地铁车站通风空调控制系统改造相关技术研究

徐深 牛洪海 陈霈

摘 要：地铁车站环控的主要目标是使车站环境保持在设计文件规定的温度范围内，保证车站大系统的舒适性以及各空调小系统房间的正常温度。通风空调系统作为车站各机电系统中的能耗大户，常规的定频定流量系统不利于各个设备发挥出最佳能效，易造成资源浪费，同时缺乏对环境舒适度的调节手段。文章针对传统车站通风空调控制系统改造的方案进行研究，保证火灾联动安全可靠，优化系统配置，并给出调节策略改进方向，为改善车站环境，提高能源利用率做出进一步探索。

关键词：地铁车站;通风空调;控制系统;改造;技术研究

中图分类号：U231.5

预计到2020年末，中国城市轨道交通运营线路长度将超过8 000 km。无论是运营线路长度还是在建项目规模都位居世界前列。以某城市轨道交通为例，其线网用能已经逼近2亿度，车站通风空调系统能源消耗成本约占运营直接成本的30%以上，成为节能降本的焦点之一。传统地铁车站通风空调控制系统由环境与设备监控系统（BAS系统）和冷源群控系统2部分组成，实现对环境的调节和机电设备的监控，在异常工况下保证空气调节系统的设备按照预案进行相应动作，从而保证车站环境安全。本文通过对比分析2种不同的系统结构方案，给出调节策略改进方向。

1 现状及问题

传统地下车站配有一套群控系统以完成对冷源系统的监控，并与BAS系统进行通信实现数据的上传。BAS系统负责控制空气调节系统，冷源群控系统负责控制冷源系统，2套系统割裂运行导致设备运行工况不合理，系统能耗增加，影响环境舒适度，主要表现如下：

（1）“源”与“荷”不匹配，供冷过剩;

（2）采用人工经验调节运行，管控粗放，影响效率;

（3）设备运行状态不合理，影响系统整体效率。

2 系统结构

针对现状问题，需要对通风空调系统进行全过程优化调控，控制调节对象贯穿冷源系统和空气调节系统运行全过程。由于传统地下车站的BAS系统和冷源系统分开设立，BAS系统又兼顾灾害工况下通风系统的应急联动，两者之间的配合关系一直是相关改造项目的难点之一。下面提出2种不同的系统结构方案，并分析其优缺点。

2.1 方案 1

该方案的系统结构按照调节功能和启停功能将设备接口归属分开设立，如图1所示。空气调节系统中的公共区通风空调和设备区通风空调的工频监控接口由既有BAS系统接入，保持BAS系统对这2区通风空调的工频操作不变;当发生火灾等异常情况时，BAS系统能够通过工频监控回路向公共区通风空调和设备区通风空调发送工频启动指令，保证空气调节系统应急联动控制的完整性和可靠性。

公共区通风空调除工频接口外，还包含风机频率调节接口和二通阀开度调节接口，二者由节能控制系统直接接入，其根据室内外的温湿度、车站的冷负荷情况，综合计算得出调节指令并直接下发至对应设备执行，通过风机频率调节接口改变公共区通风空调送风量，通过二通阀开度调节接口改变送风温度，从而完成对环境参数的闭环调节。冷源系统设备由节能控制系统完成监控。

2.2 方案 2

方案2充分利用原BAS系统与各设备的接口，如图2所示。该方案保持通风空调系统设备接口归属不变，即公共区通风空调的工频监控接口、风机频率调节接口以及二通阀开度调节接口仍由BAS系统负责接入，冷源系统设备由节能控制系统统一接入，系统优化分析统一由节能控制系统完成。

节能控制系统与BAS系统网络互通，前者接收BAS系统采集到的环境温湿度数据，同时根据室内外的温湿度、车站的冷负荷情况，综合计算得出调节指令，将公共区通风空调风机频率设定值和二通阀开度设定值经过共享网络传递给BAS系统，后者借助与各设备已有接口将指令下发至具体设备执行;冷源系统设备的频率调节、机组投切、自动顺控等逻辑由节能控制系统直接完成并下发到具体设备。

2.3 配置比较

方案1的节能优化调节功能接口和职责划分明确，但为确保系统功能接口的独立性，会导致部分传感器和控制箱的重复配置，并且地下站A、B端距离较远，需要为远端环控机房的空气调节系统设备单独配置一套远程输入输出（IO）柜，将增加施工量及实施成本。

方案2利用统一的网络数据平台，节能控制系统可通过此网络共享获取BAS系统的环境温湿度数据而无须增配传感器和控制回路。此方案适用于在前期设计阶段就将空气调节系统和冷源系统作为整体统一进行考虑的场合，尤其适用于二者同时进行改造的项目。

2种方案在传感器、控制箱配置等方面存在的差异如表1所示。

由表1可知，方案2對既有传感器和设备接口的利用率最高，系统资源更加优化，从而避免了部分硬件设备的重复配置。

3 权限切换及灾害联动

上述方案通过节能控制系统与BAS系统的配合可以实现对冷源系统和空气调节系统的节能优化控制。在节能控制方式下，空气调节系统和冷源系统的调节控制权限均归属于节能控制系统，设备的调节指令统一由节能控制系统计算得出并分发，而BAS系统只负责数据采集和控制指令的转发执行。当系统发生火灾等异常情况时，BAS系统通过共享网络告知节能控制系统，节能控制系统在接收上述信息后立即由节能优化调节模式切出，改为BAS控制方式，由BAS系统统一执行事故通风排烟模式指令。节能控制和BAS控制2种方式下权限切换的具体数据采集和控制流程如图3所示。

4 调节策略建议

通风空调系统控制调节策略作为影响车站环境指标和能耗高低的重要一环，是相关改造项目的难点之二。基于车站环控系统的普遍现状，给出调节策略的改进方向如下。

4.1 过渡季通风调节

影响地铁车站站厅站台空气质量的主要污染物为CO2，在过渡季期间，通风系统运行的主要目的是引入新风，保证公共区域CO2的浓度在安全范围内，满足地铁设计规范1.5‰以下和室内空气质量标准1‰以下的要求。

车站CO2实测的浓度普遍较低，在不改变车站通风系统结构和设备配置的情况下，需要对风机开启策略进行调整，充分利用出入口的自然渗透风降低风机平均开启台数，而风机的运行频率可根据车站CO2、温度指标进行动态调节。采用上述调节策略后，在满足车站环境指标的前提下能够降低机械送风量，有利于减少通风系统的能耗。

综合以上所述，给出具体过渡季通风控制系统方框图如图4所示。

在客流量较大的工况下，采用结合客流预测指标的模糊控制系统对风机进行启停控制和频率调整：在检测到当前及预测未来固定一段时间内环境指标均正常的情况下，停止风机运行;在检测到当前及预测未来固定一段时间内环境指标存在异常波动或超限的情况下，启动风机并维持运行状态不变。该策略可以有效抑制客流波动带来的风机频繁启停现象，CO2浓度波动也随之减小。

4.2 夏季舒适度调节

地铁车站是相对舒适的列车和多变的室外环境之间的过渡空间，乘客的衣着在地铁车站内不会发生太大的变化，由于乘客在车站内只作短暂停留，且停留期间人体的热舒适感觉来不及达到稳态，还是受先前所在环境的影响，因此并不严格要求热环境的热舒适性和稳定性。文献[8]用相对热舒适指数（RWI）结合实地测量、问卷调查的方式对南京某地铁站进行了热舒适性评价，并提出应根据室外环境参数调节地铁车站温度，但未给出调节方案。文献[9]提出了一种基于RWI相对热指标的环境参数优化方法，但未给出系统的实时控制策略。文献[10]从节能角度考虑，得出通过对地铁人员热舒适度进行正确评价，并在此基础上制定合理的运行调节策略是十分必要的。基于上述文献，利用RWI指标指导车站环控优化的关键在于设计出一种适用于实时环控系统的控制方案，实现车站目标舒适度的选取以及温湿度目标值的确定，具体控制系统方框图如图5所示。

站内RWI指标的确定需综合考虑站内当前和室外预测的RWI指标，通过专家系统对二者进行综合分析判别得出站内RWI目标值，再经边界条件约束和极值最优判别过程，得出当前站内温湿度的目标值，从而指导系统对具体设备进行控制。

4.3 冷源系统调节

为解决现状中“源”与“荷”不匹配造成的供冷过剩问题，对车站现场运行数据进行收集分析。某车站大系统夏季环境温度日调节曲线如图6所示。

从图6公共区通风空调风机频率和二通阀开度曲线可看出，该车站全天冷负荷小，BAS系统将公共区通风空调风机频率调整至最低保护频率，将二通阀阀位调整至最小开度，该工况带来的问题如下：

（1）大系统冷冻水管路压力较大，长期运行对管路及二通阀的寿命存在影响;

（2）公共区通风空调中的风机长期低频运行存在散热问题;

（3）冷源系统处于大流量小温差的运行状态，制冷主机能效比（COP）较低，运行状态不经济。

在调整车站大系统开关时间的基础上，建议在非换乘站和非枢纽站这类负荷需求较低的站点，对冷源系统的水泵进行变频改造，使其能够对系统供冷量进行调节，在冷量需求较低的时间段，下调水泵电机频率既能提升冷源和负荷匹配程度，又能显著降低设备能耗;此外，结合车站的湿度情况适度调整制冷主机的出水温度，在机组电机允许的范围内尽量采用较高的出水温度，这对于节约主机运行能耗具有重要意义。上述建议在一定程度上既保证了主机效率，又降低了管网承受压力，有利于系统长期稳定地运行。

5 结语

传统的车站通风空调系统由于在设计之初，为尽可能保证远期车站的运能负荷，设备容量选取存在很大裕度，设备长时间运行在相对高能耗低负荷的工况下，导致运行效率较低。本文在冷源系统、空气调节系统和介质管网不做调整的情况下，对比分析了2种不同控制系统结构方案的优劣，并给出调节策略建议，对地铁“降本增效”的方法进行了探索，同时为完善环控工艺设计、使之由机械的模式表运行体系向环境和能耗指标体系引导转变提供了借鉴思路。

参考文献

[1]左定强. 对地铁环控系统的探索[J].中小企业管理与科技，2012（1）：299-300.

[2]陆健东. 地铁通风空调系统节能的实现研究与思考[J].科技创新与应用，2017（18）：155-156.

[3]朱培根，田义龙，何志康，等. 地铁通风空调系统节能分析[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2012（5）：589-592.

[4]刘长鸣. 地铁通风的节能环保与空调系统控制研究[J].科技创新与应用，2014（5）：38.

[5]张旭，叶薇，徐琳. 城市地下空间通风与环境控制技术[M].上海：同济大学出版社，2018.

[6]GB 50157-2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[7]刘晓华，张涛，戎向阳，等. 交通场站建筑湿热环境营造[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[8]朱培根，王春旺，仝晓娜，等.地铁站乘客动态热舒适评价研究[J].暖通空調，2016，46（2）：101-104，40.

[9]刘文，梁彩华，凌善旭，等. 夏季地铁站内环境控制参数优化研究[J].建筑科学，2017，33（12）：135-141.

[10] ASHRAE. ASHRAE handbook-fundamentals[M].Atlanta：American Society of Heating， Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，2001.

[11] 李晓菲，冉航. 地铁通风空调系统设备管理节能分析[J].现代城市轨道交通，2019（4）：15-18.

[12] 林仁生. 改变冷水出水温度对主机运行能耗及影响空气处理效果的分析[C]//全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集，2000：718-721.

[13] 朱俊亮. 地铁通风空调系统现状及改进可行性研究[J].节能与环保，2018（2）：62-65.

[14] 王斌，李小坤. 无锡地铁通风空调系统节能优化的探索[J].都市快轨交通，2016，29（2）：104-108.

[15] 刘书云. 深圳地铁通风空调系统变频节能技术分析[J].现代城市轨道交通，2017（8）：24-27.

收稿日期 2020-02-21

责任编辑 党选丽