創(chuàng)新者：龐家治

地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能研究

創(chuàng)新者：龐家治

隨著我國地鐵的快速發(fā)展，客流量的增加等因素，使得地鐵車站環(huán)境負(fù)荷變化較大，車站溫度將上升到乘客無法容忍的程度，傳統(tǒng)的控制算法已經(jīng)不能滿足地鐵環(huán)控系統(tǒng)的要求。再加上地鐵內(nèi)部的巨大空間和負(fù)荷，環(huán)控系統(tǒng)的風(fēng)機、制冷機、空調(diào)機的裝機容量都相當(dāng)大，由此引起大量設(shè)備投資和運行能耗費用。尤其是運行能耗，而其中環(huán)控系統(tǒng)能耗在總能耗中占相當(dāng)大的比例，已經(jīng)嚴(yán)重影響到地鐵運營的經(jīng)濟性。因此，環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能具有重要的意義。

地鐵環(huán)境特點

地鐵（針對地下站）設(shè)施位于城市地面10m以下，地理位置特殊，由于列車運行、乘客交換散發(fā)大量熱量，空氣濕度大，且有有害氣體產(chǎn)生。所以站內(nèi)的設(shè)施都是針對于改善站內(nèi)環(huán)境、方便乘客出入以及災(zāi)害事件下（如火災(zāi)）應(yīng)急處理而設(shè)置。

環(huán)控系統(tǒng)作為地鐵系統(tǒng)中的一個重要系統(tǒng)，其設(shè)備裝機容量都相當(dāng)大，由此引起大量設(shè)備投資和運行能耗費用。尤其是運行能耗，已經(jīng)嚴(yán)重影響到地鐵運營的經(jīng)濟性。因此，為使其安全、高效、協(xié)調(diào)運行，環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能具有重要的意義。下面簡略提出一些環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能控制方案。

空調(diào)機組的二通閥智能調(diào)控

根據(jù)《通風(fēng)與空調(diào)工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》，可對空調(diào)機組的二通閥流量、冷水機組的負(fù)荷進行計算分析，提出二通閥開度調(diào)節(jié)的常規(guī)PID調(diào)節(jié)、增強型PID調(diào)節(jié)和模糊PID調(diào)控方法。杭州地鐵2號線在系統(tǒng)運行初期，由于缺少經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可以采用人工設(shè)定的方式，對二通閥開度進行控制，即二通閥流量調(diào)控采用預(yù)置冷量的模糊PID調(diào)控方法。之后，隨著歷史數(shù)據(jù)的積累，可以從數(shù)據(jù)庫中挖掘出每日不同時間段冷負(fù)荷的實際需求量，從而找到最優(yōu)化的控制曲線。

冷負(fù)荷的計算公式如下式（1）：

由上述公式可以看出：

（1）L增大或者ΔT增大，Q增大；

（2）L減少或者ΔT減少，Q減少。

冷負(fù)荷Q 的大小由L和ΔT共同作用，當(dāng)冷水機組采用定水溫調(diào)節(jié)時，ΔT 為常數(shù)，冷負(fù)荷Q 由冷凍水流量L確定。在保持回水壓力P 為定值時，L與二通閥開度K正比例變化，此時冷水負(fù)荷Q 由二通閥開度K確定。

二通閥開度的常規(guī)PID調(diào)節(jié)

在冷水機組中采用定水溫、定壓控制的情況下，冷水負(fù)荷的二通閥PID調(diào)節(jié)回路如圖1所示。

圖1 常規(guī)型的PID控制方案

車站大空調(diào)系統(tǒng)冷水流量主要調(diào)節(jié)過程如下：

a.確定車站溫濕度控制目標(biāo)設(shè)定值；

b.如果車站負(fù)荷增加，則車站公共區(qū)溫度上升，當(dāng)公共區(qū)溫度高于設(shè)定值時，開大冷凍水二通調(diào)節(jié)閥，加大冷凍水量，降低送風(fēng)溫度，抑制車站公共區(qū)溫升；

c.如果車站負(fù)荷減小，則車站公共區(qū)溫度下降，當(dāng)公共區(qū)溫度低于設(shè)定值時，關(guān)小冷凍水二通調(diào)節(jié)閥，減小冷凍水量，提高送風(fēng)溫度，抑制車站公共區(qū)溫降。

上述的PID控制算法過程簡單，只需要通過PLC的PID模塊進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定即可，在PID的三種參數(shù)：比例、積分、微分參數(shù)設(shè)定時，考慮到溫濕度變化的大滯后效應(yīng)，可以在不引起系統(tǒng)閉環(huán)振蕩的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)大微分參數(shù)，可以一定程度上緩解大滯后效應(yīng)。不過，由于大微分系數(shù)會提高整個閉環(huán)系統(tǒng)對干擾的敏感度，尤其是車站的溫濕度變化存在著嚴(yán)重的幾個干擾因素，引起系統(tǒng)振蕩，包括：

a.風(fēng)機風(fēng)量采用變頻調(diào)節(jié)，因此新風(fēng)流量和車站外部空氣溫度大幅度變化會直接引起車站內(nèi)溫濕度變化；

b.客流量的突然變化，客流量會隨著周末或者上下班的高峰期產(chǎn)生突峰變化；

c.列車活塞效應(yīng)也會引起車站溫濕度突然變化。

當(dāng)以上的幾種干擾因素作用時，由于溫濕度變化滯后，上面的PID算法并不能保證車站的溫濕度及時響應(yīng)，引起車站內(nèi)部空氣質(zhì)量惡化。因此，考慮到這些干擾因素，需要一種引入干擾因素前饋的增強型PID算法。

增強型的PID控制算法

為了解決車站內(nèi)由于新風(fēng)量和客流高峰而引起的溫濕度變化，需要在車站BAS系統(tǒng)空調(diào)冷凍水流量的PID調(diào)節(jié)中引入了干擾量前饋，從而形成增強型的PID控制方案。

其控制流程框圖如圖2所示。

圖2 增強型的PID控制方案

圖3 冷負(fù)荷需求量變化規(guī)律曲線

整個PID的流程操作同常規(guī)型PID控制，不同的地方在于PID控制的設(shè)定值根據(jù)干擾因素的變化而發(fā)生變化。

假設(shè)車站內(nèi)部的溫度反饋 PV= 35℃，風(fēng)機的新風(fēng)量為L1，客流量為P1，則引入兩個比例系數(shù)α、β。α、β的具體值需要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試的效果確定，為經(jīng)驗系數(shù)。

則增強型PID回路的實際溫度反饋為：PV = 35℃+αL1+βP1；

由于加入了干擾前饋，因此PID回路將提前將干擾因素計算在內(nèi)，從而能夠及時的調(diào)節(jié)溫度變化，減少滯后效應(yīng)。

模糊PID控制算法

上面兩種算法一定程度上消除干擾因素系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，但是并沒有從根本上解決這些干擾，更沒有解決溫度變化的大滯后環(huán)節(jié)。如何解決這些實際問題，一種行之有效的方法就是采用適合大滯后及多因素擾動的模糊PID算法。模糊PID算法就是根據(jù)已經(jīng)調(diào)節(jié)好的經(jīng)驗參數(shù)進行輸出控制量的設(shè)定。其控制過程具體如下。

根據(jù)站廳和站臺的空間大小，建筑材料絕熱程度，進出口處冷量損失，客流量等，估算出一天內(nèi)相對比較適當(dāng)?shù)睦湄?fù)荷需求量變化規(guī)律曲線如圖2-3所示，作為數(shù)據(jù)庫保存在控制器中，根據(jù)實際需求量進行回路調(diào)節(jié)，修正曲線，作為第二天冷量供應(yīng)的參考值。這樣就可以將客流量變化產(chǎn)生的冷量需求進行了提前預(yù)置。

當(dāng)整個車站BAS系統(tǒng)運行一段時間后，對控制曲線和實際溫濕度反饋數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，抽取符合一周客流量的控制參數(shù)，作為經(jīng)驗值對以后的冷水量和風(fēng)量進行提前預(yù)置。

根據(jù)預(yù)置設(shè)定值結(jié)合PID作為微調(diào)功能自始至終貫穿冷負(fù)荷需求量變化規(guī)律曲線，具體參見圖3。

這種調(diào)節(jié)方法在冷負(fù)荷需求量變化規(guī)律曲線的基礎(chǔ)上規(guī)定了上限與下限，這樣PID的輸出就只能在圖2-3中的上限與下限范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，為防止調(diào)節(jié)值偏離太大，可以縮小曲線帶寬，即縮小圖中上限與下限間距離，也就是減小圖中X的值，從而達到通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)溫濕度調(diào)控的要求。

水量、風(fēng)量、CO2濃度的智能調(diào)控

根據(jù)《通風(fēng)與空調(diào)工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》，車站BAS大系統(tǒng)變頻風(fēng)機風(fēng)量和CO2濃度的調(diào)節(jié)方式如下：

（1）為避免溫度調(diào)節(jié)與CO2濃度調(diào)節(jié)的兩個控制回路耦合，可采用“定風(fēng)變水量”方式調(diào)節(jié)車站公共區(qū)溫度，變頻風(fēng)機不參與溫度調(diào)節(jié)和控制。

（2）風(fēng)機風(fēng)量的變頻調(diào)節(jié)僅用于滿足車站公共區(qū)新風(fēng)量和CO2濃度要求。

（3）CO2濃度調(diào)節(jié)方式采用根據(jù)AFC客流量進行新風(fēng)量預(yù)置方式或采用日常新風(fēng)量統(tǒng)計優(yōu)化曲線進行調(diào)節(jié)。

變風(fēng)量變水量、定風(fēng)變水量調(diào)節(jié)

車站BAS的通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)通過對風(fēng)機、風(fēng)閥、冷水流量的控制來調(diào)節(jié)車站站廳和站臺的空氣溫濕度以及CO2濃度。通常，車站大系統(tǒng)的溫度控制調(diào)節(jié)方法有兩種。

變風(fēng)量變水量調(diào)節(jié)

正常運行情況下風(fēng)機變頻運行的控制方案，以達到最大的節(jié)能目的。依據(jù)測量得到的各類相關(guān)的參數(shù)，采用PID或智能控制算法，通過對風(fēng)機運行頻率和二通流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)來滿足站臺和站廳的溫濕度要求。此時，風(fēng)機的實際運行頻率是隨著客流量或CO2濃度而隨時調(diào)整的。由于風(fēng)機是地鐵車站能耗最大的設(shè)備之一，因此，使用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速可以取得明顯的節(jié)能效果；同時，由于車站的溫濕度由風(fēng)量和水量兩個PID回路同時控制，回路之間容易產(chǎn)生干擾，降低了控制精度，加上溫濕度的調(diào)節(jié)本身具有大滯后和多因素干擾等特點，增加了控制難度。

定風(fēng)變水量調(diào)節(jié)

在車站兩端設(shè)置組合式空調(diào)機組。通過測量各類相關(guān)溫度、濕度和其他相關(guān)的參數(shù)，使用適宜的控制策略和算法，通過對水系統(tǒng)二通流量調(diào)節(jié)閥的控制來滿足系統(tǒng)站臺和站廳的溫濕度要求。這種方案僅由一個二通閥開度即水量的PID回路控制車站內(nèi)的溫濕度變化，因此，可以將溫度的滯后效應(yīng)以及干擾因素作為PID的前饋，對干擾響應(yīng)速度快，控制精度很高。

風(fēng)量變頻控制調(diào)節(jié)

全線車站組合空調(diào)機和新風(fēng)機、回/排風(fēng)機均采用變頻調(diào)節(jié)。變頻器通過現(xiàn)場總線接至BAS控制器。由于ISCS實現(xiàn)了BAS系統(tǒng)的集成并且與AFC系統(tǒng)互聯(lián)，因此，可以使用AFC的客流量數(shù)據(jù)作為風(fēng)機調(diào)節(jié)的控制量預(yù)置控制量，當(dāng)客流量發(fā)生一定范圍的變化時，調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率，滿足車站的新風(fēng)量要求。為了防止風(fēng)機的頻率頻繁改變，需要設(shè)置PID調(diào)節(jié)的死區(qū)范圍，當(dāng)客流量在該范圍內(nèi)變化時，風(fēng)機頻率不發(fā)生變化。

采用變風(fēng)量通風(fēng)系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)點。

a.系統(tǒng)送風(fēng)量和選用的設(shè)備，是按照最小需要變風(fēng)量運行，可以顯著節(jié)約風(fēng)機運行所耗的電能。

b.同其他空調(diào)系統(tǒng)一樣，在室外氣溫較低時，可以停用冷凍機，利用新風(fēng)自然冷量。

c.新風(fēng)量容易得到保證，便于集中空氣凈化和噪聲處理。

風(fēng)機的變頻調(diào)節(jié)是根據(jù)車站內(nèi)風(fēng)量、客流量和CO2濃度的檢測，BAS系統(tǒng)PLC控制器通過PID回路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)風(fēng)機變頻器頻率，改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)目的。

CO2濃度的調(diào)節(jié)

通過改變二通閥冷凍水流量達到溫度調(diào)節(jié)的目的。變頻風(fēng)機不參與車站公共區(qū)溫度的調(diào)節(jié)，避免了溫度調(diào)節(jié)回路與CO2調(diào)節(jié)回路的耦合。因此，BAS系統(tǒng)組合式空調(diào)風(fēng)機風(fēng)量PID控制的主要作用僅僅是調(diào)節(jié)和控制車站內(nèi)空氣的質(zhì)量，保持最小新風(fēng)量，調(diào)節(jié)車站內(nèi)部CO2的濃度滿足乘客和工作人員的需求。

同時，由于季節(jié)的不同，為了達到節(jié)能的措施，尤其是在夏季減少室外熱空氣的進入，BAS系統(tǒng)需要根據(jù)季節(jié)要求和空氣中焓值的變化采取不同的工況運行。

車站的CO2濃度調(diào)節(jié)可以采用簡單的PID回路來控制。如下圖4所示。

圖4 CO2濃度調(diào)節(jié)方案

在一定工況條件下，比如全新風(fēng)、小新風(fēng)或者通風(fēng)模式下，根據(jù)CO2傳感器的反饋，與設(shè)定值進行比較，通過PID控制回路輸出變頻器控制指令，從而改變送風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，增大或減少送入車站的新風(fēng)風(fēng)量。為了保證車站內(nèi)空氣質(zhì)量不會惡化，需要保持一個最小的新風(fēng)流量。

由于CO2濃度變化有大滯后的特性，因此，在實際工程應(yīng)用中，可以采用AFC的客流量作為CO2濃度調(diào)節(jié)的反饋變量進行新風(fēng)量預(yù)置或者采用模糊PID調(diào)節(jié)方式，按照日常新風(fēng)量需求的最優(yōu)化曲線對進行調(diào)控。

環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能降耗方案

BAS系統(tǒng)的監(jiān)控對象中，通風(fēng)空調(diào)風(fēng)機和自動扶梯是最大的耗電設(shè)備，因此通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能主要考慮如何降低風(fēng)機電機的能耗。結(jié)合杭州地鐵2號線的BAS系統(tǒng)環(huán)控工藝和設(shè)備配置，可以有以下幾點節(jié)能降耗具體措施。

a.風(fēng)機采用變頻控制可以有效節(jié)能降耗。

b. 采用“冰蓄冷”方式，代替空調(diào)機組制冷。在地鐵夜間不運營時，用空調(diào)水系統(tǒng)將大量的水制成冰，并將冷氣儲存起來，到了白天，將冰轉(zhuǎn)化的冷氣送入車站，就可維持車站的涼爽。此措施可以減少空調(diào)機組的運行時間，既可利用夜間電價便宜，節(jié)省運營成本，又可以避開用電高峰。

c.設(shè)置屏蔽門，有效減少車站公共區(qū)的冷量流失。

d.采用“舒適度原則”調(diào)節(jié)車站公共區(qū)溫度，通過控制站廳溫度低于室外溫度、站臺溫度低于站廳溫度1～2℃，既可使乘客感到?jīng)鏊孢m，又可減少冷負(fù)荷需求，節(jié)省冷水機組用電量。

e.對冷水機組的控制進行優(yōu)化、根據(jù)冷負(fù)荷需求調(diào)整冷水機組開啟的臺數(shù)和定期清洗空調(diào)機組濾網(wǎng)、提高制冷效率。

f.自動扶梯的節(jié)能主要通過扶梯的變頻控制來實現(xiàn)。利用“能源再生技術(shù)”原理是使電梯在重載下行及輕載上行過程中將電梯的勢能轉(zhuǎn)化為電能返回電網(wǎng)，進入電能再生運營的狀態(tài)。

g.通過采用“綠色照明”的方式實現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能，一方面選用低能耗照明燈具，一方面通過優(yōu)化照明控制回路，使隧道內(nèi)照明的光照強度根據(jù)列車運行位置調(diào)整，可以有效的降低用電總量。

除了以上BAS系統(tǒng)監(jiān)控對象采用的節(jié)能降耗措施外，還可以通過采用低能耗車輛和環(huán)保建筑/裝修材料等方式進行節(jié)能降耗。

結(jié)束語

環(huán)控系統(tǒng)是地鐵工程中的一個重要組成部分，采用智能環(huán)控系統(tǒng)能提高地鐵環(huán)境的舒適度、降低能耗、延長設(shè)備的使用壽命，從而獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。有效的節(jié)能手段能使得環(huán)控能耗顯著下降，節(jié)約了大量能源，從而減少了對于自然環(huán)境的影響，對于建設(shè)綠色地鐵有重要的意義，也符合當(dāng)前建設(shè)節(jié)能型社會、和諧社會的趨勢，具有良好的社會效益。

龐家治

杭州地鐵集團有限責(zé)任公司運營分公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.032