地鐵車站常用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能研究

高 超，胡曉鋒，潘國勝，柳 斌，趙 峰，梁科敏，朱茂進(jìn)

（杭州地鐵運(yùn)營有限公司，浙江杭州 310017）

1 研究背景

地鐵作為地下空間中使用最廣泛的設(shè)施，承載著城市交通的主要職責(zé)。根據(jù)現(xiàn)有軌道交通運(yùn)營能耗統(tǒng)計(jì)，列車牽引和車站動(dòng)力照明是軌道交通主要能耗部分，其中牽引功率約占能耗的40%～50%，而在車站動(dòng)力照明能耗中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)即環(huán)控系統(tǒng)能耗是主要部分，約占車站動(dòng)力照明總能耗的50%以上[1]，因此對(duì)地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能的研究是目前階段節(jié)能的主要目標(biāo)。

在地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)風(fēng)系統(tǒng)方面，溫倩[2]提出了基于客流預(yù)測(cè)的地鐵公共區(qū)新風(fēng)控制策略，同時(shí)利用建筑污染與CO2濃度計(jì)算新風(fēng)量設(shè)定值，提升了控制策略的有效性，并設(shè)計(jì)了模糊PID 控制器，利用Simulink 建模仿真驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型和控制策略的新風(fēng)動(dòng)態(tài)控制和節(jié)能效果；張榮[3]利用Simulink 工具對(duì)控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)模型能夠根據(jù)人群密度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)新風(fēng)閥門開度，控制車站新風(fēng)輸入量，不僅能夠提高地鐵車站的環(huán)境舒適度，還可以有效的降低地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的能耗；武翠霞[4]根據(jù)北京某高校地鐵站通風(fēng)空調(diào)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)情況，搭建了TRNSYS 仿真平臺(tái)，分別選取7 月份兩個(gè)典型天氣日，對(duì)送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度進(jìn)行變頻控制，結(jié)果表明：不同的天氣狀況，能耗并不隨設(shè)定值一直單調(diào)增大或減小，在某一時(shí)刻，存在一組設(shè)定值組合使能耗最小。

而對(duì)于水系統(tǒng)方面，段皖秦[5]通過TRNSYS 搭建了西安地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的模型，在此模型基礎(chǔ)上對(duì)冷凍水泵在定頻和變頻狀態(tài)下進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，驗(yàn)證了當(dāng)冷凍水泵處于變頻工作時(shí)的能耗比冷凍水泵處于定頻時(shí)的能耗有顯著下降，在相同時(shí)間段內(nèi)節(jié)能效率提高10%以上。對(duì)于風(fēng)水聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，崔偉強(qiáng)[6]以地鐵站空調(diào)主要能耗機(jī)組和運(yùn)營情況為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種新型智能空調(diào)控制系統(tǒng)，可根據(jù)站內(nèi)人流量的變化，及時(shí)調(diào)控風(fēng)機(jī)、變頻器和制冷機(jī)組等，以此達(dá)到適宜的站內(nèi)環(huán)境并節(jié)能13%左右。熊武標(biāo)[7]為實(shí)現(xiàn)地鐵車站的節(jié)能運(yùn)行，通過對(duì)末端控制邏輯的對(duì)比，風(fēng)量、水量同時(shí)調(diào)節(jié)的控制效果較好，且輸送設(shè)備節(jié)能率可達(dá)31.7%。李軍[8]以南寧地鐵1 號(hào)線麻村站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例，對(duì)空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行能耗進(jìn)行了調(diào)研，引入并驗(yàn)證了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制模型，對(duì)比分析了不同控制模式下的節(jié)能效果。結(jié)果表明，地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制能實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力最大化。

2 耗能分析

以杭州地鐵2 號(hào)線盈豐路站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)主要由硬件設(shè)施和節(jié)能控制系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。硬件部分新增節(jié)能控制PLC，與BAS 通信實(shí)現(xiàn)對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，新增工控機(jī)一臺(tái)，裝載人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)節(jié)能模式下的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備監(jiān)控功能，新增冷凍水泵電機(jī)、冷卻水泵電機(jī)變頻器（柜）共6 臺(tái)。軟件部分主要實(shí)現(xiàn)了冷水機(jī)組的啟停和機(jī)組優(yōu)化控制，以及風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)運(yùn)行模式的聯(lián)動(dòng)調(diào)控，圖1 為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)示意圖，圖2 為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)示意圖，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備功率見表1。

表1 盈豐路站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備功率

圖2 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

3 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制原理

3.1 水系統(tǒng)運(yùn)行的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)

（1）冷水機(jī)組開機(jī)判定標(biāo)準(zhǔn)：空調(diào)季時(shí)車站大系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到室外溫度高于T1、且公共區(qū)平均溫度高于T2時(shí)，開啟對(duì)應(yīng)冷水機(jī)組，T1和T2分別代表室外溫度和公共區(qū)平均溫度設(shè)定值。冷水機(jī)組的具體開機(jī)設(shè)定對(duì)應(yīng)控制邏輯，空調(diào)季時(shí)優(yōu)先啟動(dòng)1 號(hào)、2 號(hào)大機(jī)組，具體方式按單雙號(hào)執(zhí)行對(duì)應(yīng)機(jī)組；過渡季時(shí)車站空調(diào)負(fù)荷較小，優(yōu)先啟動(dòng)3號(hào)小機(jī)組。

（2）冷水機(jī)組切換判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)1 號(hào)或2 號(hào)大機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行無法滿足車站制冷需求時(shí)，加開3 號(hào)小機(jī)組；在一大一小兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的情況下，當(dāng)冷凍出水溫度低于T1，兩臺(tái)機(jī)組總負(fù)荷小于對(duì)應(yīng)P1，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值t 時(shí)，關(guān)停3 號(hào)小機(jī)組；過渡季3 號(hào)小機(jī)組無法滿足車站制冷需求時(shí)，則根據(jù)單雙號(hào)切換至相應(yīng)的大機(jī)組；當(dāng)1 號(hào)或2 號(hào)大機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行負(fù)荷低于P2時(shí)，持續(xù)時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值t 時(shí)，切換至3 號(hào)小機(jī)組。若冷水機(jī)組出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)判定并進(jìn)行切換。

（3）冷水機(jī)組關(guān)機(jī)判定標(biāo)準(zhǔn)：室外溫度低于T1時(shí)，或公共區(qū)平均溫度低于T2時(shí)，關(guān)閉冷水機(jī)組，此后持續(xù)對(duì)公共區(qū)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)公共區(qū)溫度高于T2時(shí)，則再次開啟冷機(jī)。不滿足上述條件則空調(diào)季和過渡季停機(jī)時(shí)間按原有模式執(zhí)行。

（4）水泵聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)的判定標(biāo)準(zhǔn)：冷卻水的供回水溫差保持在Td1～Td2之間，若供回水溫差低于設(shè)定值下限Td1，判定為末端熱負(fù)荷小，此時(shí)降低冷卻水泵頻率來調(diào)節(jié)冷凍水流量，減少冷量輸出，降低冷卻泵及冷水機(jī)組功率；若供回水溫差大于設(shè)定值上限Td2，則提高冷卻水泵頻率。在調(diào)節(jié)過程中，需要控制冷卻水泵的頻率下限Hlow，頻率下限由冷水機(jī)組本身最小流量要求和保證最不利末端冷卻水流量確定，水泵變化頻率暫定為步進(jìn)值。冷凍水泵出水溫度初設(shè)為12 ℃，后采取同樣原理控制。冷凍泵通過研究分析配置相應(yīng)的自調(diào)節(jié)節(jié)流儀控制模塊，滿足通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)整體COP 值最優(yōu)的前提下，控制冷凍水的相關(guān)參數(shù)，如冷凍水回水溫度，冷凍水流量、以及循環(huán)水泵節(jié)能控制計(jì)算模型。整個(gè)水系統(tǒng)圍繞最低能耗而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)行控制，對(duì)于運(yùn)營時(shí)某特定條件下對(duì)應(yīng)的負(fù)荷情況，水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳冷卻水回水溫度和最佳冷卻水流量的精準(zhǔn)控制，結(jié)合冷卻水泵變頻控制，使整個(gè)系統(tǒng)整體COP 最高，能耗最低。

3.2 風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)

風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式為內(nèi)循環(huán)模式和通風(fēng)模式，根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)換，在保證車站內(nèi)公共區(qū)溫濕度要求的前提下，盡可能降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗。車站空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的模式主要根據(jù)室內(nèi)外空氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行判定，對(duì)應(yīng)不同的環(huán)境參數(shù)判定區(qū)間實(shí)現(xiàn)新風(fēng)閥，混風(fēng)閥，排風(fēng)閥之間的開關(guān)具體情況。

（1）風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)判定標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)機(jī)功率較大，在滿足室內(nèi)溫濕度需求的前提下降低風(fēng)機(jī)頻率，可以實(shí)現(xiàn)能耗降低。當(dāng)通過調(diào)節(jié)電動(dòng)二通閥（電動(dòng)二通閥PID調(diào)節(jié)控制）無法有效降低室內(nèi)溫濕度時(shí)，應(yīng)加大風(fēng)機(jī)頻率，加速公共區(qū)空氣循環(huán)，降低環(huán)境溫濕度。為降低數(shù)據(jù)滯后的影響，當(dāng)二通閥開度大于等于設(shè)定值上限，室內(nèi)溫度大于等于溫度上限值時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整至頻率上限值，室內(nèi)溫度下降小于等于溫度下限值時(shí)或二通閥開度小于等于設(shè)定值下限，風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整至頻率上限值。

（2）冷卻塔的梯級(jí)節(jié)能控制主要實(shí)現(xiàn)冷卻水的最佳回水溫度，同時(shí)考慮室外的實(shí)際環(huán)境因素的影響，冷卻塔的風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)梯級(jí)變風(fēng)量運(yùn)行，保證冷卻水的溫度能夠?qū)崿F(xiàn)最佳狀態(tài)，真正做到冷卻量之間的供需平衡，即冷卻塔的實(shí)時(shí)冷卻量與冷水機(jī)組所需冷卻量之間達(dá)到平衡關(guān)系，保證冷卻塔節(jié)能且高效地運(yùn)行，提高整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的COP 值，提高整體通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效率。

4 應(yīng)用效果

通過采集分析杭州地鐵2 號(hào)線盈豐路站半個(gè)月的能耗數(shù)據(jù)，在非節(jié)能和節(jié)能模式下對(duì)應(yīng)能耗分布如表2 所示。

表2 盈豐路站通風(fēng)空調(diào)能耗對(duì)比

5 結(jié)束語

（1）地鐵車站常用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，有效解決了冷卻塔-冷水機(jī)組地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)節(jié)能控制問題。

（2）節(jié)能模式與非節(jié)能模式應(yīng)用效果的對(duì)比測(cè)試表明，風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果達(dá)到14.16%，可降低運(yùn)營成本，且系統(tǒng)能效得到了提升。

（3）風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤、在線調(diào)節(jié)、智能調(diào)節(jié)等功能，可根據(jù)環(huán)境及負(fù)荷的變化快速且只能調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，保證了車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

（4）風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、節(jié)能效果良好。本研究系統(tǒng)在杭州地鐵車站的成功應(yīng)用，也為地鐵車站通風(fēng)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。