地铁综合监控系统节能控制方案探讨

王孟强

（厦门轨道建设发展集团有限公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

厦门地铁3号线通风空调系统设计分为空调水系统、车站大系统、设备区小系统以及隧道通风系统等，其控制方案按照传统的方案进行设计，由环境与设备监控系统（BAS）对通风空调系统进行监控管理，由于通风空调专业设计对控制专业了解不够深入，同时控制专业设计对通风空调系统的整体工艺了解不够全面，在通风空调系统的节能控制方面，BAS系统的控制策略无法与通风空调系统工艺紧密结合，通风空调系统的模式工况转换有时需要调度人员人工干预执行，整个通风空调系统的运行效率亟待提高，其节能控制方案需要进一步优化和完善。

1 现状分析

综合监控系统作为机电系统的核心控制“大脑”，其在机电设备联动控制、节能减排方面起着关键核心作用，在笔者参与的几条已建成的线路中，机电通风空调系统的控制方案存在一些不足之处，下面列举几个关键问题，并逐一进行探讨和分析：

（1）通风空调系统由BAS对其各种模式工况和设备状况进行监控和管理，由于BAS系统是一套实时控制系统，没有历史环境数据，同时BAS与自动售检票系统（AFC）未设置接口，无法实时获取车站客流信息，无法根据客流人员负荷情况进行控制，其在控制方面存在一定的滞后性，有时出现早晚高峰期间车站公共区偏冷，正常运营时间段车站偏热的现象，通风空调系统的控制效果不理想。

（2）通风空调设计要求冷水机组的控制分为单台冷机运行、双冷机运行以及全停模式三种工况，根据负荷调节开启冷水机组，冷水机组加减机的转换条件为，两台冷机负载率均小于40%时，关闭一台冷机，当冷水机组运行台数为一台，负载率大于85%且车站温度高于目标值时，开启第二台冷机。该设计中冷机的加减机转换条件不完善，可能会出现双冷机长时间运行工况，从而增加整个冷水系统的能耗，因此，冷水机组的开机与自动加减机控制需要进一步优化，最终才能实现降低冷水系统用电能耗的目的。

（3）隧道通风系统是通风空调系统的重要组成部分，主要由隧道变频风机TVF（90至100 kW）、排热变频风机UOF（50至60 kW）以及电动风阀组成。根据通风设计要求，每天在列车上线前和运营结束后，各车站需要执行隧道早晚通风模式，一般固定开启四台TVF运行1小时，此运行时间为通风设计根据经验估算得出，主要目的是利用室外冷空气对地铁隧道进行冷却降温并补充新鲜空气，将地铁隧道内聚集的热气和湿气排出隧道。UOF在空调季行车高峰期间以50 Hz频率运行，非高峰期间以25 Hz频率运行，夜间停运，开启UOF是为了将列车运行期间产生的热量以及刹车制动时产生的热量排出隧道。从远期运营情况分析，上述模式工况没有问题，但结合初期试运营情况分析，初期行车密度小，地铁隧道内温度远未达到设计上限值，仍按照固定模式运行隧道通风系统，从控制专业角度分析，显然不合理，应考虑初期运营行车密度情况，根据隧道内的实际温度，优化调整早晚通风模式和排热风机运行时间，以达到合理使用设备，降低隧道通风系统设备能耗的目的。

2 综合监控系统节能控制设计思路

针对通风空调系统现有控制方案无法实现更好的节能目标问题，笔者提出了对通风空调系统控制方案进行优化和完善，利用综合监控系统平台优势，优化通风空调模式工况自动切换控制、增加风水联动控制策略，优化冷水机组自动投切控制功能，优化隧道通风系统早晚通风及排热模式等，在保证车站环境质量和温度满足设计要求的前提下，降低通风空调系统设备能耗，实现节能减排目标，以下是具体的设计思路：

（1）利用综合监控系统强大的计算能力，根据室外与车站内环境温湿度参数计算出室内外空气焓值，并对室内外空气焓值进行对比分析，最终由综合监控系统自动控制通风空调系统模式运行工况，实现通风空调系统模式工况自动切换运行。

（2）对于车站大系统的节能控制，利用综合监控系统与AFC的互联接口，实时采集客流信息数据，估算车站客流人员负荷，根据客流人员负荷情况与站台公共区的实际温度计算所需空调冷负荷及新风量，采用前馈加风水联动控制策略，动态调节空调机组的运行频率（改变送风量）和空调机组回水管上二通阀的开度（调节冷冻水流量），来调节公共区的环境温度；对于车站小系统节能控制，因其空调机组采用定频设计，通过自动调节设置在末端空调机组回水管上的电动二通阀开度来控制流经空调机表冷器的冷冻水流量，改变送风温度，使设备房和人员管理房间温度稳定在设计范围内。

（3）对于冷水系统的节能控制，增加车站环境温度的判断条件，根据车站环境温度和冷水机组的负荷变化，优化冷水机组的控制策略，实现冷水机组合理自动投切运行，使冷水机组保持高效运行工况，减少冷水系统运行负荷。

（4）根据车站隧道内实际温度，结合初期试运行情况，优化隧道通风系统早晚通风模式和排热风机的运行时间，降低设备能耗。

3 具体实施方案

3.1 通风空调系统模式工况自动切换控制

具体方案为：

（1）通风空调系统在空调季分为小新风和全新风两种模式工况，综合监控系统根据室外空气焓值（I）和室内空气焓值（I）比较结果进行模式工况转换控制。当I＞I时，执行小新风空调工况，这时由于室内空气焓值低于室外空气焓值，为了节约能耗，采用小新风加一次回风运行小新风空调工况。当I≤I时，并且T（室外温度）≥T（空调送风温度，预设为18 ℃）时，执行全新风空调工况，这时关闭回风阀，将车站内回风全部排出，同时打开新风阀，采用室外全新风，室外新风经过空调机组表冷器冷却后送至车站空调区域。

空气焓值计算公式：＝1.006＋(2 501＋1.86)，其中表示空气温度，表示单位质量干空气含湿量。

（2）通风季工况：当T（室外温度）＜T（空调送风温度预设18 ℃）时，系统执行通风季模式，T由设置在空调机组出风管上的传感器采集送风温度。

（3）当站内CO浓度超过设计范围1 000 PPM时，由综合监控界面进行报警，提示站务人员公共区CO浓度超标，系统自动执行小新风空调模式工况运行。

综上所述，综合监控系统每分钟对T与T进行比较，为了提高控制的稳定性，防止频繁切换控制，T与T连续对比10次且结果一致，作为空调季与通风季运行工况转换的依据。同时，综合监控系统每10分钟计算一次室内外焓值，作为空调季小新风与全新风工况转换依据。即：综合监控节能控制系统每10分钟根据温度和焓值计算的结果判断是否进入空调季，如进入空调季，再进行小新风与全新风工况转换。另外，当站内CO浓度超过1 000 PPM（室内空气质量标准要求）时，综合监控系统执行小新风工况。

3.2 车站大系统节能控制方案

车站大系统采用双端送风方式，在站厅A端和B端环控机房各设置一台变频组合式空调（35至55 kW）、一台变频回排风机（20至35 kW）、一台新风机和部分风阀等设备，其共同负责车站公共区的通风调节工作。通过综合监控与AFC系统的接口，实时获取车站客流信息数据，计算出客流人员负荷，根据客流人员负荷与站台公共区温度数据，计算出通风空调系统所需冷量负荷。大系统节能控制采用前馈加风水联动控制（变风量和变水量）方案。变风量调节，主要是调节大系统空调机组的频率，频率越大，送风量越大；频率越小，送风量越小。变水量调节，通过调节设置在大系统空调机组回水管上的电动二通阀来控制流经空调机组表冷器的冷冻水流量，二通阀开度越大，冷冻水流量越大；开度越小，冷冻水流量越小，调节二通阀开度可以改变大系统的送风温度。图1为通风空调大系统原理示意图。

图1 通风空调大系统原理示意图

由于车站大系统变频空调机组的功率要高于冷冻泵的功率，为了实现更好的节能控制目标，采用加大送风温差方式，减少送风量，即大系统二通阀开度调节幅度要大于空调机组频率调节幅度，二通阀开度变大，流经空调机组表冷器的冷冻水流量就会变大，会带走更多热量，换热效果更好，此时降低空调机组频率调节幅度，减少送风量。根据车站站厅与站台的设计结构，站厅温度一般会比站台温度高2 ℃左右，在本控制方案中，以稳定站台温度为控制目标，根据车站客流人员负荷情况与当前环境温度参数，确定大系统最优送风温度，调节二通阀开度控制车站送风温度，调节组合式空调机组频率控制车站环境温度。图2为大系统节能控制示意图。

图2 大系统（前馈+风水联动）节能控制示意图

3.2.1 大系统空调机组频率控制

根据通风空调系统设计要求，在车站站台公共区设置四个温湿度传感器和两个二氧化碳传感器，用来采集站台的实时环境数据。根据客流负荷与站台公共区四个温湿度传感器的平均温度值对公共区温度进行调节，车站大系统按同一被控对象对两端的空调系统进行调节控制，即综合监控系统根据站台平均温度值与客流负荷情况，调节控制空调机组运行频率，保证大系统回风温度稳定在设定值（根据设计要求设定）附近，从而使站厅、站台实际温度达到设计要求。图3为大系统空调机组控制逻辑示意图。

图3 大系统空调机组控制示意图

当公共区平均温度T＜28 ℃（通风设计要求，可调节）时，说明站台公共区的冷负荷超出设计要求，供冷过量，空调机组负荷需要减少，应降低空调机组运行频率；当站台公共区平均温度T＞28 ℃时，说明站台公共区的冷负荷未达到设计要求，需要增大空调机组运行荷，应提高空调机组运行频率。

3.2.2 大系统空调水流量控制

大系统二通阀安装在组合式空调机组的回水管上，通过控制二通阀开度大小，来控制流经组合式空调机组的冷冻水流量，从而保证组合式空调机组送风温度恒定。空调机组以不小于25 Hz（最低频率）运行，当站台公共区平均温度T＜28 ℃时，说明站台公共区供冷过量，冷负荷需要减少，此时应关小二通阀开度；当站台公共区平均温度T＞28 ℃时，说明站台公共区的冷负荷未达到设计要求，需要增大供冷量，此时应增大二通阀开度。

3.2.3 大系统节能控制要点

大系统节能控制采用模糊控制算法，同时控制二通阀开度及空调机组频率，综合监控系统每3分钟采样一次站台公共区平均温度值进行计算，并根据公共区实际温度与设计目标温度偏差值对控制精度不断进行修正，为了提高控制的精确性，同时避免出现较大控制震荡，控制系统做以下设置：

（1）将车站A、B端作为整体的一个系统进行控制，使用站台公共区的温度平均值作为输入条件，进行目标温度控制，同时设置控制死区，设定值偏差为±0.3 ℃。

（2）根据客流信息计算出客流人员负荷，采用前馈加风水联动控制，将二通阀开度、风机频率调节作为一个协调变量，在增大二通阀开度同时加大空调机组的运行频率，二通阀开度调节幅度大于空调机组频率调节幅度，以此来提高综合监控系统节能控制的反应速度，改变系统响应时间，使得在系统受到扰动后能够很快地恢复到目标值，避免出现大的波动。

（3）对于大系统风循环，由于大系统空调箱实际风量与设计风量不能做到完全一致，而且不同频率下风量也会发生变化，可能会出现混风室负压较大，漏风严重的情况。因此，空调季节采用平衡送风，在确定空调机组频率以后，回排风机频率根据空调机组频率进行调节，即回排风机频率=空调机组频率。需要注意的是，空调机组运行频率下限保护值为25 Hz。

3.3 车站小系统节能控制

车站小系统空调机组为定频设计，因此小系统调节主要是通过调节末端组合式空调机组回水管上二通阀开度来实现节能控制，小系统为定风量控制系统，二通阀调节控制方法与大系统一致，小系统采用的是各设备房平均温度值进行计算。图4为小系统节能控制示意图。

图4 小系统节能控制示意图

当设备房平均温度T＜设定值（通风专业设计要求，弱电设备房温度宜为27 ℃，强电设备房温度宜为36 ℃）时，说明设备房供冷过量，系统冷负荷需减少，应关小二通阀；当T＞设定值时，说明设备房冷负荷未达到设计要求，需要增大冷负荷供应，此时应开大二通阀开度；小系统同样设置调节死区，设定值偏差为±0.3 ℃。

3.4 冷水机组节能控制

冷水机组是通风空调系统的耗能大户，提高冷水机组的运行效率，优化冷水机组的控制策略，对于提高整个冷水系统的能效和节能有着重要的意义，冷水机组的节能控制采用前馈加反馈控制策略，即综合监控系统根据公共区的环境温度、设备区房间温度来判断冷水机组是否开机的前馈控制，再根据冷水机组的运行负载率、室内温度等参数反馈控制冷水机组加机和减机运行，具体控制要求为：

（1）开机控制，当前如果没有冷机运行，根据站台公共区平均温度（设计值为28 ℃）和小系统设备房温度（强电设备房设计为36 ℃，弱电设备房设计为27 ℃）是否超过设计值来判断是否需要开启冷机。在白天时间段，如果站台公共区平均温度或小系统至少两个设备房的温度超过了设计目标值，则开启一台冷机运行。在夜间时间段，如果小系统设备房平均温度超过了设计目标值，则开启一台冷机运行。白天和夜间开启的这台冷机由综合监控系统根据历史数据进行对比分析，即在同样时间段，哪台冷机的历史运行效率高，则开启哪台冷机。

（2）冷水机组的加机控制，当冷水机组运行数量为一台，当前冷机运行负载率＞90%，同时室内温度高于控制目标+1 ℃，且该工况持续25分钟时，启动第二台冷水机组开机程序；当60%≤冷机当前负载率≤90%，同时冷水机组出水温度大于设定值+1 ℃，且室内温度高于控制目标，该工况持续25分钟时，启动第二台冷水机组开机运行。这两种情况说明单台冷机的制冷量已经不能满足现场的实际负荷需求，需要增加一台冷机运行。

（3）冷水机组的减机控制，当冷水机组运行台数为两台，且两台冷水机组负载率均小于50%，同时室内温度小于设计值1 ℃，该工况持续25分钟时，关闭运行时间久的冷机。

（4）冷水机组的出水温度、运行负载率、公共区温度和设备房温度的采样周期均为5分钟。夜间时间段，室内温度取小系统设备房平均温度值。

3.5 隧道通风系统节能控制

隧道通风系统中TVF和UOF为主要能耗设备，合理开启TVF和UOF能降低通风设备能耗。利用综合监控系统与隧道内感温光纤接口，可对实时采集隧道内的温度，厦门地铁3号线隧道内的温度长期维持在23 ℃至29 ℃。由于初期试运营期间行车密度较小，因此，每天可以将隧道早晚通风模式运行时间优化为20分钟至30分钟，这样既达到了隧道通风换气的目的，又减少了TVF运行时间，降低了设备能耗，该控制由综合监控系统时间表功能实现。在运营远期时间段，再根据隧道内温度调整早晚通风模式运行时间。

根据通风设计要求，最热月正常运行时段区间温度≤40 ℃，列车空调箱周围空气温度≤45 ℃。空调季，UOF在早、晚高峰期间以工频50 Hz运行，非高峰期间，以25 Hz变频方式运行。非空调季UOF在白天运营期间以25 Hz运行。开启UOF是为了将列车运行期间列车空调产生的热量和刹车制动时产生的热量排出隧道。参考对隧道系统早晚通风模式的分析，在列车运行期间，会产生大量活塞风，这些活塞风可以将隧道内的热量和湿气通过活塞风井排出隧道，那么在初期试运营期间，对于列车运行期间UOF的控制思路为：

（1）当隧道区间温度超过38 ℃时，综合监控系统通过BAS控制UOF以50 Hz频率运行。

（2）当隧道区间温度超过30 ℃且小于38 ℃时，综合监控系统通过BAS控制UOF以25 Hz频率运行。

（3）当隧道区间温度低于30 ℃时，关闭UOF。

4 综合监控系统节能控制方案应用效果

为测试综合监控节能控制系统方案应用效果，2021年9月（空调季）在厦门地铁3号线华容路站进行测试，9月上旬采用综合监控节能控制方案运行，9月下旬采用通风空调系统固定模式运行，测试效果为：

（1）冷水机组运行控制效果，采用固定模式控制工艺，早上8点前进入双冷机运行工况，双冷机运行时间较长，且双冷机最高负载率累加值接近155%；采用综合监控节能控制系统运行后，在行车期间，单机组运行即可基本满足供冷需求。

（2）9月上旬，华容路站通风空调系统日均耗电量约3 019.2 kWh，9月下旬，华容路站通风空调系统日均耗电量约3 553.8 kWh。通风空调系统采用综合监控节能控制方案相比固定工况运行模式日均节约大概534.6 kWh用电能耗。如图5、图6所示为应用效果情况。

图5 华容路试点站采用综合监控节能控制方案环控系统能耗统计

图6 华容路试点站采用传统控制方案环控系统能耗统计

5 结 论

采用综合监控节能控制方案后，实现了通风空调系统全自动高效运行，减少了运营管理人员人工操作时间，提高了工作效率，整个节能控制系统更加智能，车站大、小系统的控制更合理，空调冷水系统的运行效率更高。在运营初期，合理减少隧道区间早晚通风模式的运行时间，根据区间环境温度联动控制排热风机，有效地降低了隧道通风设备用电能耗。在空调季，测试站环控系统采用综合监控节能控制方案相比固定模式能耗降低了约15%，电费按照0.6元/度计算，单站每个月可节约大概1万元电费，目前，该节能控制方案已在厦门地铁3号线（21站）全线投运，通风空调系统预估每年（空调季为6个月）可节约用电费用约120万元左右。该综合监控系统节能控制方案效果显著，在保证车站通风环境质量并满足设计要求的前提下，有效降低了系统设备能耗，具有良好的节能效益。笔者将继续跟进该方案的应用情况，针对可能出现的问题进行不断地优化和完善，使得综合监控系统在节能控制方面发挥更大的优势，同时也为轨道交通行业提供具有一定参考价值的节能控制方案。