地铁通风空调节能系统方案探析

王克斌

（上海电科智能系统股份有限公司，上海 200063）

1 轨道交通节能概述

截至2019年底，中国内地共有40个城市开通城市轨道交通运营线路208条，总长度6 736.2 km，当年新增运营里程974.8 km。共有65个城市的城轨交通线网规划获批，其中，线网建设规划在实施的城市共计63个，在实施的建设规划线路总长7 339.4 km。十三五四年间，累计新增3 118.2 km[1]，地铁建设处于蓬勃发展的时期。随着各城市地铁运营里程的不断增长，能耗问题日益凸显，电费支出占运营成本的30%左右，而车辆牵引和通风空调系统又是整个系统的耗电大户，如图1所示。由于通风空调系统按照远期运营指标设计，并留有较大裕量，所以具有较大的节能空间。该文以上海轨道交通15号线为案例，阐述了通风空调节能系统策略、架构以及功能。

图1 地铁各系统能耗占比情况

1.1 通风空调系统构成

通风空调系统包括为公共区环境提供服务的相关设备构成的大系统，为车站设备管理用房提供服务的相关设备构成的小系统，为整个通风空调系统提供冷源的相关设备构成的冷水系统，为隧道区间提供通风排热的相关设备构成的隧道通风系统。

上海15号线通风空调系统主要是由回排风机、组合式空调器、冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、电动风阀及管路等构成的一个相对独立完整的系统，其中冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、回排风机和组合式空调器采用变频器控制，冷水机组采用的是螺杆式冷水机组。

1.2 通风空调系统能耗的影响因素

地铁地下车站热量主要来源于列车运行产生的热能、乘客的散热、站内照明设备的热能、站内自动扶梯等机械设备运行的散热以及通过新风系统和出入口进入站内的新风带来的热能等[2]。由于地铁站热力学模型具有大滞后的特性，所以要达到较好的优化控制效果，仅关注站内各参数的实时变化情况，是不能满足控制需求的，需要预测冷源的需求变化趋势，根据趋势变化情况，对系统设备进行合理控制，使各设备避免运行状态大幅变化的情况，降低系统能耗。总之，通过通风空调系统节能优化控制，满足地下站公共区内环境如下指标，并取得较好的节能效果：地下站公共区内的CO2日平均浓度应小于1.5‰，通风季站内温度不高于室外空气计算温度5 ℃且不应超过30 ℃，空调季站厅比室外空气计算温度低2 ℃～3 ℃，且不应超过30℃，相对湿度在40%～70%，站台比站厅空气计算温度低1 ℃～2 ℃，相对湿度在40%～70%[3]。

2 通风空调节能系统策略

通风空调系统节能优化控制主要采用以下3个策略：效率优先、供需平衡和智能联动。

2.1 效率优先

效率优先主要从2个方面考虑，设备运行效率和环境因素。从图2冷水机组制冷效率随冷却水温度变化趋势图中可以看出，冷却水温度越低，冷水机组的制冷效率越高，但是不论冷却水温度如何变化，冷水机组负载率为50%～70%，相对于同一冷却水温度其他负载率的情况下，其制冷效率都是较高的，所以在对通风空调系统进行优化控制时，要尽量保证冷水机组运行在该区域内。环境因素主要是从尽量降低潜热损耗的角度出发的。潜热是物质发生相变过程吸收或放出的热量，通常情况下，物质发生相变的过程中温度基本保持恒温状态[4]。站内环境温度，采用降低空调机组送风温度，但是当送风温度低于露点温度时，水蒸气凝结成水，部分冷量浪费在潜热消耗，此时增加冷水机组冷量供给，送风温度不会明显降低，所以要提高效率，就必须减少潜热的损耗。

2.2 供需平衡

站内环境影响因素包括行车间隔、客流量、站外环境变化情况等，通过分析各因素对冷量需求的影响，预测站内冷量需求，根据冷量需求合理调整各设备运行参数，达到冷量供需平衡的状态，避免设备大幅波动，减少设备能耗。冷量预测是对历史数据进行存储、分析，根据历史类似运行工况下的冷量需求数据，预测当前环境冷量需求。例如相似条件下t1时刻给定相同的系统负荷Q1，t2时刻以历史数据Q2为基准，参考变换趋势给定t2时刻系统冷量需求Q3，如此往复，不断修正。通过负荷预测，变被动调节为主动调节，实现供需平衡，减少了系统的振动和波动，降低系统能耗。

图2 冷水机组制冷效率随冷却水温度变化趋势图

2.3 智能联动

通风空调系统中存在多个耦合关系的系统，例如冷却水系统与冷水机组、冷冻水系统与冷水机组、风系统与冷水系统等，在处理具有耦合关系设备的节能控制时，需要综合考虑系统的能耗，才能达到整体能耗最优的目的。

以冷却水系统与冷水机组为例，从图3中可以看出，冷水机组制冷效率随着冷却水温度的降低而升高，因此，在同样的冷量需求下，冷水机组的能耗随冷却水温度的降低而减少；冷却水泵和冷却塔风机的能耗随冷却水温度的降低而增大；冷水机组的能耗与冷却水泵、冷却塔风机的能耗具有紧密的耦合关系。处理好系统间的耦合关系，才能使系统的能耗最低。通过图3可以看出，在冷却水的边界条件内，存在某个冷却水温度，使冷却水泵、冷却塔风机和冷水机组组成的冷却水系统能耗最低，采用寻优算法，找到最优参数，是节能控制系统的关键。

图3 冷水机组冷却水系统能耗图

3 通风空调节能系统架构及功能

3.1 系统架构

通风空调节能系统主要包括节能智能控制模块和节能优化决策模块，节能智能控制模块部署在BAS冗余PLC中，由空调水系统的变流量智能控制模块、风系统的变风量智能控制模块、车站轨行区排热风机智能控制模块构成；节能优化决策模块部署在实时数据服务器上，由COP主动寻优模块和负荷预测预判模块构成。通风空调节能优化控制系统架构如图4所示。变流量智能控制模块、变风量智能控制模块具有相对独立的运行特性，分别接收空调水系统、车站风系统和轨行区排热系统的实时数据，并根据内置的节能控制算法，制定最佳系统控制策略，同时接收节能优化决策模块的计算参数，优化各模块的控制参数；节能优化控制记录及相关统计分析数据由BAS主体系统上传到综合监控系统。节能智能运算单元的被控对象（风系统、空调水系统）的运行状态监控及节能调节记录等历史数据存储功能由综合监控系统统一实现。

3.2 系统功能

3.2.1 COP主动寻优模块

主动寻优模块是将系统的运行数据进行存储，利用大数据分析，结合主动寻优算法，计算出系统的最佳工况点；将历史数据类似工况下的设备运行参数导入控制系统，优化控制参数，并不断自动修正。主动寻优可以使整个通风空调系统能耗最低。

3.2.2 负荷预测预判模块

利用大数据对行车间隔、客流量、温湿度变化情况等数据进行存储，分析各因素对负荷变化的影响，结合行车计划、客流高峰、温湿度变化等数据，预测预判站内冷量需求情况，提出设备优化控制方案。

图4 通风空调节能系统架构图

3.2.3 变流量智能控制模块

变流量智能控制模块实现冷水机组、冷冻泵、冷却泵和冷却塔风机等水系统设备联动控制，通过对各设备的运行参数进行动态优化调节，实现水系统节能的目标。在任何负荷条件下，都能以最少的系统能耗获得需要的冷量，在保证末端空调服务质量的前提下，实现空调水系统的综合优化与高效节能。

变流量智能控制模块包括以下4个功能。1） 关联控制功能：根据实际需要制定关联计划，来指定受控设备之间的关联关系，并按要求来启动/停止相关的设备组合，操作简便。2） 泵组优选功能：在并联冷冻水泵系统中，系统能够实时计算当前负荷所需的冷冻水流量，推算出运行的并联水泵台数及工作频率，在该状态下泵组消耗的总能耗最低，实现泵组电量总消耗最低的控制目标。3） 冷水机组群控功能：在多台冷水机组并联运行时，系统可以根据实际的运行情况和负荷变化，智能选择空调冷水机组运行台数，实现系统最佳运行组合，确保空调系统的高效运行；同时，可以根据车站空调使用习惯，制定机组启停计划，满足控制需求。4） 动态水力平衡控制：能够通过对空调系统的水力分配加以干预，使每个空调环路都能够获得需要的冷冻水流量，实现中央空调管网的水力动态检测和自动调节，实现对空调系统水力平衡的有效控制，确保各支路的能量分配均衡和良好的制冷效果。

3.2.4 变风量智能控制模块

风系统的组合式空调箱和回/排风机，根据车站公共区控制对象和实际需求，采用变频控制方式调节空调系统送/排风量，同时组合式空调冷冻水阀依据送风温度进行自动调节，在满足公共区环境温度的前提下，最大限度地降低能源消耗，同时实现全局的动态水力平衡调节功能。

根据采集到的温湿度数据，实现风系统通风设备的变频控制，实现综合优化节能。变风量智能控制模块包括以下功能。1）定时控制策略：根据实际需要制订定时启停计划，达到计划时间则自动启动或停止控制策略中指定的设备。2）计划目标值表控制：根据需要在不同时间段配置不同的目标值，也可以根据地铁车站在不同时段的客流量分布情况，设置不同的控制目标值。3）新风换气功能：系统通过实时监测的公共区CO2浓度，以满足《地铁设计规范中》规定的人均最小新风量为依据，并综合考虑风机的转速、历史CO2浓度变化趋势，确定新风的需求量，定时进行新风量的补给。4）系统保护功能：系统能通过对车站通风系统设备各种运行参数的检测，提供完善的安全保护功能，确保设备运行安全、可靠、稳定，包括但不限于以下保护功能：CO2浓度过高保护功能、回风（区域）高温保护功能、送风高温保护功能等。

4 结语

通风空调系统为车站公共区域提供服务，直接影响乘客的出行体验，在满足乘客需求的前提下，降低系统能耗，响应国家节能减排的号召，为企业带来可观的经济效益，也为城市的低碳出行、绿色出行提供强有力保障。通风空调节能控制系统有很大的发展空间，设备在线监测、故障智慧诊断，避免“带病”设备影响系统能耗，节能系统自主学习、自主进化等都是节能系统的发展方向。