夏熱冬冷地區(qū)地鐵車站通風空調系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)
——以匯金路站為例

肖賓杰，黃亮亮

（隧道股份上海城建設計集團，上海市 200125）

根據(jù)上海軌道交通運營線路的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，軌道交通地下車站的通風空調系統(tǒng)的能耗約占整個車站總用電量的50%～60%，在運營成本中占比較大[1，2]。為貫徹國家有關節(jié)約能源、保護環(huán)境的法規(guī)和政策，考慮提高空調的能源利用效率，優(yōu)化和改善夏熱冬冷地區(qū)軌道交通車站熱環(huán)境制冷系統(tǒng)設計，是地鐵節(jié)能的重要措施。

上海軌道交通17號線是中心城向青浦區(qū)輻射的放射線，是貫穿青浦區(qū)東西客運走廊的通道。線路全長約35.343 km。根據(jù)現(xiàn)有車站情況，單一車站年耗電量約130萬kWh，全線實施節(jié)能控制的預期節(jié)能效果顯著。

1 節(jié)能需求分析

夏熱冬冷地區(qū)主要指長江中下游及周圍區(qū)域，夏季悶熱，冬季濕冷，氣溫日較差小，地鐵系統(tǒng)需夏季防熱、通風降溫，冬季通風換氣。地鐵作為城市公共交通骨干網(wǎng)絡，承擔超過50%的交通疏導作用，同時是耗電大戶，其中通風空調系統(tǒng)耗電量占車站用電的30%～40%，節(jié)能措施顯得尤為重要。

暖通空調容量設計按照地鐵運行遠期最大負荷需求選擇，實際運營中負荷率低于50%的運行小時數(shù)占全部運行時間40%以上，若通風空調系統(tǒng)按照設計容量運行，必將造成很大能源浪費。目前，國內大部分地鐵車站暖通空調系統(tǒng)還沒有全部采用節(jié)能控制技術，分析地鐵車站空調系統(tǒng)功能需求，在保障地鐵環(huán)境質量的同時實現(xiàn)節(jié)能，可有效降低其能耗[4，5]。

地鐵車站立足以最優(yōu)化的設計，提供一個投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間。上海地處夏熱冬冷區(qū)域，基于現(xiàn)狀及運營和管理需求，車站在冬季保證換氣通風；夏季需要制冷和通風。

就能耗而言，地鐵暖通耗能達到總用能40%以上，以上海7號線嵐皋路站為例，空調季節(jié)車站暖通空調設備的月耗電量達到180 210 kWh，5個月空調季耗電量達到901 050 kWh；7個月通風季節(jié)的通風設備用能為396 480 kWh；根據(jù)該項統(tǒng)計，單一車站的通風空調系統(tǒng)耗電量月為130萬kWh[1-3]；結合地區(qū)氣候特點，研究車站制冷系統(tǒng)節(jié)能非常必要和迫切。若節(jié)能率提升10%，單個車站即可全年節(jié)能13萬kWh，按照上?，F(xiàn)有395座車站測算，全年節(jié)能5 135萬kWh，因此如何減少通風空調系統(tǒng)能耗具有突出意義，也是是軌道交通節(jié)能工作亟需解決的核心問題。

2 匯金路站通風空調節(jié)能控制要求

2.1 車站通風空調系統(tǒng)

匯金路站是17號線單體建筑面積規(guī)模最大的車站，呈東西走向布設于盈港東路下方，騎跨盈港東路與匯金路交叉路口，緊鄰青浦新城東片大社區(qū)。車站為地下一層側式車站，側站臺寬度7 m，中心里程SK17+995.310。車站總長度為471 m，總建筑面積26 263 m2，設4個出入口及4組風亭，見圖1。

圖1 匯金路站平面圖

城市軌道交通的車站包括地下車站及高架車站，設計重點在于地下車站的通風空調設計，以匯金路站為例包括車站站廳、站臺公共區(qū)通風空調及防排煙系統(tǒng)（大系統(tǒng)）；車站車行區(qū)隧道通風及防排煙系統(tǒng)，簡稱排熱系統(tǒng)；機電設備用房和人員管理用房的通風空調及防排煙系統(tǒng)（小系統(tǒng)）；空調水系統(tǒng)（水系統(tǒng)）。大系統(tǒng)通常采用全空氣一次回風中央空調系統(tǒng)，冷源通常采用螺桿式冷水機組。高架車站公共區(qū)一般自然通風，設備管理用房空調通常采用變制冷劑流量的多聯(lián)機空調系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 暖通空調制冷系統(tǒng)組成圖

根據(jù)現(xiàn)有設計方案，匯金路站采用的典型屏蔽門制式地鐵車站通風空調系統(tǒng)包含區(qū)間隧道通風系統(tǒng)、車站軌行區(qū)通風系統(tǒng)、車站公共區(qū)通風空調系統(tǒng)（大系統(tǒng)）、設備管理用房通風空調系統(tǒng)、制冷空調循環(huán)水系統(tǒng)。區(qū)間隧道通風系統(tǒng)由4臺軸流風機（TVF）組成，用于隧道區(qū)間通風、排煙。車站軌行區(qū)通風系統(tǒng)包含2臺軸流風機（UOF），列車停站排除列車制動和空調設備產(chǎn)生的余熱；火災時配合TVF風機用于排除隧道內煙氣和控制煙氣流向。車站公共區(qū)通風空調系統(tǒng)是一次回風雙風機系統(tǒng)，車站左右兩端對稱布置，包括組合式空調箱，回排風機和小新風機組成。正常運營時提供舒適環(huán)境的公共空間；當車站站廳或者站臺發(fā)生火災時，排除煙氣。設備管理用房通風空調系統(tǒng)分為空調系統(tǒng)和通風、排煙系統(tǒng)兩大類。制冷空調循環(huán)水系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)兩大部分組成。為車站空調箱提供空調冷凍水，滿足空調季各種工況的冷負荷要求。

以上系統(tǒng)中的冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、空調箱、送排風機等設備的總耗電量非常大，是時變動態(tài)系統(tǒng)，受季節(jié)、天氣、環(huán)境條件、客流量增減等多因素影響，始終波動變化。

2.2 車站通風空調系統(tǒng)節(jié)能需求

地鐵站通風空調系統(tǒng)運行中設備按照遠期負荷選擇與實際負荷不匹配；地鐵站通風空調系統(tǒng)的各系統(tǒng)還沒有整合成一個系統(tǒng)協(xié)同最優(yōu)化運行。

根據(jù)相關設計規(guī)范，除了設備管理用房通風空調系統(tǒng)以外，其它各系統(tǒng)的設備容量都是按30年后遠期最大客流計算選定，留有一定的余量。由于車站的負荷受早、晚高峰客流、室外氣溫等因素影響很大，一天的最大冷負荷的出現(xiàn)時間較短，車站通風空調系統(tǒng)多數(shù)時間在低負荷運行。制冷季節(jié)空調冷負荷多數(shù)時間比設計負荷低，供冷期間內負荷率小于50%的運行小時數(shù)一般約占全部運行時間的40%以上，車站通風空調系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大。

地鐵站通風空調系統(tǒng)節(jié)能，要求充分分析車站公共區(qū)通風空調系統(tǒng)不同工況下運行模式，依據(jù)室外溫度和焓值，調整風機和閥門運行狀態(tài)。雖然地鐵站通風空調各系統(tǒng)各自實現(xiàn)了自動控制，但是各系統(tǒng)之間并沒有真正實現(xiàn)聯(lián)動聯(lián)調，整個地鐵站通風空調的運行還需要專業(yè)人員統(tǒng)一調度運行。車站制冷空調循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能采用群控；公共區(qū)通風空調系統(tǒng)變頻控制，水系統(tǒng)和通風空調系統(tǒng)沒有建立協(xié)同聯(lián)動關系，不能實現(xiàn)整體最優(yōu)。尋找“風—水”系統(tǒng)的匹配和協(xié)同控制方法，有望提升節(jié)能率。

3 匯金路站通風空調系統(tǒng)節(jié)能控制設計方案

3.1 系統(tǒng)方案

通過已有節(jié)能改造車站的能量消耗分析；需從用能管理、節(jié)能控制、設備節(jié)能等三個角度，分析和考慮軌道交通車站的制冷系統(tǒng)節(jié)能，見圖3。

圖3 節(jié)能優(yōu)化分析圖

節(jié)能管理應提供實時能耗的信息和關鍵能和指標；節(jié)能控制利用天氣、客流、突發(fā)情況實時調整，采取主動負荷預測；基于風水系統(tǒng)動態(tài)模型，實時優(yōu)化以最小化過剩供給，并動態(tài)監(jiān)控設備運行效率。

3.2 系統(tǒng)構成

上海市軌道交通17號線項目公司根據(jù)申通地鐵集團要求，全線地下車站需要設置“風—水”聯(lián)調系統(tǒng)，匯金路站車站通風空調系統(tǒng)“風-水”聯(lián)動智能化控制系統(tǒng)的設計體現(xiàn)了“集中管理、分散控制”的控制思想，系統(tǒng)總體結構見圖4，采集實時設備能效數(shù)據(jù)，動態(tài)建模，自動更新，真實反映現(xiàn)場能耗狀況并實時控制并優(yōu)化確定設計方案：

“風-水”聯(lián)動控制平臺與變流量智能控制子系統(tǒng)、各變風量智能控制子系統(tǒng)、軌行區(qū)排熱風機智能控制節(jié)能子系統(tǒng)之間互相協(xié)作，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行。

同時，各控制子系統(tǒng)運行相對獨立，每個控制子系統(tǒng)應擁有一個獨立的中央控制器，可在現(xiàn)場控制柜上實現(xiàn)本地邏輯連鎖及保護控制，控制動作的執(zhí)行分散到各個控制柜上執(zhí)行，可有效避免因通信中斷、管理平臺失效等因素而造成系統(tǒng)控制失效的問題。

圖4 制冷控制系統(tǒng)圖

3.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

地鐵車站通風空調系統(tǒng)是的風系統(tǒng)與水系統(tǒng)互相影響，由于室內溫度控制對象是復雜的大滯后溫度對象，建模和精確控制困難。但通過控制各末端組合式空調換熱器的冷凍水閥可建立兩個獨立系統(tǒng)的聯(lián)系，實現(xiàn)風系統(tǒng)與水系統(tǒng)協(xié)調工作，以能量分配平衡的動態(tài)水力平衡控制冷水機組，見圖5。

圖5 “風-水”協(xié)同工作實現(xiàn)框圖[1]

中央空調主機運行效率隨冷卻水流量的增加、冷卻水溫度的降低而提高，而冷卻水流量的增加、冷卻水溫度的降低勢必需要冷卻水泵、冷卻風機消耗更多的電量，主機與冷卻水泵、冷卻風機能耗成上開口拋物線，拋物線的最低點為主機與冷卻系統(tǒng)能耗最低點，優(yōu)化冷卻水流量、溫度目標，可提高系統(tǒng)整體運行效率。風水耦合控制設計方案見圖6。

圖6 風水耦合控制設計方案

在系統(tǒng)末端控制中，大風量小流量、小風量大流量均能實現(xiàn)既定的負荷目標，以系統(tǒng)總能耗為目標。若末端負荷升高，系統(tǒng)回風溫度會高于目標設定值，需增大風量和水量，可采用加大的不同風量或水量的不同工況，通過分析不同工況下的能耗狀況，以功耗最低的組合為目標。

通過對系統(tǒng)各種工藝參數(shù)及設備參數(shù)的采集、計算并記錄處理機組的輸出能量，結合系統(tǒng)特性、循環(huán)周期、歷史負荷數(shù)據(jù)預測未來時刻系統(tǒng)的負荷，從而確定制冷量和送風量大小，從而使負荷需求與冷量供給的聯(lián)動，實時確保供端與需端的最佳匹配，減少產(chǎn)生的冷量浪費。通過回風溫濕度，計算負荷區(qū)域露點溫度，用于設定送風溫度，保證送風溫度在負荷區(qū)域露點溫度之上，不產(chǎn)生凝露，降低風機能耗。根據(jù)混風露點溫度，計算表冷器入口溫度最佳值，用于重設冷水機組出水溫度，在保證環(huán)境濕度要求邊界條件下，最大限度降低潛熱消耗，冷水機組出水溫度綜合考慮冷水機組的效率及空調箱風機的效率達到最佳平衡，從而實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)。

同時，火災聯(lián)動控制提高車站安全性；控制系統(tǒng)預留火災報警接入接口，并設置火災模式，當車站任何一個地方發(fā)生火災，控制系統(tǒng)切換至火災模式，并根據(jù)既定策略對系統(tǒng)內設備發(fā)出動作指令。結合火災聯(lián)動控制和節(jié)能控制的節(jié)能自動化控制設備見圖7。

圖7 節(jié)能自動化控制設備

設置能效管控平臺（見圖8）可對多個地鐵站運行狀態(tài)進行集中監(jiān)測和管理，管理人員可在能效管控平臺對各個站點設備進行統(tǒng)一管控，當一個車站某個設備發(fā)生故障時，會在滾動報警窗內進行報警，提示管理人員。全面獲取和分析全過程節(jié)能狀態(tài)信息和故障信息，利用手機APP，提高數(shù)據(jù)利用效率和便捷性。

圖8 全過程能效管控平臺展示圖

4 節(jié)能控制效果

針對溫度控制對象大滯后及建模困難特點，基于負荷預測的模糊控制、基于系統(tǒng)效率最佳的冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化控制實施后，系統(tǒng)就制冷控制的參數(shù)做優(yōu)化處理，利用風系統(tǒng)、水系統(tǒng)協(xié)同控制的節(jié)能自動化控制、全過程能效管控平臺，經(jīng)進化改進算法，在系統(tǒng)試運行階段運行良好。

節(jié)能測試對車站通風空調設備，采用本次活動措施后的節(jié)能控制和未采用節(jié)能措施（定流量、定風量方式運行）的能耗進行對比測試。在空調負荷基本相同，外部氣候條件相近條件下，將采用本次活動措施后的節(jié)能控制(對應變流量能耗)和未采用節(jié)能措施的定流量、定風量模式交替運行相同的天數(shù)，分別對能耗進行測試、記錄和對比，得到節(jié)能率。

在調試階段，對一組冷水機組通過對比測試，未采用節(jié)能措施的定流量、定風量模式月耗電量和節(jié)能模式的統(tǒng)計分析，采用專業(yè)化的節(jié)能優(yōu)化控制模型，自動跟蹤負荷變化，自動調節(jié)冷凍水、冷卻水流量、大系統(tǒng)風量，保持系統(tǒng)高效運行，最大限度挖掘節(jié)能空間，初期統(tǒng)計節(jié)能率為32%，達到較好節(jié)能效果，降低了車站通風空調系統(tǒng)運行能耗成本，提高系統(tǒng)長期運行的經(jīng)濟性。

5 結語

節(jié)能減排是全社會關注的關鍵問題，對軌道交通用能占比達到40～50%的暖通空調系統(tǒng)開展節(jié)能設計攻關意義突出。本文在已有的上海市軌道交通節(jié)能改造基礎上，以匯金路站為例開展節(jié)能優(yōu)化設計，設計成果已成功應用于上海軌道交通17號線全線，取得了較好的效果，基于控制理論的風系統(tǒng)、水系統(tǒng)聯(lián)控自動化節(jié)能控制，克服了因客流引起的負荷變化、環(huán)境溫濕度變化、設備影響等多種干擾因素，對有較大遲滯的溫度對象實現(xiàn)優(yōu)化控制，以基于負荷預測及反饋控制理論為核心的自動化節(jié)能控制方案可推廣至其他新建線路。