數(shù)據(jù)表

以測試的系統(tǒng)節(jié)能率33.58%為基礎(chǔ)，結(jié)合濱河路站原系統(tǒng)年能耗數(shù)據(jù)，可計算出濱河路站的年節(jié)能量，如表6所示：

表6 濱河路站年節(jié)能量測算表

可見，無論是單獨對水系統(tǒng)進(jìn)行變流量控制，還是同時進(jìn)行水系統(tǒng)變流量和大系統(tǒng)變風(fēng)量控制，水系統(tǒng)的節(jié)能率均可達(dá)到30%以上，而大系統(tǒng)的節(jié)能率可接近50%，由于大系統(tǒng)需要全年運行，其設(shè)備功率雖小，但全年能耗仍然巨大，因此單單對水系統(tǒng)進(jìn)行變流量控制，節(jié)能潛力的挖掘有限，只有將大系統(tǒng)和水系統(tǒng)的節(jié)能控制有效結(jié)合，才可最大限度降低地鐵站點的能源消耗，大幅度降低運營成本，從而贏得較好的投資回報。

5 結(jié)束語

據(jù)調(diào)查，全國大部分地鐵車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)沒有采用先進(jìn)的節(jié)能控制技術(shù)，或只安裝了簡單的變頻裝置，本研究對變風(fēng)量及變水量控制方案進(jìn)行深入探討，并進(jìn)行了長期有效的詳細(xì)對比測試，通過分析比較得出：變風(fēng)量及變水量控制方式由于深入到了地鐵車站通風(fēng)空調(diào)的制冷主機、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、末端空氣處理系統(tǒng)及冷量分配系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)，通過相互間的協(xié)調(diào)工作，可實現(xiàn)對整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)節(jié)能潛力的最大挖掘，節(jié)能及控制效果遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)簡單變頻模式。

從本方案在試驗站點的應(yīng)用效果來看，系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、可靠，控制算法先進(jìn)、節(jié)能率高，系統(tǒng)COP得到了顯著提高，如果對本研究繼續(xù)深化完善，并在全國各站點全面推廣，將會給各地鐵運營公司帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，引領(lǐng)中國地鐵車站通風(fēng)空調(diào)控制技術(shù)的發(fā)展與變革。