地鐵車站公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制策略探討

李 俊

（深圳達實智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

目前地鐵廣泛地投入各個城市，其作為地下為主的有軌交通系統(tǒng)，不受地面道路情況的影響，能夠快速、安全、舒適地運送乘客。地鐵乘客運載效率高，具有良好的社會效益。截至2017年12月，中國大陸建成投運地鐵的城市已達31個，百余條地鐵線路，運營線路增多、客流持續(xù)增長。

地鐵各個監(jiān)控系統(tǒng)制式存在多元化，其中通風空調(diào)系統(tǒng)是地鐵的重要組成部分,也是耗能大戶，在結(jié)構(gòu)設計、控制策略方面都體現(xiàn)了各家所長。通風空調(diào)系統(tǒng)設計指標一般以系統(tǒng)的60%供應能力滿足日常運營需求進行設計的，若不進行有效控制和調(diào)節(jié)，容易導致環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設備使用能耗過高或是過低的不良狀態(tài)，如何根據(jù)運營工況使空調(diào)系統(tǒng)運行在合理范圍值內(nèi)是通風空調(diào)系統(tǒng)的重點研究課題。本文根據(jù)目前一些線路通風空調(diào)系統(tǒng)運營情況進行分析和總結(jié)，對幾種控制策略進行闡述和分析。

1 通風空調(diào)對象分析

1.1 系統(tǒng)組成

地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)包括隧道通風系統(tǒng)、車站公共區(qū)空調(diào)通風系統(tǒng)(簡稱大系統(tǒng))、車站設備管理用房通風空調(diào)系統(tǒng)(簡稱小系統(tǒng))、車站空調(diào)水系統(tǒng)(簡稱水系統(tǒng))[1]。

隧道系統(tǒng)主要針對列車運營中隧道通風換氣，與水系統(tǒng)無關聯(lián)，且隧道風機除早晚通風外基本處于停止狀態(tài)，排熱風機根據(jù)列車數(shù)量等狀況做調(diào)節(jié)，有一定的定值性;小系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)雖與水系統(tǒng)有關聯(lián)性，但由于整體處理較為封閉狀態(tài)，且功率普遍較低，在控制實現(xiàn)上相比較大系統(tǒng)容易的多;因此隧道系統(tǒng)與小系統(tǒng)都不在本文的主要研究對象內(nèi)。大系統(tǒng)主要服務對象為車站公共區(qū)，直接服務于乘客對象，設備數(shù)量多且功率大，無論是從節(jié)能角度，還是從乘客舒適環(huán)境角度都需要有一個穩(wěn)定的、可靠的運行狀態(tài)[2]。

1.2 水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)

水系統(tǒng)作為冷源產(chǎn)生端，主要節(jié)能對象為冷水機組、冷動泵、冷卻泵、冷卻塔、二通調(diào)節(jié)閥等，二通調(diào)節(jié)閥作為與通風系統(tǒng)冷源的閘門，提供給通風系統(tǒng)的最終冷量大小由二通閥的開度大小決定。水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)組成見圖1水系統(tǒng)工藝流程簡易圖。

圖1 水系統(tǒng)工藝流程簡易圖

冷水系統(tǒng)由冷水機組循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)組成，3個系統(tǒng)之間相對獨立，主要的功能都為溫度的轉(zhuǎn)移，同時也受到整體調(diào)控[3]。水系統(tǒng)管路設計、通風系統(tǒng)的管路設計對調(diào)節(jié)效果的好壞也起到一定的作用[4]。

1.3 風系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)

通風系統(tǒng)作為空調(diào)末端設備，主要節(jié)能對象由組合式空調(diào)風機、調(diào)節(jié)風閥等設備組成，其基本結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 通風系統(tǒng)工藝流程簡易圖

根據(jù)運營需求分別設計了手動控制模式、焓值控制模式、時間表控制模式、時間與焓值功能結(jié)合的自動控制模式。焓值控制通過室外焓值iw、室外溫度Tw、車站回風焓值ir、車站回風溫度Tr、車站送風溫度To等數(shù)值的采集、計算、比較決定通風運行工況。大系統(tǒng)通風的常規(guī)模式，空調(diào)工況與非空調(diào)工況主要依據(jù)水系統(tǒng)是否運行而定;火災工況作為災害工況不做節(jié)能調(diào)節(jié);停運模式為收車后將通風空調(diào)系統(tǒng)耗能設備進行停止運行，各運行工況如表1所示[5]。

表1 車站公共區(qū)通風工況模式表

2 控制策略

通過以上對通風空調(diào)系統(tǒng)的介紹，根據(jù)組成環(huán)節(jié)的不同，可分為4種控制方式：由BAS集成的控制系統(tǒng)；水系統(tǒng)與通風系統(tǒng)互聯(lián)；水系統(tǒng)策略決定通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)；通風系統(tǒng)策略決定水系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

通風系統(tǒng)除通過PID進行風機變頻、風閥變開度控制外，還能通過根據(jù)焓值判斷，進行季節(jié)工況模式切換（如空調(diào)季節(jié)全新風、小新風模式切換），以實現(xiàn)最優(yōu)運行工況，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

2.1 由BAS集成的控制系統(tǒng)

由BAS系統(tǒng)集成所有空調(diào)與通風設備，將這些設備作為單體對象進行區(qū)域化整合，BAS系統(tǒng)集成節(jié)能環(huán)節(jié)系統(tǒng)如圖3所示。優(yōu)點：可自由的進行任意組合；缺點：關聯(lián)性考慮因素較多。

圖3 BAS系統(tǒng)統(tǒng)一集成節(jié)能環(huán)節(jié)系統(tǒng)圖

所有節(jié)能環(huán)節(jié)作為BAS的獨立對象時，采取區(qū)域整合，或是順序關聯(lián)邏輯都可以實現(xiàn)。普遍的方式是根據(jù)車站環(huán)境工況，將通風系統(tǒng)節(jié)能設備進行對象組合（圖3中通風系統(tǒng)部分虛框），水系統(tǒng)節(jié)能設備進行對象組合（圖3中水系統(tǒng)部分虛框），根據(jù)車站總體通風模型，同時作用于兩個組合對象，控制方式跟水系統(tǒng)與通風系統(tǒng)互聯(lián)的方式較相近。

2.2 水系統(tǒng)與通風系統(tǒng)互聯(lián)

通風系統(tǒng)設備作為單體對象由BAS系統(tǒng)直接控制，水系統(tǒng)通過自身的調(diào)節(jié)系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互[6]，兩個系統(tǒng)交互系統(tǒng)如圖4所示。優(yōu)點：具有一定的獨立性，以完成自身專業(yè)系統(tǒng)設計指標為導向，可發(fā)揮兩個專業(yè)在節(jié)能領域的特長。缺點：信息交互數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性將直接影響整個調(diào)節(jié)效果。

通風系統(tǒng)動作：根據(jù)焓值計算切換對應工況模式，根據(jù)送風溫濕度傳感器溫度值與設計溫度值進行比較，當出現(xiàn)偏差時改變風機的轉(zhuǎn)速，來調(diào)整風量輸出的大小，其控制模型如圖5所示。

水系統(tǒng)動作：根據(jù)設定的出水溫度進行恒溫調(diào)解。由于水系統(tǒng)3個主要制冷環(huán)節(jié)存在一定的獨立性，可以根據(jù)各自的工藝目標值進行調(diào)節(jié)，也可以通過整體參數(shù)的分配，進行系統(tǒng)化調(diào)節(jié)。

互聯(lián)動作：當通風系統(tǒng)在根據(jù)變化速率以及長時間無法達到指定設定溫度時，向水系統(tǒng)請求增加二通調(diào)節(jié)閥閥體開度，從而調(diào)整冷量輸出范圍。

圖4 水系統(tǒng)與通風系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

圖5 通風系統(tǒng)控制流程示意圖

2.3 水系統(tǒng)策略決定通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)

通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)設備直接或間接地由水系統(tǒng)進行控制，通風系統(tǒng)其余設備影響模式控制動作，其控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。優(yōu)點：可充分發(fā)揮水系統(tǒng)的節(jié)能策略；缺點：存在一定的調(diào)節(jié)滯后性。

圖6 水系統(tǒng)控制通風系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)圖

該模式中通風系統(tǒng)主要維持通風模式運行，調(diào)節(jié)設備控制權(quán)交由水系統(tǒng)控制。水系統(tǒng)在實現(xiàn)恒溫供水的同時，根據(jù)供回水的溫差以及分析通風系統(tǒng)設備的供冷情況，漸進式變化通風系統(tǒng)節(jié)能設備的調(diào)節(jié)范圍，減少對水系統(tǒng)的擾動量。通過通風系統(tǒng)的變化反饋作為水系統(tǒng)輸入調(diào)節(jié)參數(shù)，重新調(diào)整二通調(diào)節(jié)閥開閥，制冷設備運行頻率，直至最終滿足通風冷量需求。

2.4 風系統(tǒng)策略決定水系統(tǒng)調(diào)節(jié)

通風系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境值完成模式動作后，向水系統(tǒng)發(fā)出冷量需求命令[7]，其控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。優(yōu)點：通風系統(tǒng)的模式工況可同樣作用于水系統(tǒng)；缺點：存在一定的制冷滯后性。

通風系統(tǒng)在完成風量控制情況下，結(jié)合過程中溫度的變化率，向水系統(tǒng)提出冷量需求，并通過水系統(tǒng)的制冷率將控制命令直接作用于水系統(tǒng)制冷主要環(huán)節(jié)對象，使冷量供給滿足運營需求。

圖7 通風系統(tǒng)控制水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)圖

3 結(jié)語

以上4種控制方式為目前主要的控制模式，存在各自的優(yōu)缺點。一般通過區(qū)域化組合，形成有機能的控制環(huán)，控制方式的先后順序并非完全確定，可根據(jù)自身的調(diào)節(jié)思路進行調(diào)整，但都需充分考慮和發(fā)揮各環(huán)節(jié)的效能，通過合理的參數(shù)分配達到真正的節(jié)能效果，同時在各個環(huán)節(jié)充分利用負荷預測，對控制策略進行提前干預，在充分考慮調(diào)節(jié)效能的同時，滿足環(huán)境的舒適性[8]。目前冷水系統(tǒng)和通風系統(tǒng)各自的集成度非常高，單一系統(tǒng)的節(jié)能效果也非常明顯，水系統(tǒng)根據(jù)供水溫度進行節(jié)能控制，通風系統(tǒng)根據(jù)車站回風溫度進行節(jié)能控制，只需考慮交互數(shù)據(jù)中請求調(diào)節(jié)量的合理值傳遞，采用通風系統(tǒng)與水系統(tǒng)互聯(lián)方案無論從工程實施效率和實現(xiàn)節(jié)能效果都非常顯著。