地鐵車站通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)改造相關(guān)技術(shù)研究

徐深 牛洪海 陳霈

摘 要：地鐵車站環(huán)控的主要目標(biāo)是使車站環(huán)境保持在設(shè)計文件規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，保證車站大系統(tǒng)的舒適性以及各空調(diào)小系統(tǒng)房間的正常溫度。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為車站各機(jī)電系統(tǒng)中的能耗大戶，常規(guī)的定頻定流量系統(tǒng)不利于各個設(shè)備發(fā)揮出最佳能效，易造成資源浪費，同時缺乏對環(huán)境舒適度的調(diào)節(jié)手段。文章針對傳統(tǒng)車站通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)改造的方案進(jìn)行研究，保證火災(zāi)聯(lián)動安全可靠，優(yōu)化系統(tǒng)配置，并給出調(diào)節(jié)策略改進(jìn)方向，為改善車站環(huán)境，提高能源利用率做出進(jìn)一步探索。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;通風(fēng)空調(diào);控制系統(tǒng);改造;技術(shù)研究

中圖分類號：U231.5

預(yù)計到2020年末，中國城市軌道交通運營線路長度將超過8 000 km。無論是運營線路長度還是在建項目規(guī)模都位居世界前列。以某城市軌道交通為例，其線網(wǎng)用能已經(jīng)逼近2億度，車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能源消耗成本約占運營直接成本的30%以上，成為節(jié)能降本的焦點之一。傳統(tǒng)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)由環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）和冷源群控系統(tǒng)2部分組成，實現(xiàn)對環(huán)境的調(diào)節(jié)和機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控，在異常工況下保證空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)備按照預(yù)案進(jìn)行相應(yīng)動作，從而保證車站環(huán)境安全。本文通過對比分析2種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，給出調(diào)節(jié)策略改進(jìn)方向。

1 現(xiàn)狀及問題

傳統(tǒng)地下車站配有一套群控系統(tǒng)以完成對冷源系統(tǒng)的監(jiān)控，并與BAS系統(tǒng)進(jìn)行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。BAS系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，冷源群控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制冷源系統(tǒng)，2套系統(tǒng)割裂運行導(dǎo)致設(shè)備運行工況不合理，系統(tǒng)能耗增加，影響環(huán)境舒適度，主要表現(xiàn)如下：

（1）“源”與“荷”不匹配，供冷過剩;

（2）采用人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)運行，管控粗放，影響效率;

（3）設(shè)備運行狀態(tài)不合理，影響系統(tǒng)整體效率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)狀問題，需要對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行全過程優(yōu)化調(diào)控，控制調(diào)節(jié)對象貫穿冷源系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行全過程。由于傳統(tǒng)地下車站的BAS系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)分開設(shè)立，BAS系統(tǒng)又兼顧災(zāi)害工況下通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)急聯(lián)動，兩者之間的配合關(guān)系一直是相關(guān)改造項目的難點之一。下面提出2種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并分析其優(yōu)缺點。

2.1 方案 1

該方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按照調(diào)節(jié)功能和啟停功能將設(shè)備接口歸屬分開設(shè)立，如圖1所示?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)中的公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)和設(shè)備區(qū)通風(fēng)空調(diào)的工頻監(jiān)控接口由既有BAS系統(tǒng)接入，保持BAS系統(tǒng)對這2區(qū)通風(fēng)空調(diào)的工頻操作不變;當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等異常情況時，BAS系統(tǒng)能夠通過工頻監(jiān)控回路向公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)和設(shè)備區(qū)通風(fēng)空調(diào)發(fā)送工頻啟動指令，保證空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動控制的完整性和可靠性。

公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)除工頻接口外，還包含風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)接口和二通閥開度調(diào)節(jié)接口，二者由節(jié)能控制系統(tǒng)直接接入，其根據(jù)室內(nèi)外的溫濕度、車站的冷負(fù)荷情況，綜合計算得出調(diào)節(jié)指令并直接下發(fā)至對應(yīng)設(shè)備執(zhí)行，通過風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)接口改變公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)送風(fēng)量，通過二通閥開度調(diào)節(jié)接口改變送風(fēng)溫度，從而完成對環(huán)境參數(shù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)。冷源系統(tǒng)設(shè)備由節(jié)能控制系統(tǒng)完成監(jiān)控。

2.2 方案 2

方案2充分利用原BAS系統(tǒng)與各設(shè)備的接口，如圖2所示。該方案保持通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備接口歸屬不變，即公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)的工頻監(jiān)控接口、風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)接口以及二通閥開度調(diào)節(jié)接口仍由BAS系統(tǒng)負(fù)責(zé)接入，冷源系統(tǒng)設(shè)備由節(jié)能控制系統(tǒng)統(tǒng)一接入，系統(tǒng)優(yōu)化分析統(tǒng)一由節(jié)能控制系統(tǒng)完成。

節(jié)能控制系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互通，前者接收BAS系統(tǒng)采集到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，同時根據(jù)室內(nèi)外的溫濕度、車站的冷負(fù)荷情況，綜合計算得出調(diào)節(jié)指令，將公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)風(fēng)機(jī)頻率設(shè)定值和二通閥開度設(shè)定值經(jīng)過共享網(wǎng)絡(luò)傳遞給BAS系統(tǒng)，后者借助與各設(shè)備已有接口將指令下發(fā)至具體設(shè)備執(zhí)行;冷源系統(tǒng)設(shè)備的頻率調(diào)節(jié)、機(jī)組投切、自動順控等邏輯由節(jié)能控制系統(tǒng)直接完成并下發(fā)到具體設(shè)備。

2.3 配置比較

方案1的節(jié)能優(yōu)化調(diào)節(jié)功能接口和職責(zé)劃分明確，但為確保系統(tǒng)功能接口的獨立性，會導(dǎo)致部分傳感器和控制箱的重復(fù)配置，并且地下站A、B端距離較遠(yuǎn)，需要為遠(yuǎn)端環(huán)控機(jī)房的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備單獨配置一套遠(yuǎn)程輸入輸出（IO）柜，將增加施工量及實施成本。

方案2利用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺，節(jié)能控制系統(tǒng)可通過此網(wǎng)絡(luò)共享獲取BAS系統(tǒng)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)而無須增配傳感器和控制回路。此方案適用于在前期設(shè)計階段就將空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)作為整體統(tǒng)一進(jìn)行考慮的場合，尤其適用于二者同時進(jìn)行改造的項目。

2種方案在傳感器、控制箱配置等方面存在的差異如表1所示。

由表1可知，方案2對既有傳感器和設(shè)備接口的利用率最高，系統(tǒng)資源更加優(yōu)化，從而避免了部分硬件設(shè)備的重復(fù)配置。

3 權(quán)限切換及災(zāi)害聯(lián)動

上述方案通過節(jié)能控制系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)的配合可以實現(xiàn)對冷源系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制。在節(jié)能控制方式下，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制權(quán)限均歸屬于節(jié)能控制系統(tǒng)，設(shè)備的調(diào)節(jié)指令統(tǒng)一由節(jié)能控制系統(tǒng)計算得出并分發(fā)，而BAS系統(tǒng)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)等異常情況時，BAS系統(tǒng)通過共享網(wǎng)絡(luò)告知節(jié)能控制系統(tǒng)，節(jié)能控制系統(tǒng)在接收上述信息后立即由節(jié)能優(yōu)化調(diào)節(jié)模式切出，改為BAS控制方式，由BAS系統(tǒng)統(tǒng)一執(zhí)行事故通風(fēng)排煙模式指令。節(jié)能控制和BAS控制2種方式下權(quán)限切換的具體數(shù)據(jù)采集和控制流程如圖3所示。

4 調(diào)節(jié)策略建議

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)策略作為影響車站環(huán)境指標(biāo)和能耗高低的重要一環(huán)，是相關(guān)改造項目的難點之二?；谲囌经h(huán)控系統(tǒng)的普遍現(xiàn)狀，給出調(diào)節(jié)策略的改進(jìn)方向如下。

4.1 過渡季通風(fēng)調(diào)節(jié)

影響地鐵車站站廳站臺空氣質(zhì)量的主要污染物為CO2，在過渡季期間，通風(fēng)系統(tǒng)運行的主要目的是引入新風(fēng)，保證公共區(qū)域CO2的濃度在安全范圍內(nèi)，滿足地鐵設(shè)計規(guī)范1.5‰以下和室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1‰以下的要求。

車站CO2實測的濃度普遍較低，在不改變車站通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備配置的情況下，需要對風(fēng)機(jī)開啟策略進(jìn)行調(diào)整，充分利用出入口的自然滲透風(fēng)降低風(fēng)機(jī)平均開啟臺數(shù)，而風(fēng)機(jī)的運行頻率可根據(jù)車站CO2、溫度指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。采用上述調(diào)節(jié)策略后，在滿足車站環(huán)境指標(biāo)的前提下能夠降低機(jī)械送風(fēng)量，有利于減少通風(fēng)系統(tǒng)的能耗。

綜合以上所述，給出具體過渡季通風(fēng)控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

在客流量較大的工況下，采用結(jié)合客流預(yù)測指標(biāo)的模糊控制系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟?？刂坪皖l率調(diào)整：在檢測到當(dāng)前及預(yù)測未來固定一段時間內(nèi)環(huán)境指標(biāo)均正常的情況下，停止風(fēng)機(jī)運行;在檢測到當(dāng)前及預(yù)測未來固定一段時間內(nèi)環(huán)境指標(biāo)存在異常波動或超限的情況下，啟動風(fēng)機(jī)并維持運行狀態(tài)不變。該策略可以有效抑制客流波動帶來的風(fēng)機(jī)頻繁啟停現(xiàn)象，CO2濃度波動也隨之減小。

4.2 夏季舒適度調(diào)節(jié)

地鐵車站是相對舒適的列車和多變的室外環(huán)境之間的過渡空間，乘客的衣著在地鐵車站內(nèi)不會發(fā)生太大的變化，由于乘客在車站內(nèi)只作短暫停留，且停留期間人體的熱舒適感覺來不及達(dá)到穩(wěn)態(tài)，還是受先前所在環(huán)境的影響，因此并不嚴(yán)格要求熱環(huán)境的熱舒適性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]用相對熱舒適指數(shù)（RWI）結(jié)合實地測量、問卷調(diào)查的方式對南京某地鐵站進(jìn)行了熱舒適性評價，并提出應(yīng)根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)地鐵車站溫度，但未給出調(diào)節(jié)方案。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于RWI相對熱指標(biāo)的環(huán)境參數(shù)優(yōu)化方法，但未給出系統(tǒng)的實時控制策略。文獻(xiàn)[10]從節(jié)能角度考慮，得出通過對地鐵人員熱舒適度進(jìn)行正確評價，并在此基礎(chǔ)上制定合理的運行調(diào)節(jié)策略是十分必要的?；谏鲜鑫墨I(xiàn)，利用RWI指標(biāo)指導(dǎo)車站環(huán)控優(yōu)化的關(guān)鍵在于設(shè)計出一種適用于實時環(huán)控系統(tǒng)的控制方案，實現(xiàn)車站目標(biāo)舒適度的選取以及溫濕度目標(biāo)值的確定，具體控制系統(tǒng)方框圖如圖5所示。

站內(nèi)RWI指標(biāo)的確定需綜合考慮站內(nèi)當(dāng)前和室外預(yù)測的RWI指標(biāo)，通過專家系統(tǒng)對二者進(jìn)行綜合分析判別得出站內(nèi)RWI目標(biāo)值，再經(jīng)邊界條件約束和極值最優(yōu)判別過程，得出當(dāng)前站內(nèi)溫濕度的目標(biāo)值，從而指導(dǎo)系統(tǒng)對具體設(shè)備進(jìn)行控制。

4.3 冷源系統(tǒng)調(diào)節(jié)

為解決現(xiàn)狀中“源”與“荷”不匹配造成的供冷過剩問題，對車站現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析。某車站大系統(tǒng)夏季環(huán)境溫度日調(diào)節(jié)曲線如圖6所示。

從圖6公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)風(fēng)機(jī)頻率和二通閥開度曲線可看出，該車站全天冷負(fù)荷小，BAS系統(tǒng)將公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整至最低保護(hù)頻率，將二通閥閥位調(diào)整至最小開度，該工況帶來的問題如下：

（1）大系統(tǒng)冷凍水管路壓力較大，長期運行對管路及二通閥的壽命存在影響;

（2）公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)中的風(fēng)機(jī)長期低頻運行存在散熱問題;

（3）冷源系統(tǒng)處于大流量小溫差的運行狀態(tài)，制冷主機(jī)能效比（COP）較低，運行狀態(tài)不經(jīng)濟(jì)。

在調(diào)整車站大系統(tǒng)開關(guān)時間的基礎(chǔ)上，建議在非換乘站和非樞紐站這類負(fù)荷需求較低的站點，對冷源系統(tǒng)的水泵進(jìn)行變頻改造，使其能夠?qū)ο到y(tǒng)供冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在冷量需求較低的時間段，下調(diào)水泵電機(jī)頻率既能提升冷源和負(fù)荷匹配程度，又能顯著降低設(shè)備能耗;此外，結(jié)合車站的濕度情況適度調(diào)整制冷主機(jī)的出水溫度，在機(jī)組電機(jī)允許的范圍內(nèi)盡量采用較高的出水溫度，這對于節(jié)約主機(jī)運行能耗具有重要意義。上述建議在一定程度上既保證了主機(jī)效率，又降低了管網(wǎng)承受壓力，有利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運行。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由于在設(shè)計之初，為盡可能保證遠(yuǎn)期車站的運能負(fù)荷，設(shè)備容量選取存在很大裕度，設(shè)備長時間運行在相對高能耗低負(fù)荷的工況下，導(dǎo)致運行效率較低。本文在冷源系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和介質(zhì)管網(wǎng)不做調(diào)整的情況下，對比分析了2種不同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)劣，并給出調(diào)節(jié)策略建議，對地鐵“降本增效”的方法進(jìn)行了探索，同時為完善環(huán)控工藝設(shè)計、使之由機(jī)械的模式表運行體系向環(huán)境和能耗指標(biāo)體系引導(dǎo)轉(zhuǎn)變提供了借鑒思路。

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收稿日期 2020-02-21

責(zé)任編輯 黨選麗