苏州地铁1号线车站通风空调系统节能控制方案与应用研究

贵州汇通华城股份有限公司 骞志彦 姜 博

1 引言

苏州轨道交通1号线共设地下车站24座，各站点通风空调系统由大系统、小系统和水系统构成。其中大系统为车站公共区（站台、站厅）的空调通风系统，包括组合式空调箱、排热风机、全新风机、小新风机及相应的风道和各种风阀组成等设备；小系统为车站设备管理用房的空调通风系统，包括柜式风机盘管、回排风机等设备；水系统指为大系统、小系统指用于提供冷源的冷源站设备，包括冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔等设备。在各个站点中，其通风空调系统的能耗约占整个站点总用电量的50%～60%，是站点的主要耗能设备。

通过对苏州地铁站点的负荷情况的分析发现，大系统的高负荷时段集中在早中晚上下班高峰期，在其余时间客流相对较少时，空调系统的负荷随之降低；小系统针对设备管理用房，需24小时不间断供冷，但在夜间仅用于消除设备的散热负荷，对冷量需求也较小。因此，针对不同工作时段的负荷差异性和室外气候变化所引起的负荷变化对空调大系统、小系统和冷源站进行优化控制，可以有效提高通风空调系统的用能效率，实现系统节能。

本研究以苏州地铁1号线滨河路站和东方之门站的通风空调系统为研究对象，对通风空调系统中的水系统和大系统的控制方案进行了研究分析，并对节能效果进行了总结，为苏州地铁1号通风空调系统的节能改造提供参考。

2 系统耗能分析

对于苏州地铁1号通风空调系统，其水系统仅在空调季运行，一年运行约6个月，而大系统全年均需运行，一年运行约12个月，通过对两个实验站点节能改造前实际能耗数据的抽样采集分析，东方之门站和滨河路站各通风空调主要设备运行耗电量分析见表1和表2：

表1 苏州地铁1号线东方之门站水系统全年运行能耗表

表2 苏州地铁1号线滨河路站全年水系统及大系统运行能耗表

根据以上统计计算，苏州地铁1号站东方之门站水系统运行耗电量约为53万kW·h/年，滨河路站水系统及大系统运行耗电量约为68万kW·h/年。因此如何降低地铁车站通风空调系统的能耗，减少运营成本是轨道交通环控系统亟待解决的问题。

3 系统控制方案

本项目针对地铁站通风空调大系统、水系统的运行特点及存在的问题，开展智能化节能控制技术研究，制定了以下系统控制方案。该控制方案为减少系统中各环节的相互干扰，将系统分为几个相对独立的环节来进行控制，再由一个上层集中监控平台系统来完成各环节间的协调，降低调节算法的设计难度。

3.1 基于冷量供需匹配的冷冻水系统动态控制方案

系统根据冷冻水循环周期、历史负荷数据分析和室外湿球温度检测，动态预测“未来时刻”车站内空调负荷的变化趋势，并以此计算冷冻水系统的优化运行参数，对冷冻水流量“提前”进行控制，有效解决了大时滞、大惰性的冷冻水系统控制滞后问题，不仅可消除冷量供给的“数量差”与“时间差”，实现了冷量的供需匹配，保证空调的舒适性，而且还消除了“大流量、小温差”现象，有效降低输送能耗，提高冷冻水系统运行的稳定性。

3.2 基于制冷系统效率最佳的冷却水系统优化控制方案

系统自动实时建立制冷站在不同负荷率及湿球温度条件下系统的能效比(COP)数据库和自适应模糊优化算法模型，根据排热负荷、气候条件和系统特性，通过推理、计算出所需的冷却水最佳温度值TCm，并以此调节冷却水泵变频器的频率及冷却塔风机的运行数量，动态调节冷却水的流量及冷却塔的风量，使冷却水温度逐渐趋近于TCm，从而保证空调制冷系统在任何条件下都处于系统效率最佳状态运行，实现系统整体能耗最低。

3.3 基于能量预测的空调风机模糊预期控制方案

在地铁车站公共区通风空调“大系统”组合式空气处理机组的控制中，为克服空气的热惰性和控制滞后，控制系统通过对系统各种工艺参数及设备参数的采集，计算并记录空气处理机组的输出能量趋势序列，结合系统特性、循环周期、历史负荷数据及车站出入口的漏风量等推理预测“未来时刻”系统的负荷，从而确定空气处理机组的最佳运行参数，实现空调区域温度的精确控制，在保证服务质量的前提下，最大限度的降低系统的能耗。

系统根据车站两端回风温度的采集和比较，调节两端空气处理机组送风机的运行频率，以调节其送风量，使车站两端空调区域的温度达到均衡。而回排风机则采用跟随送风机频率运行，使车站内保持必要的微正压。

3.4 基于总冷量与总负荷匹配的风水协调控制方案

在系统的集中管理平台中内嵌风水协调控制策略。系统首先会采集各个末端的负荷信息，并结合其自身历史数据库进行末端系统总负荷的推理预测，并将推理预测结果转发冷冻水调节环节，冷冻水调节环节结合系统管路损耗特性，并结合自身的负荷预测数据完成对末端系统总负荷的修正，从而计算满足末端需求和克服系统损耗条件下制冷站所需输出的总冷量，并调节冷冻水泵频率来满足冷量的供给，以保证冷站供给与末端需求的一致。同时，在输出与需求相匹配的基础上，系统再通过调整各末端空气处理机组表冷器的冷冻水阀的开度，根据各末端子系统的实际负荷需要对冷量进行动态分配，以保证在任何一个环节均不至于产生冷量浪费。以实现风系统与水系统之间的协调运作，保持整个通风空调系统始终处于最高效率点运行。

4 应用效果分析

经现场试验发现，车站内的实际热负荷受客流量变化的影响因素较小，站内热负荷主要来源于混风室新风的补给与车站出入口的漏风所带入的外界热负荷，因此在测试期间，当室外温度较低时开启一套冷水机组测试，室外温度高时开启两套冷水机组测试。

对于东方之门站，通过对两种工况下多组测试数据的综合处理，测试结果如表3所示：

表3 东方之门站节能测试数据表

以测试的系统节能率32.33%为基础，结合东方之门站原系统年能耗数据，可计算出东方之门站的年节能量，如表4所示：

表4 东方之门站年节能量测算表

对于滨河路站，通过对两种工况下多组测试数据的综合处理，测试结果如表5所示：

表5 滨河路站节能测试数据表

以测试的系统节能率33.58%为基础，结合滨河路站原系统年能耗数据，可计算出滨河路站的年节能量，如表6所示：

表6 滨河路站年节能量测算表

可见，无论是单独对水系统进行变流量控制，还是同时进行水系统变流量和大系统变风量控制，水系统的节能率均可达到30%以上，而大系统的节能率可接近50%，由于大系统需要全年运行，其设备功率虽小，但全年能耗仍然巨大，因此单单对水系统进行变流量控制，节能潜力的挖掘有限，只有将大系统和水系统的节能控制有效结合，才可最大限度降低地铁站点的能源消耗，大幅度降低运营成本，从而赢得较好的投资回报。

5 结束语

据调查，全国大部分地铁车站的通风空调系统没有采用先进的节能控制技术，或只安装了简单的变频装置，本研究对变风量及变水量控制方案进行深入探讨，并进行了长期有效的详细对比测试，通过分析比较得出：变风量及变水量控制方式由于深入到了地铁车站通风空调的制冷主机、冷冻水循环系统、冷却水系统、末端空气处理系统及冷量分配系统等各个环节，通过相互间的协调工作，可实现对整个通风空调系统各环节节能潜力的最大挖掘，节能及控制效果远高于传统简单变频模式。

从本方案在试验站点的应用效果来看，系统运行安全、稳定、可靠，控制算法先进、节能率高，系统COP得到了显著提高，如果对本研究继续深化完善，并在全国各站点全面推广，将会给各地铁运营公司带来巨大的经济效益和社会效益，引领中国地铁车站通风空调控制技术的发展与变革。