楊 卓

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司上海分公司，上海 200233)

1 研究背景

近年來(lái)，全國(guó)各大城市為了緩解交通壓力，均在建造城市軌道交通工程，城市軌道交通與傳統(tǒng)交通方式相比有著綠色、環(huán)保、舒適、便捷等很多優(yōu)勢(shì)，但它又是能耗大戶。與地上建筑相比，城市軌道交通地下車(chē)站只有少量利用出入口進(jìn)行的自然通風(fēng)，車(chē)站內(nèi)的空氣環(huán)境、溫濕度等問(wèn)題均依賴通風(fēng)設(shè)備解決，但通風(fēng)設(shè)備在改善和提高地鐵車(chē)站內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)也在損耗巨大的電能，極大的增加了地鐵車(chē)站的運(yùn)營(yíng)成本。經(jīng)過(guò)已運(yùn)營(yíng)車(chē)站的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)風(fēng)(水)系統(tǒng)等設(shè)備耗電量約占車(chē)站總耗電量的30%，在制冷季這個(gè)數(shù)值還要大大增加。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地鐵車(chē)站中的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行方式受諸多因素影響，所以要求在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)制定一系列的、合理的設(shè)計(jì)方案，使車(chē)站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行方式能根據(jù)熱負(fù)荷及空氣質(zhì)量的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)?！帮L(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化控制節(jié)能系統(tǒng)就是在這個(gè)背景下應(yīng)運(yùn)而生的，本文針對(duì)已實(shí)施的上海軌道交通13號(hào)線二期、三期工程中“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)控制方案進(jìn)行對(duì)比及深入細(xì)致的分析，從而達(dá)到智能控制及節(jié)能的目的。

2 地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)(水)系統(tǒng)

車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、大系統(tǒng)空調(diào)箱和回排風(fēng)機(jī)、消防風(fēng)機(jī)(非本文所論述內(nèi)容)等設(shè)備構(gòu)成，為了滿足遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)需求，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電容量多數(shù)按照遠(yuǎn)期最大負(fù)荷進(jìn)行選取，并留有一定的設(shè)計(jì)余量。在炎熱的夏季，各通風(fēng)空調(diào)通風(fēng)及制冷設(shè)備長(zhǎng)期在最大負(fù)荷運(yùn)行，但各種客觀因素在不斷變化，實(shí)際通風(fēng)空調(diào)輸出的冷負(fù)荷、通風(fēng)量多數(shù)時(shí)間遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)負(fù)荷，根據(jù)上海各條地鐵線的統(tǒng)計(jì)，與設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷量相比，在制冷季節(jié)負(fù)荷率小于設(shè)計(jì)值一半的運(yùn)行時(shí)間通常約占全部運(yùn)行時(shí)間的40%以上。

為了滿足控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)備的需求，設(shè)計(jì)單位在方案階段經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究、取證，將空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)水系統(tǒng)中的設(shè)備如：冷卻水泵、冷凍水泵、大系統(tǒng)組合式空調(diào)箱、回排風(fēng)機(jī)等設(shè)備設(shè)計(jì)成變頻電動(dòng)機(jī)，冷卻塔風(fēng)機(jī)采用雙速風(fēng)機(jī)。各車(chē)站冷凍水系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的5 ℃溫差(7 ℃～12 ℃)。冷卻水系統(tǒng)均采用冷卻塔循環(huán)冷卻，冷卻水采用常規(guī)的5 ℃溫差(32 ℃～37 ℃)，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)水源均采用自來(lái)水，冷卻方式采用開(kāi)式冷卻塔冷卻。

3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)水系統(tǒng)的控制

地鐵站的通風(fēng)空調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)之間相互制約又相互依存。目前地鐵車(chē)站能將其整合控制并且技術(shù)成熟的只有傳統(tǒng)定流量控制系統(tǒng)和“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)?，F(xiàn)簡(jiǎn)要概述和比較兩個(gè)控制系統(tǒng)。

3.1 傳統(tǒng)定流量控制系統(tǒng)

此前上海地鐵車(chē)站對(duì)于空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)雖然采用變頻技術(shù)手段，但基本采用固定頻率運(yùn)行，空調(diào)水系統(tǒng)完全采用定流量控制方式在運(yùn)行。

傳統(tǒng)定流量控制系統(tǒng)方案在大系統(tǒng)與小系統(tǒng)風(fēng)管部位設(shè)置了溫濕度傳感器，公共區(qū)CO2傳感器。傳感器將采集的信息經(jīng)過(guò)模擬量信號(hào)傳送至PLC運(yùn)算主機(jī)，運(yùn)算主機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)將其采集的信息取平均值后，將運(yùn)算值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)不符合設(shè)計(jì)值時(shí)， PLC主機(jī)對(duì)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)或水系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。

目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)運(yùn)算主機(jī)的運(yùn)算方法采用的各個(gè)參數(shù)是固定的(除采集數(shù)據(jù)外)，也就是說(shuō)，將工程參數(shù)設(shè)置之后，就用設(shè)置的固定參數(shù)去運(yùn)行各種不同工況。控制系統(tǒng)主機(jī)分別單獨(dú)控制空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)水系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備動(dòng)作時(shí)，水系統(tǒng)設(shè)備無(wú)法根據(jù)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)整進(jìn)行自動(dòng)匹配冷量，反之亦然。當(dāng)用運(yùn)算的數(shù)據(jù)去整合控制地鐵車(chē)站中受季節(jié)變化、氣候條件、環(huán)境溫度、人流量等諸多種因素影響的空調(diào)系統(tǒng)這樣復(fù)雜的環(huán)境時(shí)，就顯的力不從心，無(wú)論末端環(huán)境負(fù)荷需求如何變化，控制主機(jī)都不能科學(xué)的、及時(shí)的對(duì)冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

空調(diào)系統(tǒng)涉及多種因素參與，末端負(fù)荷不斷變化，這就會(huì)使系統(tǒng)中制冷劑溶液、冷卻水、冷凍水的運(yùn)行參數(shù)偏離空調(diào)主機(jī)的最佳工作狀態(tài)，因此將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果：1)致使主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率(COP值)降低，導(dǎo)致系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在低效率狀態(tài)下運(yùn)行，造成冷量剩余、能源浪費(fèi)；2)將會(huì)導(dǎo)致冷量不足，環(huán)境舒適度差。

傳統(tǒng)定流量控制方案存在控制的滯后性。水是存在一定惰性的，且車(chē)站水系統(tǒng)的管路較長(zhǎng)，無(wú)法瞬間達(dá)到溫度調(diào)整的效果。這就導(dǎo)致需要大冷量時(shí)，供應(yīng)不及時(shí)；不需要時(shí)，還在持續(xù)供應(yīng)。因此，傳統(tǒng)定流量控制長(zhǎng)時(shí)間都不能到達(dá)設(shè)備最佳和環(huán)境最優(yōu)的穩(wěn)定狀態(tài)，不但降低了空調(diào)效果的舒適性，又耗費(fèi)了很大的電能。

3.2 “風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)

本次上海軌道交通13號(hào)線二期、三期工程中采用了“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)方案。此方案在原有傳統(tǒng)控制方案設(shè)置傳感器的基礎(chǔ)上大大增加了傳感器的布點(diǎn)。各部位傳感器將實(shí)時(shí)采集的信息經(jīng)過(guò)模擬量信號(hào)傳送至每一臺(tái)控制柜的運(yùn)算主機(jī)，并結(jié)合“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)其獨(dú)有的運(yùn)算方式進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析比對(duì)，需要時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)設(shè)備的頻率，以及水管上各調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，在確保末端溫濕度及CO2濃度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，使整個(gè)風(fēng)水系統(tǒng)處于高效的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

上海軌道交通13號(hào)線二期、三期工程中的“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)從項(xiàng)目使用角度出發(fā)，根據(jù)實(shí)際情況搭構(gòu)此系統(tǒng)構(gòu)架(見(jiàn)圖1)，根據(jù)使用功能細(xì)致劃分了各智能控制子系統(tǒng)。

“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行全局協(xié)調(diào)控制，為數(shù)據(jù)與控制命令的快速傳輸打好基礎(chǔ)。每個(gè)子系統(tǒng)控制箱內(nèi)均設(shè)置有獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算結(jié)果再輔以先進(jìn)的智能控制策略全局聯(lián)合調(diào)控空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備頻率、水閥開(kāi)度，由此，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)末端負(fù)荷變化自動(dòng)進(jìn)行變風(fēng)量、變流量的智能控制。

根據(jù)比熱容公式Q=C·M·ΔT。

其中，Q為所需負(fù)荷；C為比熱系數(shù)(常數(shù))；M為流量；ΔT為溫差。

在傳統(tǒng)定流量系統(tǒng)控制中，車(chē)站各設(shè)備雖然也部分采用了變頻技術(shù)手段，但基本采用固定頻率運(yùn)行方式，所以M，Q，ΔT基本處于一個(gè)固定值狀態(tài)，即使調(diào)節(jié)，也是通過(guò)人為干涉進(jìn)行，也就是說(shuō)當(dāng)環(huán)境所需負(fù)荷因氣侯條件、列車(chē)運(yùn)行模式、客流量等因素發(fā)生變化時(shí)，定流量系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)末端需求去調(diào)節(jié)設(shè)備，更不能進(jìn)行各個(gè)設(shè)備聯(lián)合調(diào)控。但“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)可以通過(guò)全局策略的聯(lián)調(diào)，解決了上述問(wèn)題，從而使環(huán)境的溫濕度達(dá)到一個(gè)舒適的水平。

3.2.2控制邏輯

“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)控制邏輯圖見(jiàn)圖2。

根據(jù)末端溫濕度傳感器探測(cè)到的受控區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)被控區(qū)域負(fù)荷改變，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各控制子系統(tǒng)及公共區(qū)數(shù)據(jù)采集箱根據(jù)能量預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)主機(jī)，主機(jī)將計(jì)算結(jié)果通過(guò)RS485總線傳輸給EMCS工作站，變頻指令由EMCS工作站下達(dá)，經(jīng)風(fēng)機(jī)變頻柜控制末端風(fēng)機(jī)頻率。當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率影響末端送風(fēng)溫度后，根據(jù)冷量按需分配原則系統(tǒng)主機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各水閥開(kāi)度。水閥開(kāi)度影響著系統(tǒng)總冷量需求，系統(tǒng)主機(jī)再根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型調(diào)整冷凍泵頻率，改變冷量供給，冷量的輸出對(duì)冷卻水系統(tǒng)最佳工作點(diǎn)產(chǎn)生影響，從而系統(tǒng)主機(jī)根據(jù)系統(tǒng)效率最佳原則，重新計(jì)算最佳冷卻溫度，并改變冷卻水流量，使冷卻溫度趨于最佳值。每個(gè)環(huán)節(jié)相互之間都存在耦合關(guān)系，相互影響?！帮L(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)綜合考慮整個(gè)風(fēng)水系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的控制進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。

根據(jù)GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范第12.2.11條規(guī)定，軌道交通公共區(qū)采用通風(fēng)空調(diào)時(shí)，公共區(qū)溫度應(yīng)控制在30 ℃以下。對(duì)于地鐵公共區(qū)這種大空間系統(tǒng)，理論上環(huán)境突變的可能性不大，結(jié)合類(lèi)似已建設(shè)項(xiàng)目的歷史數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)一定周期的數(shù)據(jù)積累和系統(tǒng)自適應(yīng)自學(xué)習(xí)自優(yōu)化，預(yù)測(cè)未來(lái)負(fù)荷變化的趨勢(shì)，提前對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。因此，本系統(tǒng)可運(yùn)用預(yù)期算法算出車(chē)站公共區(qū)當(dāng)期的熱負(fù)荷大小，并結(jié)合室外溫度的變化趨勢(shì)，確定需要輸送的冷量，提前進(jìn)行精確調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)控制頻率，使輸入的冷量與公共區(qū)負(fù)荷需求相匹配，防止冷量過(guò)剩與控制滯后的現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的智能控制、節(jié)能控制。

冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)及冷水機(jī)組的能耗都與冷卻水溫度密切相關(guān)，相互影響又相互制約。在一定范圍內(nèi)，降低冷卻水溫度有利于提高冷水機(jī)組的COP，使冷水機(jī)組的所消耗的電能降低，但冷卻水溫度降低，一定會(huì)增大冷卻水流量和冷卻塔風(fēng)量，導(dǎo)致冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗升高。反之雖降低了冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗，但冷水機(jī)組的效率降低，導(dǎo)致能耗上升。根據(jù)物理學(xué)和辯證法我們知道任何事物都會(huì)有一個(gè)發(fā)揮其最大作用的平衡點(diǎn)，這個(gè)平衡點(diǎn)不是固定不變的，會(huì)隨著各個(gè)因素的影響而變化，“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)在這個(gè)基礎(chǔ)上通過(guò)自動(dòng)分析、尋優(yōu)，找到這樣一個(gè)平衡點(diǎn)，使各個(gè)設(shè)備效率最高、能耗最小、環(huán)境最優(yōu)。

4 兩大控制系統(tǒng)比較

4.1 傳統(tǒng)定流量控制方式

傳統(tǒng)定流量控制系統(tǒng)采用固定空調(diào)冷凍水流量、冷卻水流量的方式，無(wú)論何時(shí)啟動(dòng)空調(diào)主機(jī)，冷凍水泵、冷卻水泵都是在50 Hz工頻狀態(tài)下運(yùn)行。而風(fēng)機(jī)雖然采用變頻技術(shù)，但傳統(tǒng)定流量控制方式無(wú)法根據(jù)末端負(fù)荷需求進(jìn)行空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行干預(yù)，可以收到一定節(jié)能效果，但這種分級(jí)調(diào)節(jié)非常粗糙，并存在滯后性，不能根據(jù)環(huán)境的需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，受設(shè)備配置的限制和人為影響較大，使整個(gè)系統(tǒng)能耗始終處于偏大的狀態(tài)，造成能源浪費(fèi)。這種控制方式優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的自控設(shè)備，初期投資較少。

4.2 “風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)

“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)通過(guò)末端傳感器及設(shè)備運(yùn)行采集大數(shù)據(jù)進(jìn)行積累及分析，建立獨(dú)有的模型，再輔以成熟的技術(shù)手段控制設(shè)備變頻調(diào)速及水閥開(kāi)度調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)真正意義上的變溫差、變壓差、變流量運(yùn)行，使控制系統(tǒng)及受控設(shè)備具有高度的跟隨性和應(yīng)變能力，可根據(jù)對(duì)受控環(huán)境、設(shè)備的參數(shù)動(dòng)態(tài)識(shí)別，自適應(yīng)地調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，以獲得最佳的控制效果。顯然，這種控制具有多變性的特征，但正是由于這種眾多因素參與的多變性，才構(gòu)造了體現(xiàn)智能控制行為的輸入輸出間復(fù)雜的非線性關(guān)系，同時(shí)，也正是這種復(fù)雜的非線性，才使得“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)成效顯著地控制和克服了被控設(shè)備的多參量、時(shí)變性及不確定性等特征，從而達(dá)到很高的控制性能，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行——安全、舒適、節(jié)能。在這一控制流程中，末端需求、風(fēng)機(jī)、水泵、水閥的任何設(shè)備動(dòng)作都相互影響，任何設(shè)備動(dòng)作都會(huì)促使其他設(shè)備的動(dòng)作，真正實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的完全智能化自動(dòng)聯(lián)調(diào)。但這種系統(tǒng)構(gòu)架復(fù)雜，投資較大，目前該控制系統(tǒng)無(wú)法與EMCS系統(tǒng)做完全整合，與EMCS之間的信號(hào)只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸。

5 存在的問(wèn)題

1)“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)無(wú)法與EMCS系統(tǒng)完全融合，目前需要兩套系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，因此導(dǎo)致了項(xiàng)目投資成本的增加。2)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)極個(gè)別時(shí)間段公共區(qū)溫度會(huì)突變，上升2 ℃左右。此問(wèn)題需進(jìn)一步研究，找出原因并解決。

表1 某車(chē)站傳統(tǒng)定流量控制系統(tǒng)與“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)測(cè)能耗對(duì)比

6 “風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能效果及結(jié)論

目前對(duì)于設(shè)備變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行的節(jié)能水平是大家公認(rèn)的，但只是簡(jiǎn)單的將通風(fēng)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行變頻控制，不考慮各設(shè)備間的相互影響、不考慮末端環(huán)境負(fù)荷變化需求的前提下，設(shè)備頻率的設(shè)定將變的毫無(wú)依據(jù)可言。因此 “風(fēng)變頻—水變頻”為”風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)將智能控制、節(jié)能控制變成了現(xiàn)實(shí)。

從表1可以看出，“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)比原系統(tǒng)節(jié)能率大幅提高，由此可以證明“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)的理論是可行的、技術(shù)是可靠的、節(jié)能效果是可見(jiàn)的。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的研究分析及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出在“風(fēng)—水”聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)以成熟的變頻技術(shù)為基礎(chǔ)，以獨(dú)特的技術(shù)為手段，輔以完備的通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備變頻及其他相關(guān)設(shè)備的控制節(jié)能效果尤為突出，在全世界能源緊缺的今天，在倡導(dǎo)智慧地鐵的前提下，為節(jié)能減排及建造智慧型地鐵做出了巨大的貢獻(xiàn)。