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【摘要】：為提高地鐵車站通風空調系統能源利用效率，降低地鐵運營總能耗，以天津某新建地鐵車站為例，分析介紹一種基于風水聯動的車站通風空調系統節能運行控制方案，為車站通風空調系統的節能設計及運行管理提供參考和借鑒。
【關鍵詞】：地鐵；車站；通風；空調；風水聯動；節能
據統計，2021年中國大陸城軌交通年總電能耗達213.1億kW•h，同比增長23.6%[1]，相當于排放2125萬tCO2，通風空調系統占比30%~50%，是主要的能耗輸出項和碳排放來源；因此，加快推進地鐵車站通風空調系統節能降碳具有重要的現實意義。風水聯動智能控制系統作為地鐵車站通風空調系統一種智能、高效的節能運行控制方式，通過合理的節能控制策略，可有效提高通風空調系統能源利用效率。有研究表明，采用該控制方式的通風空調系統空調季的系統綜合節能率可達30%以上[2]。本文以天津某地鐵車站為例，介紹站通風空調風水聯動智能控制系統實施方案及節能控制策略。
1地鐵車站通風空調控制系統
天津已建及新建地鐵車站一般采用設置全封閉站臺門的通風空調系統，主要由區間隧道通風兼排煙系統（簡稱隧道通風系統）、車站軌行區通風排熱兼排煙系統（簡稱排熱通風系統）、車站公共區通風空調及排煙系統（簡稱大系統）、設備管理用房通風、空調及排煙系統（簡稱小系統）、空調冷源及水系統（簡稱水系統）組成[3]。目前，國內地鐵車站通風空調系統控制方式主要有設備監控系統（BAS）、BAS+群控控制系統及風水聯動控制系統3種[4]。1）BAS控制系統一般針對由定頻設備組成的通風空調系統，通過簡單的設備啟?？刂疲瑢崿F系統在不同工況下的調節運行。此系統雖然簡單，但運營管理不便，能源利用率低。2）BAS+群控控制系統依托風機、水泵變頻技術的發展，一般通過恒壓差或恒溫差的PID控制方法，對空調水系統設備進行群控和變頻控制[5]，由BAS系統實現空調風系統設備變頻調節，實現系統節能運行。此系統風、水系統獨立控制，不能對兩個系統中關聯的參數進行耦合計算得到整個系統最大能效系數，因此無法確定整個系統的最佳運行方案。3）風水聯動智能控制系統以地鐵車站通風空調風、水兩個系統為整體進行控制，通過建立復雜的設備特性模型，集成計算機、網絡通信、智能控制、數據庫和變頻調速等技術，自動跟蹤負荷變化，自動調節系統受控設備的運行臺數和工作頻率，優化設備運行工況，實現風、水系統全局優化耦合控制，最大程度提升系統綜合能效系數。
2風水聯動智能控制系統方案
2.1控制范圍
地鐵車站通風空調系統運行工況分為正常運行工況、阻塞運行工況、火災運行工況。阻塞及火災運行工況下，通風空調系統設備停止運行或工頻運行通風排煙，出于安全及必要性考慮，系統控制權限交由車站BAS或防災報警系統（FAS）。正常工況下，根據不同系統運行特點，采用不同的控制策略。1）區間隧道通風系統：運營時段內不運行；非運營時段定時啟動隧道風機定頻運行，為區間隧道通風。該過程無需專業節能策略，交由BAS系統控制。2）車站排熱通風系統：運營時段內，依據軌行區環境空氣溫度，對排熱風機進行變頻運行及啟?？刂?；非運營時段停止運行?？刂撇呗院唵吻一九c其他系統無關聯，交由BAS系統控制。3）車站公共區通風空調系統：運營時段受室外環境條件及站內客流等因素影響，全日逐時負荷及新風量需求各不相同且呈現一定的周期性變化規律，需制定專業的節能運行方案，對大系統組合式空調機組、回排風機及新風機進行變頻運行，因此交由風水聯動控制系統控制。4）車站設備管理用房通風空調系統：24h運行且不同時刻負荷差別不大，一般采用定風量空調系統，空調箱及回排風機定頻運行，節能需求和節能空間較小，交由BAS系統控制。5）車站空調水系統：采用變流量一級泵系統，由冷卻水循環系統、冷凍水循環系統及制冷主機3部分組成。設計階段，設備容量一般按系統遠期高峰小時運行情況配置，運營初期負荷率遠達不到設計水平且受地鐵站末端負荷逐時變化影響，系統設備大部分時間處于部分負荷工況下運行；因此，提高設備部分負荷工況下能源利用效率是水系統節能運行的關鍵。為實現這一目的，控制系統需要根據實際需求對設備運行臺數、工作頻率及末端水閥開度進行綜合分析，確定最佳的運行方案，交由風水聯動控制系統進行控制。綜上所述，風水聯動智能控制系統控制范圍設定為車站大系統及空調水系統。
2.2總體架構
車站風水聯動智能控制系統由風水聯動智能控制柜、水系統采集控制箱、現場采集控制箱、各類傳感器、各種配線電纜等組成。上游通過通信接口與BAS系統進行連接，實現數據共享及BAS對節能控制系統的集成；下游根據被控對象或區域劃分的不同，分為大系統變風量、水系統變流量2個智能控制子系統。各控制子系統運行相對獨立，每個控制子系統擁有一個獨立的控制器，內置有專用的系統控制策略。風水聯動智能控制系統通過網絡與各子系統連接，完成各環節間的協調，實現信息的集成、集中監視、聯動控制。見圖1。）大系統變風量智能控制子系統包括大系統組合式空調機組、回排風機、小新風機、靜電滅菌凈化裝置、工況切換風閥及各類溫濕度傳感器、CO2傳感器。2）水系統變流量智能控制子系統包括冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、定壓補水裝置、水處理器、冷卻塔電動蝶閥、末端表冷器電動二通閥及各類傳感器。各子系統控制對象及系統主要受控參數見表1。
3風水聯動節能控制策略
正常工況下，由BAS系統確定通風空調系統的運行模式。模式下發后，由風水聯動智能控制系統進行節能控制策略運算，通過對風系統、水系統運行參數的動態跟蹤和耦合計算以及對設備運行狀態的主動尋優和在線調節等功能，將大系統變風量控制子系統與水系統變流量控制子系統進行關聯。采取風變頻、水變頻的全局協調控制模式，使整個通風空調系統的各個環節協調工作、高效運行，實現通風空調系統的智能化節能控制。見圖2。
3.1風系統控制策略
大系統變風量智能控制子系統通過監測室外及公共區空氣溫濕度、CO2濃度參數，結合車站客流量數據及歷史負荷變化趨勢，實時計算并預測未來短時間系統負荷及新風量需求，對大系統組合空調機組、回排風機及新風機啟停和頻率進行動態調節。1）空調季小新風模式：當Iw＞In或Tw＞Tn且公共區CO2濃度≤φs時，啟動大系統組合式空調機組、小新風機變頻運行，關閉回排風機。2）空調季全新風模式：當Iw＞In或Tw＞Tn且公共區CO2濃度＞φs時，啟動大系統組合式空調機組、回排風機變頻運行，關閉小新風機。3）過渡季全新風模式：當Iw≤In且Ts＜Tw≤Tn，啟動大系統組合式空調機組變頻運行，關閉回排風機、小新風機。4）通風季全新風模式：當Iw≤In且Tw≤Tn且Tw≤Ts且Tn＞14℃時，啟動大系統回排風機變頻運行，關閉組合式空調機組、小新風機。5）冬季最小新風模式：當Iw≤In且Tw≤Tn且Tw≤Ts且Tn≤14℃時，啟動大系統小新風機變頻運行，關閉組合式空調機組、回排風機。式中：Iw為車站室外新風空氣焓值；In為車站回風空氣焓值；Tw為室外空氣干球溫度；Tn為車站公共區空氣干球溫度；Ts為車站空調送風溫度設定值；φs為工況轉換臨界CO2濃度。
3.2水系統控制策略
水系統變流量智能控制子系統通過控制柜監控平臺監視空調水系統中各設備的運行狀態以及主要運行參數（運行溫度、流量、壓力、壓差等），實時計算系統當前負荷并動態預測未來變化趨勢，根據負荷需求匹配計算系統所需冷凍、冷卻水流量及供回水溫度，主動尋優、智能選擇冷水機組運行臺數、冷卻塔運行臺數及轉速、水泵運行臺數及頻率，實現系統最佳組合運行，使該狀態下水系統設備所消耗的總能耗最低。同時，為匹配風系統末端空調機組表冷器冷量需求，變流量控制子系統對表冷器回水管電動二通閥開度進行動態監測和自動調節，使每個空調環路均能夠獲得所需的冷凍水流量，實現對空調系統水力平衡的有效控制，確保各支路能量分配均衡、制冷效果良好。1）空調季模式一：當系統冷負荷<單臺冷水機組的制冷量時，通過臺數控制，開啟1組冷水機組、水泵、冷卻塔及相關設備，水泵、冷卻塔變頻運行。同時根據2臺冷水機組不同累計運行時間實現相關設備輪換控制，均衡設備之間的運行時間。2）空調季模式二：當系統冷負荷≥單臺冷水機組的制冷量時，開啟2組冷水機組、水泵、冷卻塔及相關設備。3）通風季及冬季，水系統退出運行。
4結語
風水聯動智能控制系統通過全局協調的節能控制策略，利用風變頻、水變頻技術，實現對通風空調系統設備運行參數的主動尋優和動態調節，提升系統綜合能效系數，確保地鐵車站通風空調系統高效節能運行。通風空調系統水系統采用定頻冷水機組和雙速調節冷卻塔，與全部采用變頻設備系統相比，風水聯動節能控制策略及節能效果待進一步研究分析。
作者：楊致遠 高巖 李晨 單位：天津市政工程設計研究總院有限公司