南昌某地鐵車(chē)站節(jié)能控制系統(tǒng)研究

吳振

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 系統(tǒng)概況

車(chē)站大系統(tǒng)采用節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各種工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)的采集，計(jì)算并記錄空氣處理機(jī)組的輸出能量趨勢(shì)序列，結(jié)合系統(tǒng)特性、循環(huán)周期、歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)等推理預(yù)測(cè)“未來(lái)時(shí)刻”系統(tǒng)的負(fù)荷，從而確定空氣處理機(jī)組的最佳運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)區(qū)域溫度的精確控制，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，最大限度地降低系統(tǒng)的能耗。系統(tǒng)根據(jù)車(chē)站兩端回風(fēng)溫度的采集和比較，調(diào)節(jié)兩端空氣處理機(jī)組送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，以調(diào)節(jié)其送風(fēng)量，使車(chē)站兩端空調(diào)區(qū)域的溫度達(dá)到均衡?；嘏棚L(fēng)機(jī)則采用跟隨送風(fēng)機(jī)頻率運(yùn)行，使車(chē)站內(nèi)保持必要的微正壓[1]。

車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)置節(jié)能控制系統(tǒng)，冷凍、冷卻水系統(tǒng)均采用變流量系統(tǒng)，以空調(diào)水系統(tǒng)綜合能效最優(yōu)作為控制目標(biāo)，對(duì)冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、冷水機(jī)組進(jìn)行節(jié)能控制，冷水機(jī)組通過(guò)通信接口與節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指令傳輸和數(shù)據(jù)采集。

2 接口設(shè)計(jì)

2.1 與BAS系統(tǒng)接口

節(jié)能控制系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)的接口分為硬件接口和軟件接口。硬件接口采用冗余以太網(wǎng)通信接口，接口位置在車(chē)站環(huán)控電控室節(jié)能控制系統(tǒng)集中控制柜；軟件接口是BAS通過(guò)以太網(wǎng)向節(jié)能控制系統(tǒng)的集中控制柜發(fā)出水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的正常運(yùn)行、停止和火災(zāi)等運(yùn)行模式指令[2]。

集中控制柜通過(guò)以太網(wǎng)向BAS系統(tǒng)發(fā)送水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，主要參數(shù)為：2臺(tái)冷水機(jī)組、2臺(tái)冷凍泵、2臺(tái)冷卻泵、2臺(tái)冷卻塔的控制狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)；8臺(tái)電動(dòng)蝶閥和壓差旁通閥的控制狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)；冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、電壓、電流、功率、用電量等；2臺(tái)冷水機(jī)組的進(jìn)/出水溫度；冷凍水總管供回水溫度、壓力流量；冷卻水總管供回水溫度、流量；集水器大小系統(tǒng)回水管的回水溫度。

集中控制柜通過(guò)以太網(wǎng)向BAS系統(tǒng)發(fā)送大系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，主要參數(shù)為：兩端的2臺(tái)組合式空調(diào)器、2臺(tái)小新風(fēng)機(jī)、2臺(tái)回排風(fēng)機(jī)的控制狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)10臺(tái)電動(dòng)風(fēng)閥的控制狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)；兩端組合式空調(diào)器、小新風(fēng)機(jī)、回排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、電壓、電流、功率、用電量等；兩端組合式空調(diào)器的出水溫度；兩端新風(fēng)溫濕度、送風(fēng)溫濕度、回風(fēng)溫濕度、混風(fēng)溫濕度；站廳、站臺(tái)溫濕度；電動(dòng)二通閥開(kāi)度。

集中控制柜接受BAS運(yùn)行模式指令，結(jié)合使用條件和實(shí)際工況向水系統(tǒng)控制柜、大系統(tǒng)控制柜發(fā)出子一級(jí)控制指令，調(diào)整水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的設(shè)備和閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和運(yùn)行。

當(dāng)車(chē)站BAS系統(tǒng)向節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)出大系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行模式指令時(shí)，節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際工況判斷執(zhí)行空調(diào)模式還是通風(fēng)模式，執(zhí)行空調(diào)模式時(shí)聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟水系統(tǒng)，水系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷率調(diào)整水系統(tǒng)的運(yùn)行工況：當(dāng)空調(diào)負(fù)荷率＜50%，水系統(tǒng)投入1套冷水機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)調(diào)節(jié)水泵頻率；當(dāng)空調(diào)負(fù)荷率≥50%，水系統(tǒng)投入2套冷水機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)調(diào)節(jié)水泵頻率。

夜間停運(yùn)時(shí)BAS向節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)出大系統(tǒng)停止指令，節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)A、B兩端大系統(tǒng)執(zhí)行停止模式，水系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷率調(diào)整運(yùn)行工況：當(dāng)空調(diào)負(fù)荷率＜50%，水系統(tǒng)卸載，只投入1套冷水機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)調(diào)節(jié)水泵頻率，兩臺(tái)冷水機(jī)組互為備用定時(shí)輪換。

由于小系統(tǒng)由BAS系統(tǒng)直接控制，當(dāng)BAS單獨(dú)開(kāi)啟小系統(tǒng)空調(diào)模式時(shí)，應(yīng)同時(shí)下發(fā)指令給節(jié)能控制系統(tǒng)開(kāi)啟水系統(tǒng)，由節(jié)能控制系統(tǒng)按模式開(kāi)啟1套冷水機(jī)組運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)水泵頻率，兩臺(tái)冷水機(jī)組互為備用定時(shí)輪換。

2.2 與動(dòng)力照明專業(yè)接口

動(dòng)力照明與節(jié)能控制系統(tǒng)接口在節(jié)能控制柜進(jìn)線端子處，節(jié)能控制柜進(jìn)線電纜及敷設(shè)由動(dòng)力照明專業(yè)負(fù)責(zé)。手操箱采用硬線接口，接口位置在車(chē)站環(huán)控電控室節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能的相關(guān)接線端子，手操箱電纜由節(jié)能控制專業(yè)提供，機(jī)電專業(yè)敷設(shè)和端接。

2.3 與通風(fēng)空調(diào)接口

冷水機(jī)組采用通信接口，接口位置在冷水機(jī)組控制器的相關(guān)通信接口上。組合式空調(diào)器采用硬線接口，接口位置在空調(diào)機(jī)組消毒凈化裝置的相關(guān)接線端子處。電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥、各類傳感器采用硬線接口，接口位置在電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥及傳感器的安裝位置上。

3 系統(tǒng)構(gòu)架

節(jié)能控制系統(tǒng)的所有控制柜須均是基于強(qiáng)電、弱電、計(jì)量、電力監(jiān)測(cè)、節(jié)能控制一體化的產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)；每臺(tái)控制柜內(nèi)需要配置有獨(dú)立的控制器，遵循“集中管理、分布控制”的設(shè)計(jì)理念，降低系統(tǒng)的控制風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)能控制系統(tǒng)配電圖如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制系統(tǒng)配電圖

節(jié)能控制系統(tǒng)由以下各部分組成：集中管理平臺(tái)、水系統(tǒng)節(jié)能控制子系統(tǒng)、大系統(tǒng)節(jié)能控制子系統(tǒng)（A、B兩端各一套），集中管理平臺(tái)對(duì)各節(jié)能控制子系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4 系統(tǒng)控制策略

4.1 空調(diào)大系統(tǒng)控制策略

空調(diào)大系統(tǒng)負(fù)責(zé)車(chē)站公共區(qū)的環(huán)境控制，主要設(shè)備包括：新風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)器、回排風(fēng)機(jī)、相關(guān)的風(fēng)閥（全新風(fēng)閥、小新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、排風(fēng)閥等）。組合式空調(diào)器、回排風(fēng)機(jī)設(shè)置變頻器，可進(jìn)行變頻變風(fēng)量調(diào)節(jié)，變頻調(diào)整范圍為25～48 Hz，小新風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。

BAS系統(tǒng)通過(guò)對(duì)室外空氣參數(shù)判斷，對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)發(fā)出指令，運(yùn)行小新風(fēng)空調(diào)模式、全新風(fēng)空調(diào)模式、通風(fēng)模式等模式。車(chē)站大系統(tǒng)的運(yùn)行模式見(jiàn)表1。

表1 車(chē)站大系統(tǒng)運(yùn)行模式表

車(chē)站正常運(yùn)行狀態(tài)的工況切換控制是根據(jù)iw、ir和Tw（iw為車(chē)站室外焓值；ir為車(chē)站回風(fēng)焓值；Tw為車(chē)站室外干球溫度）的變化與設(shè)定的送風(fēng)溫度T0進(jìn)行比較分析確定。組合式空調(diào)器送風(fēng)量（頻率）由回風(fēng)溫度Tr控制：Tr＞Tr0（Tr0=29℃，為回風(fēng)溫度設(shè)定值）時(shí)，加大送風(fēng)量（升高頻率）；Tr≤Tr0時(shí)，減小送風(fēng)量（降低頻率）。大系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)采集空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)溫度Ti與系統(tǒng)設(shè)置的送風(fēng)溫度T0比較，調(diào)節(jié)組合式空調(diào)器的二通閥開(kāi)度：Ti＞T0時(shí)，二通閥開(kāi)大；Ti≤T0時(shí)，二通閥關(guān)小。回排風(fēng)機(jī)頻率跟隨組合式空調(diào)器頻率同步調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采集站廳站臺(tái)的CO2濃度，小新風(fēng)機(jī)根據(jù)站內(nèi)CO2濃度控制啟停：當(dāng)CO2濃度≥900 mg/L時(shí)，小新風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)CO2濃度≤700 mg/L時(shí)，小新風(fēng)機(jī)定時(shí)啟動(dòng)；當(dāng)700 mg/L＜CO2濃度＜900 mg/L時(shí)，小新風(fēng)機(jī)保持原運(yùn)行狀態(tài)。

車(chē)站內(nèi)空調(diào)季節(jié)的負(fù)荷根據(jù)Tr的變化與設(shè)定的回風(fēng)溫度（29℃）進(jìn)行比較分析確定。當(dāng)Tr≤29℃時(shí)，說(shuō)明車(chē)站負(fù)荷減少，先利用風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)小風(fēng)量再關(guān)小電動(dòng)二通閥減小冷凍水量。當(dāng)Tr＞29℃時(shí)，說(shuō)明車(chē)站負(fù)荷增大，先利用風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)大風(fēng)量再開(kāi)大電動(dòng)二通閥增加冷凍水量。

當(dāng)iw≤ir，且Tw＞T0時(shí)，進(jìn)入全新風(fēng)空調(diào)運(yùn)行工況，組合式空調(diào)器、回排風(fēng)機(jī)根據(jù)回風(fēng)溫度調(diào)節(jié)頻率，最低頻率25 Hz，空調(diào)器二通閥根據(jù)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)開(kāi)度，全新風(fēng)閥、排風(fēng)閥打開(kāi)，小新風(fēng)機(jī)和小新風(fēng)閥、回風(fēng)閥關(guān)閉。

當(dāng)外界環(huán)境溫度Tw≤18℃時(shí)，進(jìn)入通風(fēng)季工況運(yùn)行：組合式空調(diào)器仍以調(diào)節(jié)站臺(tái)溫度為目標(biāo)變頻運(yùn)行，全新風(fēng)閥、排風(fēng)閥打開(kāi)，小新風(fēng)機(jī)和小新風(fēng)閥、回風(fēng)閥關(guān)閉；當(dāng)組合式空調(diào)處于最低運(yùn)行頻率時(shí)，關(guān)閉排風(fēng)機(jī)，采用機(jī)械送風(fēng)+自然排風(fēng)的方式運(yùn)行。當(dāng)CO2濃度≤50 mg/L或Tr＜18℃時(shí)，停止通風(fēng)，也可以由車(chē)站工作人員采用間歇通風(fēng)運(yùn)行。空氣的焓值由空氣溫濕度決定，為了防止工況在一天內(nèi)頻繁轉(zhuǎn)換，只要求對(duì)焓值每0.5 h測(cè)量一次。將測(cè)量值分析比較后再?zèng)Q定是否改變運(yùn)行工況。

4.2 空調(diào)水系統(tǒng)控制策略

空調(diào)水系統(tǒng)包括冷水機(jī)組，冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔以及各類傳感器、閥門(mén)及空調(diào)機(jī)組等末端裝置?？照{(diào)水系統(tǒng)納入節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理，同時(shí)將設(shè)備狀態(tài)信息上傳BAS系統(tǒng)。節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)車(chē)控室BAS系統(tǒng)下達(dá)的模式指令對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行控制。車(chē)站水系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷率調(diào)節(jié)冷水機(jī)組及對(duì)應(yīng)冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔的加減載。冷凍系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)設(shè)備的開(kāi)機(jī)順序：電動(dòng)蝶閥→開(kāi)冷卻塔→冷卻泵→冷凍泵→冷凍主機(jī)；關(guān)機(jī)順序：關(guān)冷凍主機(jī)→冷凍泵→冷卻泵→冷卻塔→電動(dòng)蝶閥。

系統(tǒng)檢測(cè)冷凍水總管進(jìn)、出水溫度，當(dāng)冷凍系統(tǒng)啟動(dòng)后，節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)冷凍水總管進(jìn)出水溫度差ΔTdi調(diào)節(jié)冷凍水泵頻率fd進(jìn)而調(diào)節(jié)冷凍水流量：節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)定冷凍水總管進(jìn)出水溫差ΔTd0=5℃，當(dāng)ΔTdi＞ΔTd0，fd增大，當(dāng)ΔTdi≤ΔTd0，fd減少。

系統(tǒng)檢測(cè)冷卻水總管進(jìn)、出水溫度，當(dāng)冷凍系統(tǒng)啟動(dòng)后節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)冷卻水總管進(jìn)出水溫度差ΔTqi調(diào)節(jié)水泵頻率fq進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻水流量：節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)定冷凍水總管進(jìn)出水溫差ΔTq0=5℃，當(dāng)ΔTqi＞ΔTq0時(shí)，fq增大；當(dāng)ΔTqi≤ΔTq0時(shí)，fq減少。

系統(tǒng)檢測(cè)2臺(tái)冷卻塔出水溫度，當(dāng)冷凍系統(tǒng)啟動(dòng)后節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)冷卻塔出水溫度與氣象站的濕球溫度的溫差ΔTti（逼近度）調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)扇頻率ft：節(jié)能系統(tǒng)設(shè)定逼近度ΔTti=4℃，當(dāng)ΔTti＞ΔTt0，ft增大；當(dāng)ΔTti≤ΔTt0，ft減少。

冷水機(jī)組的運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換是由集中控制柜的PLC根據(jù)系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷率自動(dòng)控制和定時(shí)切換，冷水機(jī)組流量及冷量輸出、冷凍水泵、冷卻水泵的流量由節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)空調(diào)負(fù)荷率≤50%并持續(xù)15 min時(shí)，1套冷水機(jī)組運(yùn)行；當(dāng)空調(diào)負(fù)荷率＞50%并持續(xù)15 min時(shí)，2套冷水機(jī)組運(yùn)行。當(dāng)正在運(yùn)行的一套冷凍系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，集中控制器發(fā)出工況模式轉(zhuǎn)換指令，故障系統(tǒng)停止運(yùn)行，備用系統(tǒng)投入運(yùn)行。

壓差旁通閥的自身具備壓差控制開(kāi)度的功能，壓差旁通閥根據(jù)分/集水缸的壓差變化自行進(jìn)行調(diào)節(jié)；節(jié)能控制系統(tǒng)采集壓差旁通閥DPCV-W1的開(kāi)度信號(hào)或開(kāi)/關(guān)到位信號(hào)，監(jiān)測(cè)DPCV-W1的工作狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著地鐵交通規(guī)模的日益壯大，如何降低地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗將是一直可值得研究的課題。本文詳細(xì)介紹了通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以期為相關(guān)工程提供理論依據(jù)。