南寧地鐵1號線通風空調(diào)系統(tǒng)風水聯(lián)動節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)用研究

南寧軌道交通集團有限責任公司 李 軍 周 航貴州匯通華城股份有限公司 楊 欣南寧軌道交通集團有限責任公司 王 旭

0 引言

地鐵作為城市公共交通的大動脈，對國民經(jīng)濟發(fā)展起著重要的促進作用，同時也是耗電大戶。南寧地鐵1號線共設(shè)地下車站25座，各站點通風空調(diào)系統(tǒng)由大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)構(gòu)成，其中通風空調(diào)系統(tǒng)電耗約占總用電量的40%～50%，是車站的主要耗能設(shè)備，因此，通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能顯得尤為重要。在工程設(shè)計時，通風空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量一般按地鐵運行遠期最大負荷確定，并預留一定的設(shè)計余量[1-2]。然而，通過對南寧地鐵站點負荷的分析發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備實際運行過程中，空調(diào)負荷往往達不到最大負荷，甚至會小很多，存在較大的富余量。若地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)按設(shè)計容量長期運行，勢必會造成很大的能源浪費。

南寧地鐵1號線車站的通風空調(diào)系統(tǒng)原設(shè)計沒有采用先進的節(jié)能控制技術(shù)，其水系統(tǒng)完全采用工頻模式運行，大系統(tǒng)雖然安裝了變頻設(shè)備，但也僅僅根據(jù)操作人員的經(jīng)驗對設(shè)備的運行頻率進行手動設(shè)置。本文以南寧地鐵1號線麻村站的通風空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，對其水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的控制方案進行研究分析，采取行之有效的風系統(tǒng)與水系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，在保障地鐵環(huán)境質(zhì)量的同時，有效降低了地鐵車站空調(diào)通風系統(tǒng)的運行能耗。對節(jié)能效果進行了總結(jié)分析，供已運營地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造及新線建設(shè)參考。

1 通風空調(diào)系統(tǒng)耗能現(xiàn)狀分析

以南寧地鐵1號線麻村站通風空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，對其水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)進行應(yīng)用研究。該站空調(diào)水系統(tǒng)和大系統(tǒng)中主要受控設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 南寧地鐵1號線麻村站受控設(shè)備參數(shù)

南寧市空調(diào)系統(tǒng)運行時間通常為5—11月。根據(jù)對南寧地鐵1號線麻村站2019年運行電量記錄數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，各主要通風空調(diào)設(shè)備運行耗電量統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 空調(diào)季節(jié)通風空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備2019年運行能耗 kW·h

2) 節(jié)能改造前1#冷水機組存在一定的問題，導致2#冷水機組的運行時間相對較長，因此表中“環(huán)控三級負荷2設(shè)備”的實測總能耗遠大于“環(huán)控三級負荷1設(shè)備”的實測總能耗。

3) 由于節(jié)能改造前大系統(tǒng)沒有獨立的計量電表，因此表中大系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)為推算而來，其值等于環(huán)控二級負荷A端(或B端)設(shè)備的實測能耗減去A端(或B端)小系統(tǒng)的計算能耗；由于小系統(tǒng)沒有變頻，且在空調(diào)季每天24 h不間斷運行，為確保推算結(jié)果的準確性，小系統(tǒng)能耗為每臺設(shè)備的實測瞬時功耗與月運行總時間的乘積。

4) 節(jié)能改造前，大系統(tǒng)已安裝變頻器，但變頻器頻率無法自動調(diào)節(jié)，僅由操作人員手動設(shè)置,因此推算所得大系統(tǒng)能耗與按額定功率計算的理論能耗間存在一定偏差。

根據(jù)表2統(tǒng)計結(jié)果，南寧地鐵1號線麻村站通風空調(diào)大系統(tǒng)及水系統(tǒng)空調(diào)季運行耗電量約為81萬kW·h/a。

南寧地鐵1號線開通運行僅3年左右時間，若通風空調(diào)系統(tǒng)無法根據(jù)負荷需求實時調(diào)節(jié)控制，必然造成極大的能源浪費。按照南寧市地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，目前南寧地鐵已運營車站有79座，遠期將達到200座左右，且已運營通風空調(diào)系統(tǒng)大部分都沒有采用先進的節(jié)能控制技術(shù)，因此，如何引入高效的節(jié)能控制技術(shù)與設(shè)備，降低通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗，減少運營成本是南寧地鐵節(jié)能工作亟待解決的問題。

2 系統(tǒng)控制原理

風水聯(lián)動技術(shù)以對地鐵站內(nèi)通風空調(diào)水系統(tǒng)和大系統(tǒng)設(shè)備的自動化控制及管理為手段，將智能控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)集合應(yīng)用于地鐵站點的環(huán)境控制和能源管理中，實現(xiàn)通風空調(diào)設(shè)備的高效運行，系統(tǒng)自動化程度高，可實現(xiàn)全系統(tǒng)無人值守、一鍵操作、全系統(tǒng)運行工藝參數(shù)的存儲與分析、系統(tǒng)能效的分析評價等，控制效果穩(wěn)定，實現(xiàn)了風系統(tǒng)與水系統(tǒng)的共同節(jié)能，能創(chuàng)造出較好的節(jié)能效益。

2.1 全日逐時負荷預測

對于地鐵車站，其負荷主要分為兩類：內(nèi)部負荷與外部負荷。其中，外部負荷主要受室外氣候變化所影響，而內(nèi)部負荷主要受設(shè)備發(fā)熱和人體散熱所影響。對于一個已建成的地鐵車站，其主要設(shè)備的發(fā)熱量基本固定，因此引起內(nèi)部負荷變化的主要因素為客流量的變化。因此，可以根據(jù)系統(tǒng)歷史負荷情況及室外環(huán)境溫度的變化趨勢，對當前的全日逐時負荷進行預測，為系統(tǒng)的開機、加減機策略及基于負荷預測的控制策略提供數(shù)據(jù)支撐，在水系統(tǒng)冷量供給與末端負荷需求間進行協(xié)調(diào)聯(lián)動，即通過對系統(tǒng)末端負荷的預測分析來決定冷水機房需制備并向末端輸送的冷量，使其與末端的需求實時匹配，避免過度制冷帶來的能源浪費。

2.2 冷水機組出水溫度動態(tài)調(diào)節(jié)控制

對于冷水機組的出水溫度，常見為7 ℃的固定出水溫度控制，或由操作人員根據(jù)當前末端的溫度按經(jīng)驗手動調(diào)整以降低冷水機組的能耗。該控制方法自控能力差，控制效果有限。在末端除濕(潛熱負荷、濕負荷)需求減少時，在滿足末端顯熱負荷需求的前提下，提高冷水機組的出水溫度，從而提高冷水機組的運行效率，可以降低空調(diào)系統(tǒng)中高能耗設(shè)備(冷水機組)的運行能耗；在末端除濕需求增大時，降低冷水機組的出水溫度，滿足末端環(huán)境的舒適性需求，從而實現(xiàn)末端空調(diào)箱表冷器換熱特性與冷水機組出口溫度再設(shè)定間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，可以降低系統(tǒng)的總體能耗。

2.3 基于負荷預測的冷水控制

地鐵空調(diào)負荷具有多變性。在部分負荷時，冷水系統(tǒng)常常在大流量、小溫差狀態(tài)下運行，造成冷水泵輸送能耗的浪費。因此，根據(jù)負荷的變化動態(tài)調(diào)節(jié)冷水系統(tǒng)流量，對降低空調(diào)系統(tǒng)能耗具有十分重要的意義。

控制系統(tǒng)通過負荷預測確定空調(diào)末端的總負荷需求后，便可知道冷源站需要向末端輸配的冷量，再根據(jù)冷水機組的當前出水溫度及系統(tǒng)當前最佳溫差，即可得到滿足末端負荷需求的冷水流量。結(jié)合系統(tǒng)循環(huán)周期，以該預期流量為控制目標調(diào)節(jié)冷水泵的頻率，使實際流量趨近于預期流量，便可提高冷水泵的輸送系數(shù)，降低冷水泵的輸送能耗。

2.4 基于系統(tǒng)效率最佳的冷卻水系統(tǒng)控制

目前常見的冷卻水調(diào)節(jié)方法為固定溫差或固定冷卻水出水溫度控制，該控制方法僅考慮了冷卻水泵或冷卻塔的能耗，控制不當反而會使冷水機組的能耗上升。主機效率與冷卻水溫度相關(guān)，在一定范圍內(nèi)降低冷卻水溫度，有利于提高主機效率、減少主機能耗，但降低冷卻水溫度，將導致冷卻水泵和冷卻塔的能耗升高。因此，必須將主機能耗、冷卻水泵能耗、冷卻塔風機能耗三者統(tǒng)一考慮[2]。

在制冷環(huán)節(jié)中，在不同負荷率、不同室外濕球溫度下，均存在一個最佳的兩器(冷凝器、蒸發(fā)器)溫差，使得系統(tǒng)中冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔的綜合能耗最低。而兩器溫差受室外環(huán)境濕球溫度及冷卻水供回水溫差影響。該項目通過自動漫步尋優(yōu)控制，通過系統(tǒng)自我學習進化，自動尋找系統(tǒng)綜合能耗最低條件下的冷卻塔最佳出水溫度(即逼近溫度)、冷卻水的最佳供回水溫差(即冷幅)，來實現(xiàn)對冷卻水泵頻率及冷卻塔風機頻率的控制，保證整個制冷系統(tǒng)的能耗最低。

2.5 公共區(qū)空調(diào)風機控制

根據(jù)公共區(qū)實際負荷及動態(tài)計算所得系統(tǒng)循環(huán)周期，對末端空調(diào)箱風機及回排風機的頻率進行動態(tài)調(diào)節(jié)，使公共區(qū)溫度接近標準規(guī)定的值，避免公共區(qū)溫度過低帶來的能源費用的不必要增加。

通過對新風比焓和回風比焓的對比分析，在滿足公共區(qū)CO2濃度不超標的情況下，以充分利用低比焓空氣為原則，對新風閥、回風閥、排風閥進行有效控制，降低對冷源的消耗。

2.6 冷水機組能效在線分析

通過對冷水機組安裝能效分析裝置，采集并計算主機冷水進/出口溫度、冷卻水進/出口溫度、冷水流量、機組實時功率、耗電量及制冷量等運行參數(shù)，并對冷水機組的能效進行實時計算分析，最終生成實際運行工況下冷水機組的能效分布表，從而可以確定在任何一種工況下開哪一臺冷水機組更節(jié)能，在多大的負荷率下進行加機(或減機)更節(jié)能，為系統(tǒng)開關(guān)機、增減機提供數(shù)據(jù)支撐。

2.7 表冷器水閥的控制

大系統(tǒng)表冷器水閥根據(jù)空調(diào)箱送風溫度進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)目標為使空調(diào)箱實際送風溫度趨近于設(shè)定值；而對于小系統(tǒng)，由于受現(xiàn)場條件制約，柜式空調(diào)機組及回、排風機均未加裝變頻設(shè)備，因此對其表冷器水閥根據(jù)回風溫度進行控制，最終由系統(tǒng)按照盡量降低管路阻力的原則進行全局動態(tài)水力調(diào)節(jié)，以降低冷水的運載能耗。

1) 若空調(diào)末端所有表冷器水閥均未開到最大，且所有水閥開度相同，則將所有水閥全開，降低管路阻力，從而降低冷水泵頻率。

2) 若空調(diào)末端所有表冷器水閥均未開到最大，且水閥開度不同，則將其中開度最大的水閥全開，降低管路阻力，從而降低冷水泵頻率。

3) 若空調(diào)末端已有表冷器水閥開到最大，則不進行“修正”。

2.8 新風量控制

由于小新風機功率較小，未進行變頻改造，因此在空調(diào)季僅采用了模式控制，即通過對公共區(qū)二氧化碳濃度、新風比焓及回風比焓的比較計算，自動使系統(tǒng)工作于最小新風模式或全新風模式，以降低高比焓新風帶來的能源浪費。

1) 當站內(nèi)二氧化碳體積分數(shù)大于1 200×10-6或室外新風比焓小于回風比焓時，直接啟用全新風模式，打開全新風閥，關(guān)閉小新風機及小新風閥。

2) 當站內(nèi)二氧化碳體積分數(shù)小于1 200×10-6，且新風比焓大于回風比焓時，啟用最小新風模式，關(guān)閉全新風閥，開啟小新風機及小新風閥，降低室外高比焓新風帶來的冷源消耗。

從實際運行效果來看，測試期間基本運行在最小新風工況，且公共區(qū)的二氧化碳體積分數(shù)基本在650×10-6以下，即使在早晚高峰期，二氧化碳體積分數(shù)也未超過650×10-6。

3 應(yīng)用效果分析

試驗車站通風空調(diào)系統(tǒng)改造后可運行在非節(jié)能模式和節(jié)能模式，為確保數(shù)據(jù)具有可對比性，進行了為期6 d的節(jié)能對比測試，非節(jié)能模式和節(jié)能模式各運行3 d。測試期間各天實際運行模式如表3所示。

表3 空調(diào)季通風空調(diào)系統(tǒng)測試模式

由于2020年9月8日至9月9日2 d夜間車站進行停電檢修，故這2 d各采集08：00—22：00共14 h運行數(shù)據(jù)進行對比。其余各模式下每天采集24 h數(shù)據(jù)進行對比。

現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，測試期間各天站內(nèi)的實際熱負荷受客流量變化的影響較小，站內(nèi)熱負荷主要來源于混風室新風的補給與車站出入口的漏風所帶入的外界熱負荷，測試期間室外濕球溫度分布如圖1所示。

圖1 測試期間室外濕球溫度分布

由圖1可見，第5天(節(jié)能模式)與第6天(非節(jié)能模式)近似，第3天(節(jié)能模式)與第2天(非節(jié)能模式)近似，第1天(節(jié)能模式)與第4天(非節(jié)能模式)近似，因此按室外濕球溫度近似原則分為3組數(shù)據(jù)進行對比分析，以提高分析結(jié)果的可信度，分組情況如表4所示。

表4 系統(tǒng)節(jié)能測試對比分組

節(jié)能改造方案對大系統(tǒng)及水系統(tǒng)的每臺設(shè)備均安裝了電能表，用于計量各設(shè)備的能耗，并為節(jié)能優(yōu)化算法提供數(shù)據(jù)支持，測試期間記錄的各類設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及系統(tǒng)制冷量如表5所示。

表5 各類設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)及系統(tǒng)制冷量 kW·h

通過對2種工況下為期6 d的多組測試數(shù)據(jù)進行綜合處理，各控制模式的節(jié)能對比如表6所示，能效對比如表7所示。

表6 各控制模式的能耗及節(jié)能率對比

由表7可見，在室外環(huán)境溫度相近的情況下，節(jié)能模式下的制冷量小于非節(jié)能模式下的制冷量，這是由于在節(jié)能模式下，冷水機組采用了變出水溫度控制，在確保站內(nèi)環(huán)境滿足要求的情況下，系統(tǒng)會根據(jù)實際需求提高冷水機組的出水溫度，從而避免過度除濕帶來的冷量消耗，為系統(tǒng)提供了更大的節(jié)能空間，并進一步提高了冷水機組及系統(tǒng)的效率。

表7 各控制模式的能效對比

由表6可見，通過對比測試，系統(tǒng)綜合節(jié)能率可達到42.8%，可大幅度降低運營成本，從而贏得較好的投資回報。由表7可見，采用風水聯(lián)動節(jié)能措施后，相對于非節(jié)能模式，冷水機房能效提升了22.9%，通風空調(diào)系統(tǒng)綜合能效比提升了30%，系統(tǒng)運行能效得到了大幅提升。

4 對小系統(tǒng)的影響分析

對于南寧地鐵1號線麻村站，冷源供冷范圍包含大系統(tǒng)和小系統(tǒng)。由于改造受現(xiàn)場條件的制約，小系統(tǒng)柜式空調(diào)機組及回、排風機均未加裝變頻設(shè)備，因此小系統(tǒng)無法進行變風量調(diào)節(jié)，風水聯(lián)動系統(tǒng)僅通過調(diào)節(jié)表冷器水閥來控制小系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量。小系統(tǒng)控制效果如圖2所示。

圖2 小系統(tǒng)控制效果

由于小系統(tǒng)表冷器水閥采用的是回風溫度控制，而非送風溫度控制，存在較大的惰性，因此在系統(tǒng)調(diào)試時，對水閥開度進行了下限鎖定，以降低由于系統(tǒng)的大惰性特性帶來的調(diào)節(jié)不穩(wěn)定性，避免引起溫度的過大波動，但從圖2來看，即使在節(jié)能模式下，部分房間的溫度仍遠低于設(shè)計溫度27 ℃。

因此，在條件允許的情況下，若將小系統(tǒng)風機也加裝變頻裝置，納入自動調(diào)節(jié)，還可進一步挖掘節(jié)能潛力，另外，該項目閥門開度下限及調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)定也還有進一步優(yōu)化的空間。

5 結(jié)論

1) 車站通風空調(diào)系統(tǒng)風水聯(lián)動控制技術(shù)的實現(xiàn)，有效解決了地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)這種復雜、非線性、時變性、難以用傳統(tǒng)理論建模的系統(tǒng)的控制問題。

2) 車站風水聯(lián)動控制體現(xiàn)了集中管理、分散控制的理念，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤、在線調(diào)節(jié)、智能推理等功能，可根據(jù)環(huán)境及負荷的變化快速擇優(yōu)選擇系統(tǒng)的運行參數(shù)，確保車站通風空調(diào)系統(tǒng)高效運行。

3) 節(jié)能模式與非節(jié)能模式應(yīng)用效果的對比測試表明，風水聯(lián)動控制技術(shù)的節(jié)能效果較好，可大幅度降低運營成本，且系統(tǒng)能效得到了大幅提升。

4) 該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、節(jié)能效果良好。同時，該項技術(shù)的成功應(yīng)用，為地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制模式提供了可行、可靠的技術(shù)支撐。