地鐵車站通風(fēng)空調(diào)智能控制系統(tǒng)的節(jié)能

張海尚

(長沙市軌道交通集團有限公司，410019，長沙//高級工程師)

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能實現(xiàn)調(diào)溫、除濕、送風(fēng)、排煙等功能，是地鐵良好環(huán)境的有力保障。不過，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗偏大,不利于節(jié)能。經(jīng)分析，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量一般根據(jù)地鐵運營的最大長期負荷需求來選擇，并保留一定的設(shè)計余量[1]。但在實際運行中，空調(diào)負荷往往達不到最大負荷，從而浪費了許多能量。利用通風(fēng)空調(diào)智能控制系統(tǒng),采用有效的節(jié)能控制策略，能降低地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，實現(xiàn)地鐵站空調(diào)系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)。

1 地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)概況

1.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的組成與作用

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由隧道通風(fēng)系統(tǒng)、公共區(qū)域通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(俗稱“大系統(tǒng)”)、車站內(nèi)管理機房和設(shè)備用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)(俗稱“小系統(tǒng)”)及空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)等組成[2]。

隧道通風(fēng)系統(tǒng)由活塞風(fēng)設(shè)備和機械通風(fēng)設(shè)備組成，可滿足各種隧道不同通風(fēng)模式的需求。大系統(tǒng)在正常運行時被用于公共區(qū)域車站大廳和站臺；當(dāng)發(fā)生事故時，大系統(tǒng)可迅速消除煙霧，保護乘客和工作人員快速疏散。小系統(tǒng)主要為運營管理人員提供舒適的工作環(huán)境，并提供設(shè)備正常運行所需的運行環(huán)境?？照{(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)主要為整個車站的大小系統(tǒng)末端設(shè)備提供冷源,其常以水作為冷源媒價，因而又稱“空調(diào)水系統(tǒng)”。

各系統(tǒng)之間相互合作，不僅為乘客提供了安全、衛(wèi)生、舒適的乘車環(huán)境，也為員工提供了良好的工作環(huán)境。此外，一旦車站發(fā)生火災(zāi)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)還將承擔(dān)排煙氣的工作，協(xié)助車站內(nèi)人員撤離，避免人員發(fā)生煙霧中毒[3]。

1.2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的特點

地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備較多，且相互影響，是綜合性多變量多參數(shù)的系統(tǒng)。其特點如下：

(1) 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占地鐵能耗總量的比例大，一般占25%～35%，在南方占比超過35%。地鐵站需應(yīng)對客流高峰時刻的高負荷情況，又要滿足客流低峰期的部分負荷情況。因此,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按最大空調(diào)負荷選擇，在部分負荷時依然高效運行。

(2) 車站內(nèi)的熱源波動很大。熱源波動與客流量和室外天氣有密切關(guān)系。車站內(nèi)的熱源參數(shù)隨著城市、客流量和時間段的不同而變化。

(3) 地鐵車站內(nèi)部的熱源與空間具有正比關(guān)系。這與其他交通工具不同，對大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng)提出了更高的要求。

(4) 地鐵車站是地下工程，其空間具有一定的封閉性，需要有更高的安全措施。

(5) 地鐵車輛在非屏蔽門車站充當(dāng)活塞完成車站的活塞風(fēng)通風(fēng)。在采用屏蔽門的車站，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)對通風(fēng)功能提出了更高的要求[4]。

基于以上特點，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)需配置合適的控制系統(tǒng)，以提高其系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。

1.3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗

由空調(diào)水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的裝機容量，可計算出地下車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗[5]。本文以長沙地鐵1號線某地下標準站為例，主要研究地鐵車站水系統(tǒng)與大系統(tǒng)的節(jié)能運行。案例車站采用中央空調(diào)，其通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)按每年制冷季運行5個月、通風(fēng)季節(jié)運行7個月計算?？照{(diào)水系統(tǒng)的設(shè)備裝機容量見表1，大系統(tǒng)的設(shè)備裝機容量見表2。

由表1、表2可知，該地鐵車站空調(diào)水系統(tǒng)裝機容量為378 kW,大系統(tǒng)裝機容量為111 kW?？梢?地鐵站空調(diào)系統(tǒng)的能耗巨大，需對空調(diào)水系統(tǒng)與大系統(tǒng)在不同運行模式下的能耗數(shù)據(jù)進行分析，從而通過其智能控制系統(tǒng)采取合理的節(jié)能措施。

表1 案例車站的通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備裝機容量

表2 案例車站大系統(tǒng)設(shè)備裝機容量

2 系統(tǒng)的節(jié)能措施及節(jié)能效果

圖1為案例車站通風(fēng)空調(diào)智能控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖。通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，將運行特點相同的設(shè)備歸類。

圖1 地鐵通風(fēng)空調(diào)智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

2.1 水系統(tǒng)的節(jié)能措施及節(jié)能效果

2.1.1 冷水主機節(jié)能措施及節(jié)能效果

案例車站設(shè)2臺冷水機組。冷水機組負荷按最大負荷設(shè)計，并預(yù)留了一定的余量。對冷水主機，可采用提高主機冷凍水出水溫度(即蒸發(fā)溫度)或降低冷凝溫度(即冷卻水溫度)來節(jié)能。

圖2為提高蒸發(fā)溫度來節(jié)能的溫-熵(T-S)圖。圖2中，主機蒸發(fā)溫度升高前能耗為A+B，主機蒸發(fā)溫度升高后能耗為A，節(jié)能量為B。由圖2可知，在相同制冷量下，提高主機的蒸發(fā)溫度可降低主機能耗[6]。蒸發(fā)溫度越高，主機節(jié)能越明顯。

圖3為降低主機冷凝溫度來節(jié)能的T-S圖。圖3中，主機冷凝溫度降低前能耗為C+D，主機冷凝溫度降低后能耗為D，節(jié)能量為C。由圖3可知，在相同制冷量下，降低主機冷凝溫度，可降低主機能耗。冷凝溫度越低，主機節(jié)能越明顯。

因此，該站冷水主機節(jié)能控制單元根據(jù)冷水主機的負載狀態(tài)，動態(tài)調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，從而實現(xiàn)主機節(jié)能。其動態(tài)調(diào)節(jié)根據(jù)負載情況，在低負荷時自動減載，在高負荷時自動加載，以避免負荷不匹配造成的能源浪費。當(dāng)主機負荷率為85%、冷凝溫度為30 ℃時，主機能耗與蒸發(fā)溫度的關(guān)系見圖4。當(dāng)主機負荷率為85%、蒸發(fā)溫度為7 ℃時，主機能耗與冷凝溫度的關(guān)系見圖5。

圖3 降低冷凝溫度前后能耗對比圖

圖4 主機能耗與蒸發(fā)溫度的關(guān)系

圖5 主機能耗與冷凝溫度的關(guān)系

由圖4可見，當(dāng)主機負荷一定時，隨著蒸發(fā)溫度的升高，主機能耗下降。蒸發(fā)溫度每升高1 ℃，主機能耗就降低約6.0%。當(dāng)蒸發(fā)溫度升高到9 ℃時，主機能耗減少率趨于平穩(wěn)。此時，升高蒸發(fā)溫度的節(jié)能效果有限。由圖5可見，主機負荷一定時，隨著冷凝溫度的降低，主機的能耗下降，冷凝溫度每下降1 ℃，主機能耗就降低約1.7%。當(dāng)冷凝溫度降低到32 ℃時，主機能耗減少率趨于平穩(wěn)。此時，降低冷凝溫度的節(jié)能效果有限。

2.1.2 冷凍水控制系統(tǒng)節(jié)能措施及節(jié)能效果

案例車站的冷凍水系統(tǒng)設(shè)置了2臺冷凍水泵，為車站末端提供冷量輸送。通過調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)閥，可改變經(jīng)末端設(shè)備的流量；采用冷凍水泵變頻，可改變冷水機組蒸發(fā)器的流量，使冷水機組保持最佳供冷狀態(tài)，冷凍水的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)滿足冷凍水下限流量的要求。

地鐵車站冷凍水控制子系統(tǒng)包括冷凍水泵智能控制子系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及末端執(zhí)行設(shè)備等。冷凍水節(jié)能控制單元可根據(jù)站內(nèi)負荷需求動態(tài)調(diào)整水泵頻率；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能采集溫度、壓力、流量的實時值和歷史值。執(zhí)行設(shè)備根據(jù)數(shù)據(jù)采集參數(shù)和站內(nèi)負荷需求來動態(tài)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。冷凍水節(jié)能控制單元對冷凍水系統(tǒng)全面調(diào)節(jié)時，能進行實時記錄:首先，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立負荷預(yù)測數(shù)據(jù)庫;然后，通過將歷史數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相對比分析，預(yù)測車站冷量需求；最后,根據(jù)車站冷量需求對冷凍水系統(tǒng)進行變頻控制，變頻范圍可在40%～100%范圍內(nèi)調(diào)整，可實現(xiàn)較好的節(jié)能潛力。

案例車站地處長沙。4～5月時，室外溫度很低、空氣濕度較小，故冷水主機負荷小、能耗少，冷凍水系統(tǒng)大部分時間處于部分負荷運行，整體節(jié)能率較高。6～9月時，室外溫度普遍較高，冷凍水系統(tǒng)負荷率多為85%～95%，其穩(wěn)定性和安全性應(yīng)重點保障；冷凝系統(tǒng)具有有限的節(jié)能空間。10～11月時，室外溫度降低，冷凍水系統(tǒng)負荷率普遍為40%～60%，有較大節(jié)能空間，其節(jié)能率回升。可見，對于整個制冷季(6～10月)來說，冷凍水系統(tǒng)都有一定的節(jié)能空間，可全過程通過冷凍水控制子系統(tǒng)的精確節(jié)能措施，來實現(xiàn)節(jié)能最大化。經(jīng)統(tǒng)計,于制冷季,案例車站冷凍水泵在工頻工況下的累計耗電量為130.0 kW，在變頻工況下的累計耗電量為77.5 kW?？梢?，變頻工況能節(jié)約能量52.5 kW。

2.1.3 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能措施原理及節(jié)能效果

案例車站冷卻水系統(tǒng)設(shè)置了2臺冷卻水泵和2臺冷卻塔。冷卻水系統(tǒng)的效率對整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)影響重大[8]。在某一負荷率和溫度下，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的主機、水泵及風(fēng)機的能耗同冷卻水平均溫度的關(guān)系可繪成功耗-溫度圖(見圖6)。

圖6 冷卻水系統(tǒng)功耗-溫度圖

由圖6可知，冷水機組的能耗同冷卻水泵及冷卻風(fēng)機的能耗成反比關(guān)系。冷卻水平均溫度降低，其冷水機組能耗隨之降低，而冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機能耗卻隨之增加。由總能耗曲線可見，當(dāng)冷卻水溫度為最佳溫度Tcm點時，冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機的總能耗最低。

冷卻水系統(tǒng)采用的冷卻水節(jié)能控制單元，能實時采集冷卻水系統(tǒng)的進出水溫度、主機負荷率、冷卻水泵耗電量、冷卻塔耗電量和主機耗電量等數(shù)據(jù)；能根據(jù)實時的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，并實時計算冷卻水最佳溫度點Tcm；還能以Tcm作為冷卻水節(jié)能控制單元的控制參數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)冷凍水泵轉(zhuǎn)速和冷卻塔臺數(shù)，從而實現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)最大化節(jié)能。

在制冷季，冷凍水泵在變頻工況下的累計耗電量為163 kW，在工頻工況下的累計耗電量為86 kW?？梢?，變頻工況能節(jié)約能量77 kW。

2.2 大系統(tǒng)節(jié)能措施及節(jié)能效果

該地鐵車站大系統(tǒng)設(shè)有2臺組合式空調(diào)機組和2臺回/排風(fēng)機，均設(shè)置在車站的兩端。組合式空調(diào)機組先將室外的新風(fēng)和站臺、站廳的回風(fēng)通過混風(fēng)箱進行混合；然后，將混合風(fēng)經(jīng)過表冷器冷卻到送風(fēng)狀態(tài)點；最后，送風(fēng)入站臺及站廳。

傳統(tǒng)定風(fēng)量的大系統(tǒng)設(shè)計，是按最大負荷選擇的，不能完全滿足部分負荷的需求。而在實際運行過程中，大系統(tǒng)大部分時間為部分負荷(負荷率為25%～75%)運行。當(dāng)實際熱濕負荷小于滿負荷狀態(tài)時，傳統(tǒng)定風(fēng)量大系統(tǒng)只能通過減小送風(fēng)溫差來維持站內(nèi)溫度不變。這存在很大的能源浪費，不符合能源梯度利用原則。當(dāng)站內(nèi)負荷達到最大負荷時，由于設(shè)備選型會偏大，故通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為能排出多余風(fēng)量，其風(fēng)機有很大的能耗浪費。

為滿足節(jié)能需要，大系統(tǒng)控制單元采用了變風(fēng)量系統(tǒng)，其組合式空調(diào)箱風(fēng)機和回/排風(fēng)機均增加變頻功能。大系統(tǒng)節(jié)能控制有通風(fēng)季和制冷季兩種模式。兩種模式均需要滿足3個條件：① 保證地鐵站內(nèi)溫度低于30 ℃；② 滿足站內(nèi)人員的最小新風(fēng)量；③ 站內(nèi)最小換氣次數(shù)大于5次。在通風(fēng)季，大系統(tǒng)控制單元根據(jù)站內(nèi)溫度、CO2濃度、換氣次數(shù)等參數(shù)，選擇風(fēng)閥模式，對送風(fēng)機進行變頻調(diào)節(jié)；為維持室內(nèi)正壓，回/排風(fēng)機與送風(fēng)機同步變頻，以實現(xiàn)節(jié)能。通風(fēng)季(11月～次年5月)的大系統(tǒng)設(shè)備耗電情況見表3。

表3 通風(fēng)季大系統(tǒng)設(shè)備的耗電情況

3 結(jié)語

采用通風(fēng)空調(diào)智能控制系統(tǒng)，能對空調(diào)水系統(tǒng)和大系統(tǒng)進行優(yōu)化分析，并根據(jù)系統(tǒng)特點采取相應(yīng)的節(jié)能控制措施，既能使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行，滿足各種工況的使用要求，又能實現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的最大化節(jié)能，從而實現(xiàn)降低地鐵站運營成本和科學(xué)管理的目標。

具體節(jié)能措施為：一定范圍內(nèi)，提高蒸發(fā)溫度及降低冷凝溫度,均可提高主機效率。制冷季通過冷凍水泵及冷卻水泵變頻,可以達到很好的節(jié)能效果。全年采用空調(diào)箱風(fēng)機變頻及回排風(fēng)機變頻可以大大節(jié)約電能。