地铁通风空调系统节能控制的实现及效果

文 / 西安市轨道交通集团有限公司建设分公司 钟锐楠

地铁通风空调系统控制策略概述

依据地铁的负荷及能耗特点，本方案主要通过对控制对象采取优化的控制措施从而实现以下功能：

（1）根据现场环境参数实时调节各类变频风机频率，适应地铁负荷的变化，节约风机能耗；

（2）对冷水机组运行台数、冷水机组出水温度、冷冻水泵频率及电动二通阀的调节采取优化控制措施，降低水系统能耗。

通风系统节能工艺实现控制策略

通风工艺根据车站实际内外环境，提出了准确控制风机频率，保证车站满足环境的指标要求，为了实现大系统通风工艺要求，本章将会进行详细的控制策略方案分析。

空调机组频率调节

空调机组为一次回风系统，空调机组风机配置变频器，通过改变频率能够调节空调机组的送风量，减少能源的消耗。

空调季空调机组控制策略。在空调季，为了使本端公共区站内平均温度=设定温度，根据本端公共区站内平均温度与站内设定温度的差值及冷冻水温度等参数进行组合式空调机组的风机频率优化调节，同时根据公共区CO浓度做保护。具体调节趋势如下：

本端公共区站内平均温度tn＞tset，风机频率提高；

本端公共区站内平均温度tn＜tset，且二氧化碳浓度CCO≤Cset，风机频率降低。

回排风机频率调节

地铁通风系统回排风机配置变频器，通过改变频率可以调节回排风机的送风量，减少能源的消耗。

送排风机均运行时，回排风机的频率f根据组合式空调机组的风机频率及各风机额定风量计算得到，可以根据计算得到的频率进行回排风机频率的即时调节。计算公式如下：

f为回排风机频率，f1为组合式空调机组风机频率

Q为组合式空调机组额定（工频）风量（xxxm/h）

Q为回排风机额定（工频）风量（xxx m/h）

Q为小新风机的额定（工频）风量（xxx m/h）

具体风量以工点设计提供数据为准。

只送不排时，按照空调机组频率调节算法进行调节。

水系统节能工艺实现控制策略

地铁车站大系统和小系统共用一套冷水系统，由车站冷水机组提供冷冻水。水系统节能工艺主要包括：

冷机启停控制

自动开机策略：

（1）系统当前模式为夏季且系统当前时间在制冷系统时间表内；

（2）tw ＞ tset1；

两个条件同时满足且持续Tm时，向冷站系统发送开启冷机指令（开启其中一台）。

注：

tw ：车站室外平均温度；

tset1 ：冷机切换新风温度（由设计给定）；

Tm ：冷机切换新风温度持续时间。

自动停机策略：（1）系统当前日期不处于空调季；

（2）tw ＜ tset1-2℃，同时满足持续时间为Tm；

上述条件满足其一，向冷机发送关机指令。

冷机台数及负荷调节控制

BAS系统根据负荷情况对冷机的运行台数进行调节。冷机的负荷数据是由冷机自身来提供，通过BAS与冷机的接口，由冷机将负荷数据实时传送给BAS系统，系统会根据检测的冷机负荷率以及温差的变化，来进行冷机台数的增减，具体过程如下：

（1）单台冷机运行时，当运行冷机的负荷率大于设定负荷率m（如90%），且持续时间大于设定时间t，且冷冻水供水温度大于设定温度T1，则增加一台冷机投入运行。（2）两台冷机运行时，当两台冷机的负荷率之和小于设定负荷率m（如8：5%），且持续时间大于设定时间t，且冷冻水供水温度小于设定温度T，则减少一台冷机运行。

因冷机的启停过程需时较长，启停过程中会对水温、压力、水量等产生较大的影响，因此应避免人为频繁的改变冷机运行台数。

冷水系统设备控制策略

（1）冷冻水泵频率调节。为了避免大流量小温差运行导致的水泵能耗浪费，冷冻水泵根据冷冻水供回水温差（设计温差为5℃）来进行频率地优化控制，当实际温差大于设计温差时，提高频率；实际温差小于设计温差时，降低频率。

（2）最不利末端压差保护。对于可能出现的最不利末端压力不够的情况，在冷冻水泵的频率控制中，设置最不利末端压差保护功能，控制逻辑如下：

根据压差传感器的测量值，当实际压差小于设定最小压差时，停止按照供回水温差进行冷冻水泵的频率控制，保持当前水泵运行频率不变；如实际压差小于设定最小压差值，且持续时间t，则逐步提高冷冻水泵运行频率，直到实际压差大于设定最小压差值，停止提高频率，水泵保持当前频率运行；如实际压差大于设定最小压差的持续时间t，恢复按照供回水温差进行变频控制。

（3）冷却水泵台数控制。冷却水泵为工频控制，为了避免大流量小温差运行导致的水泵能耗浪费，冷却水泵根据冷水机组运行台数进行启停控制，当冷水机组运行一台时，冷却水泵启动一台；当冷水机组启动两台时，冷却水泵也相应启动两台。

（4）冷却塔风机台数控制。冷却塔风机为工频控制，冷却塔风机台数控制根据冷却水回水温度进行控制，具体为：

当冷却水回水温度大于设定低限温度t，小于设定高限温度t（即：t≤t≤t），且持续一定时间T，则运行一台冷却塔风机；

当冷却水回水温度大于设定温度t，且持续一定时间T，则运行两台冷却塔风机；

当冷却水回水温度小于设定温度t，且持续一定时间T，则关闭所有冷却塔风机。

（5）电动二通阀调节控制。BAS系统二通阀开度采用定时调节功能，具体调节方式按以下规则进行：

大系统二通阀可根据送风温度来进行调节

当送风温度大于设定温度，且持续一定时间T时，要减小二通阀的开度；

当送风温度低于设定温度，且持续一定时间T时，二通阀开度增大。

节能效果检验方案

针对地铁线路在开通运营后，为了检验节能方案实施效果，特采取以下检验方案：

在地铁线路选取一座典型车站，在一定时间内该站BAS系统按照通风空调节能控制策略方案运行BAS系统设备，并记录该方案下能耗数据。再在接下来同样的时间段内，使该站BAS系统按照非通风空调节能控制策略方案（与其它既有线路车站的控制方式相同）运行BAS系统设备，并记录该方案下的能耗数据。对相同时间段内两种运行方案下记录的能耗数据进行比较，即可判断节能的实际效果。

说明：该方案数据能耗为同一个站点，车站空间、设备数量、通风工艺设计均相同，满足节能效果检验的所有条件，数据比较也就更有说服力。

能耗数据统计方案及节能率

能耗数据统计方案

空调季，在该车站每7天一个周期选择时间表模式和节能模式运行，分别记录在这两种模式运行下电表的数据，按1个月的数据为周期进行记录，通过记录的数据进行对比，从而计算出节能率。在正常时间表模式下，只要进入空调季，通风空调和水系统就会按照事先排定的时间表进行模式运行；当采用节能模式运行后，在外部环境温度变化时，控制策略会通过温度、湿度及二氧化碳浓度对空调机组、回排风机、冷冻泵频率和二通阀开度进行调节，同时可对冷水机组、冷却塔风机的加减载进行调节，在需冷量加大时增加风机频率及二通阀开度，当需冷量降低时减少风机频率及二通阀开度，从而达到节能的目的。

能耗统计数据如下：

经过一个月的数据统计，最终采集的空调机组、回排风机、冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔等通风空调系统设备在非节能模式下的总能耗数据为：113706.99，节能模式下的总能耗数据为89627.13。

节能率计算

节能率=[1-（节能模式下的能耗数据/非节能模式下的能耗数据）]*100%

经过以上数据计算得出该典型车站通风空调系统节能率约为21.18%。

结语

通过对通风空调系统节能控制策略的引进及以上计算数据分析，可以得出如下结论：

（1）BAS通风空调节能控制系统通过对通风空调系统和空调水系统监控设备的实时自动调节，既保证了车站营运所需的正常通风，同时也达到了减少能耗，节省能源的目的。

（2）通过对节能模式下空调机组、回排风机、冷冻泵、二通阀等实际运行参数的分析，表明BAS系统节能控制策略的引进，通过控制调节使得以上设备启动一段时间后在低频下运行并保持稳定，降低设备损坏的几率，减少了运营及维护成本。