在線診斷保障地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)健康運(yùn)行

常晟

同方節(jié)能工程技術(shù)有限公司

近年來，我國軌道交通行業(yè)高速發(fā)展，地鐵成為許多城市的公共交通主動脈。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，其健康運(yùn)行對于營造衛(wèi)生，舒適的車站環(huán)境及降低地鐵運(yùn)行總能耗均有重要影響。業(yè)內(nèi)對地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了多方面的研究，包括正常工況下如何通過設(shè)備更新[1-2]、控制策略優(yōu)化[3]等方法降低運(yùn)行能耗。疫情防控工況下如何調(diào)整運(yùn)行模式、保證足夠的新風(fēng)量等。本文則關(guān)注更基礎(chǔ)的問題：如何保障系統(tǒng)及其中各個設(shè)備的健康運(yùn)行。這里的“健康”，指系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行在正常的狀態(tài)和合理的工作點上。

1 在線診斷的提出

筆者所在團(tuán)隊對國內(nèi)數(shù)條地鐵線路進(jìn)行了實測調(diào)研，發(fā)現(xiàn)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在實際運(yùn)行過程中存在很多“小問題”，例如組合風(fēng)閥故障（自控系統(tǒng)要求運(yùn)行全新風(fēng)或小新風(fēng)模式，但組合風(fēng)閥的實際閥位可能并未到位）、風(fēng)力不平衡（站廳與站臺溫度不一致）、冷卻塔換熱效率低（導(dǎo)致冷機(jī)效率低）等。與設(shè)備停機(jī)等大故障不同，“小問題”易隱蔽、難識別，在日常巡檢中往往被忽視，卻會對車站的衛(wèi)生、舒適、節(jié)能帶來長期的不利影響，可謂“小問題、大影響”。因此，無論采用何種運(yùn)行優(yōu)化方案或策略，均需建立在系統(tǒng)健康運(yùn)行的基礎(chǔ)上，這就要求及時識別實際運(yùn)行中的“小問題”。

在車站BAS（自動化）系統(tǒng)中，實時監(jiān)測并記錄了大量的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。一些車站還安裝了能源管理系統(tǒng)，監(jiān)測了各設(shè)備的用電能耗。這些數(shù)據(jù)對于識別通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行問題具有重要價值，可是目前僅僅被儲存在電腦中，沒有得到充分地挖掘利用。Nakahara[4]等提出了基于數(shù)據(jù)的節(jié)能診斷方法，但主要是針對樓宇冷凍站系統(tǒng)，對于地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中常見的問題覆蓋不夠。且仍主要依靠人工分析，在線自診斷的內(nèi)容不多。

本文擬提出基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在線診斷思路，希望能夠充分挖掘數(shù)據(jù)潛力，及時識別設(shè)備運(yùn)行問題，保障系統(tǒng)健康運(yùn)行。根據(jù)此方法開發(fā)的在線診斷系統(tǒng)，應(yīng)用于實際車站中，取得了良好的診斷效果。

2 在線診斷的對象及其特點

在線診斷的對象為地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和冷源，主要設(shè)備見表1。大系統(tǒng)包括A 端和B 端，各負(fù)責(zé)一側(cè)站廳和站臺的環(huán)境控制，通常各包括1 臺送風(fēng)機(jī)、1 臺回排風(fēng)機(jī)、1 套組合風(fēng)閥等。小系統(tǒng)包括若干臺組合式空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組，負(fù)責(zé)輔助用房的環(huán)境控制。冷源包括制冷機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔以及分集水器等設(shè)備。

表1 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備清單

3 傳感器增補(bǔ)

地鐵車站BAS 系統(tǒng)包括豐富的傳感器，如送風(fēng)溫濕度、回風(fēng)溫濕度、新風(fēng)溫濕度；冷凍水總供水溫度、總回水溫度、總流量。冷卻水總供水溫度、總回水溫度、總流量；設(shè)備啟停狀態(tài)、頻率狀態(tài)、閥位開度等。這些數(shù)據(jù)為在線診斷提供了良好的基礎(chǔ)，只需增補(bǔ)少量的傳感器，即可滿足在線診斷的需求。通常需要增補(bǔ)的傳感器包括：

1）站廳、站臺和輔助房間的溫濕度、CO2濃度傳感器。對于在線診斷來說，不僅需要獲得總回風(fēng)參數(shù)，還要監(jiān)測各個區(qū)域的參數(shù)。大系統(tǒng)方面，可在站廳、站臺吊頂各均勻布置8～10 臺傳感器，小系統(tǒng)方面，可沿風(fēng)管走向選擇3～5 個房間布置傳感器。建議采用無線多合一傳感器以避免繁瑣的布線工作?？紤]到溫度在垂直方向上的分布，可通過實地測試的方式得到吊頂溫度相對于人行區(qū)域溫度的大致修正系數(shù)。

2）各臺冷機(jī)的冷凍水、冷卻水路安裝獨(dú)立的供回水溫度傳感器。

3）各臺冷機(jī)的冷凍水流量傳感器。替代方案為：各臺冷機(jī)蒸發(fā)器兩端安裝壓差傳感器，因蒸發(fā)器阻力固定，現(xiàn)場一次性測試?yán)鋬鏊髁亢蛯?yīng)的蒸發(fā)器壓差后，在監(jiān)測過程中可根據(jù)變化的蒸發(fā)器壓差反推冷機(jī)冷凍水流量。

4）空氣處理單元的混風(fēng)段溫濕度傳感器。

5）各設(shè)備的電動率計。若車站安裝了能源管理系統(tǒng)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可通過通訊方式從該系統(tǒng)中獲得，否則則需補(bǔ)充安裝。

4 在線診斷系統(tǒng)架構(gòu)

在線診斷系統(tǒng)通過現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和分布式控制技術(shù)，建立完善的指標(biāo)管理體系，實現(xiàn)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的健康運(yùn)行。該系統(tǒng)基于B/S 架構(gòu)（即瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)）進(jìn)行開發(fā)，由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、展示應(yīng)用層組成，形成了站、線、網(wǎng)三級架構(gòu)組成的軌道交通在線診斷系統(tǒng)（圖2）。根據(jù)用戶需求可實現(xiàn)車站，線路和全網(wǎng)的布局，從而靈活的適應(yīng)不同級別管理者的管理和決策需求。

圖2 在線診斷系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 在線診斷指標(biāo)體系的設(shè)計

在線診斷的核心是一套指標(biāo)。這些指標(biāo)對應(yīng)于地鐵車站通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行中的常見問題，通過指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值（或標(biāo)準(zhǔn)范圍）的對比，指標(biāo)在時間軸上的變化，指標(biāo)與其他車站相同指標(biāo)的對比，可發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中存在的問題。在線診斷軟件采集數(shù)據(jù)（采樣的時間步長為5 分鐘），根據(jù)給定的算法自動計算指標(biāo)（指標(biāo)計算的時間步長為1 小時），指標(biāo)值異常則向運(yùn)行人員提示可能存在的問題，并給出檢查建議，幫助運(yùn)行人員現(xiàn)場確診問題。

指標(biāo)主要有幾種類型：1）環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，包括空調(diào)區(qū)域平均溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、區(qū)域溫度與平均溫度之差、相對濕度、CO2濃度等，通過對環(huán)境控制效果的考評分析潛在的問題。2）風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，包括大系統(tǒng)送回風(fēng)溫差與風(fēng)機(jī)頻率交叉分析指標(biāo)、新回風(fēng)比指標(biāo)、風(fēng)機(jī)效率等，考評分析大系統(tǒng)和小系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、組合風(fēng)閥的運(yùn)行情況。3）冷源運(yùn)行指標(biāo)，包括冷凍水供回水溫差日間與夜間對比分析指標(biāo)、冷機(jī)熱力完善度與負(fù)荷率綜合分析指標(biāo)（文獻(xiàn)[5]中的DCOP）、冷卻塔群換熱效率指標(biāo)等，考評分析冷源系統(tǒng)運(yùn)行情況。4）傳感器故障指標(biāo)，判斷可能存在的傳感器故障、漂移。

下面以幾個例子說明：

1）大系統(tǒng)空調(diào)區(qū)域平均溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、區(qū)域溫度與平均溫度之差指標(biāo)

大系統(tǒng)空調(diào)區(qū)域平均溫度作為主要控制目標(biāo)，其指標(biāo)用于診斷大系統(tǒng)是否存在冷量供應(yīng)過度或不足的情況。指標(biāo)值為大系統(tǒng)兩端回風(fēng)溫度在1 小時之內(nèi)的平均值。若此值低于設(shè)定值1.5 ℃以上，則系統(tǒng)報警并提示運(yùn)行人員依次檢查：該時段冷機(jī)是否運(yùn)行在最低臺數(shù)、大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行在最低頻率、冷凍水水閥閥位和冷凍泵頻率是否命令值和實際值均在低限。若其中某項命令值不在低限，例如風(fēng)機(jī)頻率不在低限，因要求BAS 負(fù)責(zé)人檢查控制邏輯是否存在問題。若命令值在低限但實際值不在，例如冷凍水水閥閥位的命令值在低限但實際全開，則該項存在故障。反之，若1 小時之內(nèi)站廳、站臺的平均溫度低于設(shè)定值1.5 ℃以上，則系統(tǒng)提示檢查上述內(nèi)容的命令值是否運(yùn)行在高限。

大系統(tǒng)空調(diào)區(qū)域溫度標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)考察是否存在不均勻的情況，指標(biāo)值等于站廳、站臺各溫度傳感器示值的標(biāo)準(zhǔn)差在1 小時內(nèi)的平均值。若此值差大于1 ℃，系統(tǒng)提示運(yùn)行人員進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)平衡檢查。

區(qū)域溫度與平均溫度之差指標(biāo)考察各區(qū)域是否存在過熱、過冷問題，指標(biāo)值等于該區(qū)域溫度傳感器示值與各區(qū)域溫度平均值之差的絕對值。若此值在1 ℃以上，系統(tǒng)提示現(xiàn)場復(fù)核該區(qū)域溫度并進(jìn)行局部風(fēng)平衡調(diào)節(jié)。

2）新回風(fēng)比指標(biāo)

在線診斷系統(tǒng)實時監(jiān)測得到每臺空氣處理單元的新風(fēng)溫濕度、回風(fēng)溫濕度和混風(fēng)段空氣溫濕度，可得新風(fēng)焓值hfa，回風(fēng)焓值hra和混風(fēng)焓值hma，則由式（1）可計算得到新風(fēng)比α（新風(fēng)量與總風(fēng)量之比）。

在常見的運(yùn)行策略中，組合風(fēng)閥（包括新風(fēng)閥、排風(fēng)閥和混風(fēng)閥）在室外新風(fēng)有利時，運(yùn)行全新風(fēng)模式，即新風(fēng)閥和排風(fēng)閥全開（開度為100%），混風(fēng)閥關(guān)閉，此時α應(yīng)等于1。在室外新風(fēng)不利時，運(yùn)行小新風(fēng)模式，即新風(fēng)閥和排風(fēng)閥角開（開度為10%），混風(fēng)閥全開，此時α應(yīng)較小，在10%到30%之間。根據(jù)BAS 系統(tǒng)發(fā)出的指令可知當(dāng)前時刻的新風(fēng)模式，若某一小時內(nèi)模式為全新風(fēng)，α值小于80%。或模式為小新風(fēng)，α值大于30%，則在線診斷系統(tǒng)提示組合風(fēng)閥可能存在故障，實際閥門開度與命令值不符，建議運(yùn)行人員現(xiàn)場檢查閥門開度。

3）冷卻塔群換熱效率指標(biāo)

冷卻塔群整體換熱效率這個指標(biāo)，可用于分析車站冷卻塔的工作狀態(tài)。系統(tǒng)監(jiān)測得到冷卻水總管的上塔溫度tinw和出塔溫度toutw，以及外界環(huán)境的濕球溫度twb?？捎墒剑?）得到冷卻塔群換熱效率指標(biāo)值：

該指標(biāo)的判斷有兩種方法。第一種方法，將指標(biāo)值與該車站所選品牌型號冷卻塔的曲線相對比，此時需要知道外界濕球溫度（已測出）和冷卻塔群的整體風(fēng)水比，后者需要初始測試并錄入各臺冷卻塔風(fēng)量以及各種冷機(jī)開啟臺數(shù)組合（通常只有單臺冷機(jī)開啟、兩臺冷機(jī)開啟兩種情況）下的冷卻水流量，并通過冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率（如變頻）和冷卻泵頻率（如變頻）計算得到，較為繁瑣。第二種方法，在該指標(biāo)明顯偏低時報警，譬如可設(shè)定當(dāng)該指標(biāo)低于60%時報警，提示運(yùn)行人員檢查冷卻塔群“停風(fēng)不停水”、冷卻塔翅片狀態(tài)、冷卻塔布水狀態(tài)等問題。

6 實際診斷案例

根據(jù)本文所述內(nèi)容，筆者研發(fā)了在線診斷軟件，在基礎(chǔ)的能源管理功能上，增加了通過運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行在線診斷的功能。軟件應(yīng)用于我國北方某城市的一個典型車站中。界面如圖3 所示。

圖3 車站通風(fēng)空調(diào)在線診斷系統(tǒng)界面

軟件調(diào)試完畢并運(yùn)行一周后，系統(tǒng)報警5 項，其中經(jīng)實地檢測認(rèn)定無效報警3 項，有效報警2 項。有效的兩項為：

小系統(tǒng)（附屬房間）溫度標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)報警。系統(tǒng)提示運(yùn)行人員檢查小系統(tǒng)風(fēng)平衡情況，根據(jù)提示，用手持溫度計和風(fēng)速儀對各附屬房間進(jìn)行溫度和風(fēng)量測試，發(fā)現(xiàn)小系統(tǒng)存在設(shè)備房間風(fēng)量過高、調(diào)度室風(fēng)量過低的問題。對房間出風(fēng)口風(fēng)閥進(jìn)行調(diào)試后，該問題得到明顯改善，緩解了調(diào)度室溫度偏高的問題。

冷卻塔群換熱指標(biāo)報警（圖4）。該指標(biāo)值僅為50%，根據(jù)系統(tǒng)提示運(yùn)行人員對冷卻塔進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)存在明顯的冷卻塔布水不勻問題，一側(cè)水流過大，另一側(cè)無水（圖5）。經(jīng)調(diào)試后該指標(biāo)值恢復(fù)正常。

圖4 冷卻塔指標(biāo)提示

圖5 冷卻塔布水不勻

7 小結(jié)

在地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的日常運(yùn)行中，一方面存在著很多小問題，帶來長期的不利影響。另一方面BAS 等系統(tǒng)中豐富的運(yùn)行數(shù)據(jù)卻沉睡在電腦中，沒有被充分挖掘利用。本文提出的思路，在現(xiàn)有傳感器的基礎(chǔ)上，增加少量傳感器，通過軟件自動計算指標(biāo)，判斷可能存在的運(yùn)行問題。判斷的結(jié)果有可能是不準(zhǔn)確的，需要現(xiàn)場實地檢查，但至少為運(yùn)行人員及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行小問題提供了智能的助力。本文給出幾個指標(biāo)算例和實際診斷結(jié)果供業(yè)界同仁參考，更多的診斷指標(biāo)和內(nèi)容可面向服務(wù)的系統(tǒng)對象設(shè)計。