李 俊

（深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

目前地鐵廣泛地投入各個(gè)城市，其作為地下為主的有軌交通系統(tǒng)，不受地面道路情況的影響，能夠快速、安全、舒適地運(yùn)送乘客。地鐵乘客運(yùn)載效率高，具有良好的社會(huì)效益。截至2017年12月，中國(guó)大陸建成投運(yùn)地鐵的城市已達(dá)31個(gè)，百余條地鐵線路，運(yùn)營(yíng)線路增多、客流持續(xù)增長(zhǎng)。

地鐵各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)制式存在多元化，其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地鐵的重要組成部分,也是耗能大戶，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略方面都體現(xiàn)了各家所長(zhǎng)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)一般以系統(tǒng)的60%供應(yīng)能力滿足日常運(yùn)營(yíng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，若不進(jìn)行有效控制和調(diào)節(jié)，容易導(dǎo)致環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備使用能耗過高或是過低的不良狀態(tài)，如何根據(jù)運(yùn)營(yíng)工況使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在合理范圍值內(nèi)是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的重點(diǎn)研究課題。本文根據(jù)目前一些線路通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)幾種控制策略進(jìn)行闡述和分析。

1 通風(fēng)空調(diào)對(duì)象分析

1.1 系統(tǒng)組成

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)包括隧道通風(fēng)系統(tǒng)、車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱大系統(tǒng))、車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱小系統(tǒng))、車站空調(diào)水系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱水系統(tǒng))[1]。

隧道系統(tǒng)主要針對(duì)列車運(yùn)營(yíng)中隧道通風(fēng)換氣，與水系統(tǒng)無關(guān)聯(lián)，且隧道風(fēng)機(jī)除早晚通風(fēng)外基本處于停止?fàn)顟B(tài)，排熱風(fēng)機(jī)根據(jù)列車數(shù)量等狀況做調(diào)節(jié)，有一定的定值性;小系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)雖與水系統(tǒng)有關(guān)聯(lián)性，但由于整體處理較為封閉狀態(tài)，且功率普遍較低，在控制實(shí)現(xiàn)上相比較大系統(tǒng)容易的多;因此隧道系統(tǒng)與小系統(tǒng)都不在本文的主要研究對(duì)象內(nèi)。大系統(tǒng)主要服務(wù)對(duì)象為車站公共區(qū)，直接服務(wù)于乘客對(duì)象，設(shè)備數(shù)量多且功率大，無論是從節(jié)能角度，還是從乘客舒適環(huán)境角度都需要有一個(gè)穩(wěn)定的、可靠的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

1.2 水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)

水系統(tǒng)作為冷源產(chǎn)生端，主要節(jié)能對(duì)象為冷水機(jī)組、冷動(dòng)泵、冷卻泵、冷卻塔、二通調(diào)節(jié)閥等，二通調(diào)節(jié)閥作為與通風(fēng)系統(tǒng)冷源的閘門，提供給通風(fēng)系統(tǒng)的最終冷量大小由二通閥的開度大小決定。水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)組成見圖1水系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)易圖。

圖1 水系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)易圖

冷水系統(tǒng)由冷水機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)組成，3個(gè)系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立，主要的功能都為溫度的轉(zhuǎn)移，同時(shí)也受到整體調(diào)控[3]。水系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)、通風(fēng)系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)對(duì)調(diào)節(jié)效果的好壞也起到一定的作用[4]。

1.3 風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)

通風(fēng)系統(tǒng)作為空調(diào)末端設(shè)備，主要節(jié)能對(duì)象由組合式空調(diào)風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)風(fēng)閥等設(shè)備組成，其基本結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)易圖

根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求分別設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制模式、焓值控制模式、時(shí)間表控制模式、時(shí)間與焓值功能結(jié)合的自動(dòng)控制模式。焓值控制通過室外焓值iw、室外溫度Tw、車站回風(fēng)焓值ir、車站回風(fēng)溫度Tr、車站送風(fēng)溫度To等數(shù)值的采集、計(jì)算、比較決定通風(fēng)運(yùn)行工況。大系統(tǒng)通風(fēng)的常規(guī)模式，空調(diào)工況與非空調(diào)工況主要依據(jù)水系統(tǒng)是否運(yùn)行而定;火災(zāi)工況作為災(zāi)害工況不做節(jié)能調(diào)節(jié);停運(yùn)模式為收車后將通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)耗能設(shè)備進(jìn)行停止運(yùn)行，各運(yùn)行工況如表1所示[5]。

表1 車站公共區(qū)通風(fēng)工況模式表

2 控制策略

通過以上對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的介紹，根據(jù)組成環(huán)節(jié)的不同，可分為4種控制方式：由BAS集成的控制系統(tǒng)；水系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)互聯(lián)；水系統(tǒng)策略決定通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)；通風(fēng)系統(tǒng)策略決定水系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

通風(fēng)系統(tǒng)除通過PID進(jìn)行風(fēng)機(jī)變頻、風(fēng)閥變開度控制外，還能通過根據(jù)焓值判斷，進(jìn)行季節(jié)工況模式切換（如空調(diào)季節(jié)全新風(fēng)、小新風(fēng)模式切換），以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

2.1 由BAS集成的控制系統(tǒng)

由BAS系統(tǒng)集成所有空調(diào)與通風(fēng)設(shè)備，將這些設(shè)備作為單體對(duì)象進(jìn)行區(qū)域化整合，BAS系統(tǒng)集成節(jié)能環(huán)節(jié)系統(tǒng)如圖3所示。優(yōu)點(diǎn)：可自由的進(jìn)行任意組合；缺點(diǎn)：關(guān)聯(lián)性考慮因素較多。

圖3 BAS系統(tǒng)統(tǒng)一集成節(jié)能環(huán)節(jié)系統(tǒng)圖

所有節(jié)能環(huán)節(jié)作為BAS的獨(dú)立對(duì)象時(shí)，采取區(qū)域整合，或是順序關(guān)聯(lián)邏輯都可以實(shí)現(xiàn)。普遍的方式是根據(jù)車站環(huán)境工況，將通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)備進(jìn)行對(duì)象組合（圖3中通風(fēng)系統(tǒng)部分虛框），水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)備進(jìn)行對(duì)象組合（圖3中水系統(tǒng)部分虛框），根據(jù)車站總體通風(fēng)模型，同時(shí)作用于兩個(gè)組合對(duì)象，控制方式跟水系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)互聯(lián)的方式較相近。

2.2 水系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)互聯(lián)

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備作為單體對(duì)象由BAS系統(tǒng)直接控制，水系統(tǒng)通過自身的調(diào)節(jié)系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[6]，兩個(gè)系統(tǒng)交互系統(tǒng)如圖4所示。優(yōu)點(diǎn)：具有一定的獨(dú)立性，以完成自身專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)為導(dǎo)向，可發(fā)揮兩個(gè)專業(yè)在節(jié)能領(lǐng)域的特長(zhǎng)。缺點(diǎn)：信息交互數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性將直接影響整個(gè)調(diào)節(jié)效果。

通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)作：根據(jù)焓值計(jì)算切換對(duì)應(yīng)工況模式，根據(jù)送風(fēng)溫濕度傳感器溫度值與設(shè)計(jì)溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)整風(fēng)量輸出的大小，其控制模型如圖5所示。

水系統(tǒng)動(dòng)作：根據(jù)設(shè)定的出水溫度進(jìn)行恒溫調(diào)解。由于水系統(tǒng)3個(gè)主要制冷環(huán)節(jié)存在一定的獨(dú)立性，可以根據(jù)各自的工藝目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以通過整體參數(shù)的分配，進(jìn)行系統(tǒng)化調(diào)節(jié)。

互聯(lián)動(dòng)作：當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)在根據(jù)變化速率以及長(zhǎng)時(shí)間無法達(dá)到指定設(shè)定溫度時(shí)，向水系統(tǒng)請(qǐng)求增加二通調(diào)節(jié)閥閥體開度，從而調(diào)整冷量輸出范圍。

圖4 水系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

圖5 通風(fēng)系統(tǒng)控制流程示意圖

2.3 水系統(tǒng)策略決定通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)

通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)備直接或間接地由水系統(tǒng)進(jìn)行控制，通風(fēng)系統(tǒng)其余設(shè)備影響模式控制動(dòng)作，其控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。優(yōu)點(diǎn)：可充分發(fā)揮水系統(tǒng)的節(jié)能策略；缺點(diǎn)：存在一定的調(diào)節(jié)滯后性。

圖6 水系統(tǒng)控制通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)圖

該模式中通風(fēng)系統(tǒng)主要維持通風(fēng)模式運(yùn)行，調(diào)節(jié)設(shè)備控制權(quán)交由水系統(tǒng)控制。水系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)恒溫供水的同時(shí)，根據(jù)供回水的溫差以及分析通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的供冷情況，漸進(jìn)式變化通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)備的調(diào)節(jié)范圍，減少對(duì)水系統(tǒng)的擾動(dòng)量。通過通風(fēng)系統(tǒng)的變化反饋?zhàn)鳛樗到y(tǒng)輸入調(diào)節(jié)參數(shù)，重新調(diào)整二通調(diào)節(jié)閥開閥，制冷設(shè)備運(yùn)行頻率，直至最終滿足通風(fēng)冷量需求。

2.4 風(fēng)系統(tǒng)策略決定水系統(tǒng)調(diào)節(jié)

通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境值完成模式動(dòng)作后，向水系統(tǒng)發(fā)出冷量需求命令[7]，其控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。優(yōu)點(diǎn)：通風(fēng)系統(tǒng)的模式工況可同樣作用于水系統(tǒng)；缺點(diǎn)：存在一定的制冷滯后性。

通風(fēng)系統(tǒng)在完成風(fēng)量控制情況下，結(jié)合過程中溫度的變化率，向水系統(tǒng)提出冷量需求，并通過水系統(tǒng)的制冷率將控制命令直接作用于水系統(tǒng)制冷主要環(huán)節(jié)對(duì)象，使冷量供給滿足運(yùn)營(yíng)需求。

圖7 通風(fēng)系統(tǒng)控制水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)節(jié)圖

3 結(jié)語

以上4種控制方式為目前主要的控制模式，存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。一般通過區(qū)域化組合，形成有機(jī)能的控制環(huán)，控制方式的先后順序并非完全確定，可根據(jù)自身的調(diào)節(jié)思路進(jìn)行調(diào)整，但都需充分考慮和發(fā)揮各環(huán)節(jié)的效能，通過合理的參數(shù)分配達(dá)到真正的節(jié)能效果，同時(shí)在各個(gè)環(huán)節(jié)充分利用負(fù)荷預(yù)測(cè)，對(duì)控制策略進(jìn)行提前干預(yù)，在充分考慮調(diào)節(jié)效能的同時(shí)，滿足環(huán)境的舒適性[8]。目前冷水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)各自的集成度非常高，單一系統(tǒng)的節(jié)能效果也非常明顯，水系統(tǒng)根據(jù)供水溫度進(jìn)行節(jié)能控制，通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)車站回風(fēng)溫度進(jìn)行節(jié)能控制，只需考慮交互數(shù)據(jù)中請(qǐng)求調(diào)節(jié)量的合理值傳遞，采用通風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)互聯(lián)方案無論從工程實(shí)施效率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果都非常顯著。