胡振亞,楊 卓,李韶光,譚慶慧,王 旭,李曉鋒
(1. 南寧軌道交通集團有限責(zé)任公司,南寧 530029;2. 北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京 100085;3. 清華大學(xué),北京 100084)
截至2020年底,中國內(nèi)地共有45個城市開通城市軌道交通運營線路244條,運營線路總長度7 969.7 km,全國累計投運車站總計4 681座,創(chuàng)歷史新高[1]。地鐵運營線路的持續(xù)增加,導(dǎo)致地鐵運行能耗在整個社會能耗中的占比變得不可忽視。根據(jù)國內(nèi)地鐵運營期能耗情況來看,雖然通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的造價僅相當于地鐵投資的8%~10%,但運營過程中通風(fēng)空調(diào)能耗卻占到40%左右[2],對于廣州、南寧等炎熱地區(qū),這一比例甚至高達50%[3]。地鐵通風(fēng)空調(diào)的控制系統(tǒng),對其運行能耗有重要的影響[4],因此對其進行優(yōu)化研究,有利于減少地鐵車站能源消耗及所導(dǎo)致的間接碳排放,有利于實現(xiàn)中國2030年碳達峰和2060年碳中和的目標。
地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)通常采用環(huán)境與設(shè)備控制系統(tǒng)(building automatic system,BAS)方案。近幾年風(fēng)水聯(lián)動控制應(yīng)用逐漸增加,其中,風(fēng)系統(tǒng)由BAS進行控制,水系統(tǒng)由冷站群控系統(tǒng)進行控制,主要的設(shè)備參數(shù)可以通過系統(tǒng)實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制,但風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)控制之間的相互關(guān)聯(lián)性弱。風(fēng)水聯(lián)動控制為風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)控制均交給同一個廠家,實現(xiàn)風(fēng)水系統(tǒng)的聯(lián)動控制,所有的模式和設(shè)備參數(shù)控制均由系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。相關(guān)學(xué)者對兩種控制方案的優(yōu)劣進行了研究,普遍認為風(fēng)水聯(lián)動系統(tǒng)控制是比傳統(tǒng)BAS控制更加節(jié)能的控制方案。鄭奕認為,引入風(fēng)水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)對車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的運行狀態(tài)進行整體調(diào)節(jié),才是實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行的有效手段[5];楊卓對比分析了某車站風(fēng)水聯(lián)動控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)定流量控制系統(tǒng)的實測運行能耗,風(fēng)水聯(lián)動控制系統(tǒng)單日運行能耗降低28%[6];王曉保分析了風(fēng)水聯(lián)動控制系統(tǒng)風(fēng)變頻/水變頻模式,相比風(fēng)工頻/水工頻運行能耗降低30%[7]。
由于目前國內(nèi)仍然有大量的地鐵車站采用常規(guī)BAS控制方案,其改造成風(fēng)水聯(lián)動控制方案需要大量的成本投入,因此研究常規(guī)BAS控制方案在實際運行過程中普遍存在的問題,在不改變硬件配置的情況下,僅通過控制策略的優(yōu)化和改進,使其節(jié)能率能夠明顯提升,取得良好的節(jié)能效果,具有非常重要的意義。
通過調(diào)研國內(nèi)多條地鐵線路常規(guī)BAS控制方案實際運行情況,對實際運行中常見的問題進行總結(jié)分析,提出控制策略方面的優(yōu)化改進方案。選取南寧地鐵典型車站,運用控制策略優(yōu)化方案對BAS進行改進,對比分析改進前后的運行能耗變化情況,驗證節(jié)能效果。該優(yōu)化方案的改進措施和優(yōu)化方法同樣適用于國內(nèi)其他采用常規(guī)BAS控制方案的地鐵車站,為地鐵車站常規(guī)BAS控制方案的運行優(yōu)化提供有效路徑。
通過調(diào)研分析鄭州地鐵、杭州地鐵、南京地鐵、廈門地鐵和南寧地鐵等國內(nèi)多條地鐵線路空調(diào)系統(tǒng)控制方案,對常規(guī)BAS控制方案和風(fēng)水聯(lián)動控制方案的差別進行了系統(tǒng)分析和對比(見表1),兩種控制方案的關(guān)鍵差別在兩個方面。
表1 常規(guī)BAS和風(fēng)水聯(lián)動控制方案對比分析Table 1 Comparative analysis of conventional BAS and wind-water linkage control schemes
1) 控制邏輯的差別。BAS可以遠程控制冷水機組出水溫度,但缺乏控制邏輯;風(fēng)水聯(lián)動采用室內(nèi)控制溫度等多參數(shù),自動控制冷水機組的出水溫度。BAS和風(fēng)水聯(lián)動對于風(fēng)機變頻、電動閥門調(diào)節(jié)等均采用反饋控制,但控制算法略有差別。
2) 硬件配置的差別。BAS的冷凍水泵/冷卻水泵/冷卻塔均采用定頻設(shè)備,只能定流量運行;風(fēng)水聯(lián)動的冷凍水泵/冷卻水泵/冷卻塔均采用變頻設(shè)備,可以實現(xiàn)變流量運行。BAS改造成風(fēng)水聯(lián)動控制,需要增加變頻設(shè)備、風(fēng)水控制柜等硬件成本投入。
從前述國內(nèi)多條地鐵線路空調(diào)系統(tǒng)控制方案的調(diào)研分析中發(fā)現(xiàn),各個地鐵車站的常規(guī)BAS控制方案具有很高的相似性,因此在實際運行中產(chǎn)生的很多問題也具有共性。對其實際運行情況進行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)普遍存在以下問題。
1) 冷水機組的加減機策略易導(dǎo)致加減機的誤判。冷水機組加減機控制方案通常為:加機,冷水機組平均電流百分比大于95%時,增加1臺冷水機組;減機,冷水機組平均電流百分比小于50%時,減少1臺累計運行時間較長的冷水機組。在實際運行中,由于冷水機組的運行條件復(fù)雜,上述加減機條件容易導(dǎo)致加減機的誤判,比如:由于空調(diào)末端電動水閥處于不調(diào)節(jié)狀態(tài)和水泵定流量運行、水系統(tǒng)處于流量偏大狀態(tài)等原因,導(dǎo)致空調(diào)末端通常處于過量供冷狀態(tài),末端過量供冷,將導(dǎo)致冷水機組開啟2臺時仍然處于高負載狀態(tài),無法觸發(fā)減機條件;單臺冷水機組的高負載率運行工況,常會出現(xiàn)冷凝器排氣壓力偏高的情況,冷凝器排氣壓力偏高,會觸發(fā)冷水機組冷凝器壓力保護,導(dǎo)致冷水機組最高運行負載率受限,只能達到80%~85%,無法觸發(fā)加機條件。
2) 缺少冷水機組出水溫度設(shè)定值的控制策略。冷水機組出水溫度設(shè)定值通??刂圃谝粋€固定值,不隨實際運行情況調(diào)整,缺少相關(guān)的控制策略。在實際運行中,冷水機組的出水溫度控制過低或過高都會帶來一些問題:過低時,會導(dǎo)致在一些不需要除濕的工況除濕,增加除濕負荷;過高時,會導(dǎo)致在一些工況下無法除濕,可能會出現(xiàn)室內(nèi)結(jié)露的情況。
3) 缺少冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔的變頻控制。目前很多地鐵車站冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔無法實現(xiàn)變頻控制,大部分車站是由于未設(shè)置變頻器,也有少部分車站設(shè)有變頻器但仍無法實現(xiàn)變頻運行,其主要原因包括:系統(tǒng)缺乏變頻控制策略;變頻控制的PID控制程序未整定;未設(shè)置延時和上下限保護,導(dǎo)致水泵變頻運行時會出現(xiàn)水系統(tǒng)振蕩、冷水機組低流量故障報警等問題。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備通常按照遠期負荷進行設(shè)計選型,導(dǎo)致實際運行中空調(diào)系統(tǒng)大部分時間均運行在較低負荷率工況下,如冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔無法實現(xiàn)變頻控制,則會導(dǎo)致較多的能耗浪費。
4) 缺少冷卻塔的臺數(shù)控制。地鐵車站空調(diào)水系統(tǒng)通常會設(shè)置聯(lián)鎖控制關(guān)系,一臺冷水機組對應(yīng)一臺水泵和一臺冷卻塔運行。在實際運行中,缺少一機對雙塔模式,無法充分利用冷卻塔的換熱面積,導(dǎo)致冷卻水的回水溫度出現(xiàn)偏高的情況。
5) 空調(diào)機組送風(fēng)機和回排風(fēng)機頻率對應(yīng)的控制對象不合理??照{(diào)機組送風(fēng)機和回排風(fēng)機頻率的控制對象通常為回風(fēng)溫度。在實際運行中,回風(fēng)溫度傳感器安裝在回風(fēng)總管上,回風(fēng)口一般設(shè)在車站吊頂內(nèi),由于吊頂內(nèi)設(shè)備散熱的影響,回風(fēng)溫度通常高于室內(nèi)人行區(qū)溫度0.5~1.5℃。采用回風(fēng)溫度控制空調(diào)機組風(fēng)機的頻率,在不修正控制目標的情況下,會導(dǎo)致送風(fēng)量大于實際需求量,造成過量供冷。同時,回風(fēng)溫度傳感器通常只有1個,當傳感器發(fā)生故障時,會對空調(diào)機組的風(fēng)機運行產(chǎn)生較大的影響。
針對上述BAS控制方案實際運行中的5個常見問題,在不改變硬件配置的情況下,可以采取以下優(yōu)化改進措施。
1) 優(yōu)化冷水機組加減機控制邏輯。優(yōu)化后的冷水機組加減機控制邏輯如圖1所示,其主要改動是增加了空調(diào)負荷預(yù)測模型來確定冷水機組允許開啟臺數(shù)的范圍,同時增加了多個并行判定條件,以確保加減機符合真實負荷需求。其中,冷水機組加減機臺數(shù)的判定維持時間為30 min,以避免系統(tǒng)振蕩。
圖1 冷水機組加減機控制邏輯Figure 1 Addition and subtraction control logic of chiller
關(guān)于地鐵車站空調(diào)負荷的預(yù)測,相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進行了大量研究,能夠較為準確地計算空調(diào)負荷[8-9]。通過預(yù)測空調(diào)負荷,限定冷水機組允許開啟臺數(shù)的范圍,避免由于溫度傳感器故障、水閥故障等導(dǎo)致系統(tǒng)反饋控制失調(diào)而多開冷機。增加冷水機組出水溫度和室內(nèi)溫度等多個判定條件,可以避免因空調(diào)末端過量供冷而導(dǎo)致冷水機組無法減機。將冷水機組運行負載率判定由唯一條件改為可選條件,可以避免因冷水機組出力受限而導(dǎo)致無法加機。
2) 增加冷水機組出水溫度控制邏輯。如圖2所示,增加的控制邏輯是將冷水機組出水溫度設(shè)定值范圍與室外濕球溫度進行聯(lián)動,同時根據(jù)室內(nèi)含濕量,在設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冷水機組出水溫度的設(shè)定值。其中,PI參數(shù)設(shè)置比例增益Kp設(shè)為0.8,積分時間Ki設(shè)為30 s,采樣周期T設(shè)為10 s,控制執(zhí)行周期設(shè)為5 min(不同品牌PLC需要根據(jù)其PID控制程序重新整定)。
圖2 冷水機組出水溫度控制邏輯Figure 2 Chiller outlet temperature control logic
室內(nèi)濕負荷和室外濕球溫度有直接的關(guān)系,因此需要采用室外濕球溫度,以控制冷水機組出水溫度設(shè)定值的合理范圍,避免單純根據(jù)室內(nèi)含濕量來控制出水溫度而導(dǎo)致冷水機組出水溫度大范圍波動。由于地鐵車站小系統(tǒng)房間主要是設(shè)備用房,小系統(tǒng)負荷主要是設(shè)備發(fā)熱量,小系統(tǒng)的熱濕比比較大。大系統(tǒng)由于大量人員散濕、出入口滲風(fēng)所帶來的室外濕源等因素,其熱濕比小于小系統(tǒng)的值,因此小系統(tǒng)相對于大系統(tǒng)而言,除濕需求更少,其冷凍水的供水溫度可以高于大系統(tǒng)的值,二者比較后都是以大系統(tǒng)來確定出水溫度。
3) 冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔變頻控制。由于大部分車站未設(shè)置變頻,所以這里不做討論。
4) 增加冷卻塔臺數(shù)控制。其邏輯如圖3所示,通過冷水機組電流百分比和冷卻水回水溫度等多個條件,設(shè)定冷卻塔的開啟數(shù)量。
圖3 冷卻塔運行數(shù)量控制邏輯Figure 3 Cooling tower’s control logic
在冷水機組負載率較高時,開啟2臺冷卻塔,可以充分利用冷卻塔的換熱面積,有效降低冷卻水的回水溫度,提高冷水機組的運行效率。在絕大多數(shù)情況下,冷水機組降低的運行能耗大于多開1臺冷卻塔增加的運行能耗,避免采用復(fù)雜的尋優(yōu)控制算法,提高控制穩(wěn)定性。
5) 優(yōu)化空調(diào)機組送風(fēng)機和回排風(fēng)機頻率對應(yīng)的控制對象。其控制邏輯如圖4所示,優(yōu)化后的主要改動是將空調(diào)機組送風(fēng)機和回排風(fēng)機頻率控制對象從回風(fēng)溫度改為室內(nèi)溫度,室內(nèi)溫度為站廳+站臺溫濕度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)去掉其中最大值和最小值后的算術(shù)平均值。其中,PI參數(shù)設(shè)置比例增益Kp設(shè)為0.8,積分時間Ki設(shè)為30 s,采樣周期T設(shè)為10 s,控制執(zhí)行周期設(shè)為10 min(不同品牌PLC需要根據(jù)其PID控制程序重新整定)。
圖4 空調(diào)機組風(fēng)機頻率控制邏輯Figure 4 Fan frequency control logic of air conditioning unit
通過將控制目標由回風(fēng)溫度調(diào)為室內(nèi)溫度,避免了由于回風(fēng)溫度偏高而導(dǎo)致過量供冷的問題。同時,在將控制對象由單個傳感器改為多個傳感器后,可以最大限度地避免單個傳感器故障對風(fēng)機頻率控制策略產(chǎn)生的影響。
選取南寧地鐵典型車站作為分析對象,按照前述優(yōu)化改進措施,對車站BAS進行控制策略的優(yōu)化改進,對比分析優(yōu)化改進前后的節(jié)能效果。該車站為地下兩層島式站臺車站,地下一層為站廳層,地下二層為站臺層,站廳層公共區(qū)面積為1 550 m2,站臺層公共區(qū)面積為1 160 m2。車站大、小系統(tǒng)的冷凍水均由冷水機房提供,機房共設(shè)置2臺冷量為557 kW的螺桿式冷水機組、3臺冷凍水泵、3臺冷卻水泵和2臺冷卻塔。
該車站設(shè)有BAS控制系統(tǒng),可采用手動和自動兩種模式運行。將設(shè)備參數(shù)不調(diào)節(jié)的手動控制模式作為對比分析的基準,簡稱為“基準模式”;將未優(yōu)化的原BAS控制模式簡稱為“BAS模式”,優(yōu)化后的BAS控制模式簡稱為“BAS改進模式”。選取室外氣象條件接近的典型日,通過控制模式的切換,在該車站分別運行基準模式、BAS模式、BAS改進模式,對比分析3種控制模式的實際運行效果。
選取相同的車站進行對比分析,可以排除設(shè)備性能、客流、室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量等因素對分析結(jié)果的影響,在整個控制方案對比的過程中,僅需要盡可能保證對應(yīng)的室外氣象參數(shù)一致。3種控制模式對比日的室外氣象參數(shù)(室外溫度、室外焓值日平均值)情況如表2所示??梢钥闯?,3種控制模式對應(yīng)的室外氣象參數(shù)的日平均值非常接近。從溫度日平均數(shù)據(jù)看,偏差為0.1℃;從室外焓值日平均數(shù)據(jù)看,偏差為0.7%。
表2 室外氣象參數(shù)對比分析Table 2 Comparative analysis of outdoor meteorological parameters
3種控制模式對比日的室內(nèi)平均溫濕度和焓值情況如表3所示??梢钥闯?,3種控制模式的室內(nèi)溫度均滿足控制目標27℃±0.5℃的要求。3種控制模式的室內(nèi)平均濕度均高于設(shè)計目標濕度65%,實際運行中現(xiàn)場未出現(xiàn)明顯的結(jié)露現(xiàn)象,運行中均不對濕度進行控制。3種控制模式運行的室內(nèi)溫濕度比較接近。
表3 室內(nèi)溫濕度和焓值對比分析Table 3 Comparative analysis of average indoor temperature and humidity
以基準模式室外焓值為統(tǒng)一基準,分析3種控制模式的室內(nèi)外焓差,BAS改進模式焓差降低25.2%,下降明顯。
3種控制模式的實際運行能耗如圖5所示。基準模式空調(diào)系統(tǒng)總運行能耗為7 126 kW·h,BAS模式空調(diào)系統(tǒng)總運行能耗為5 940 kW·h,BAS改進模式空調(diào)系統(tǒng)總運行能耗為4 063 kW·h。相比基準模式,BAS模式空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的節(jié)能量為1 186.1 kW·h,節(jié)能率為17%;BAS改進模式空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的節(jié)能量為3 063.5 kW·h,節(jié)能率為43%。相比原BAS模式,BAS改進模式的節(jié)能率有明顯提升,說明對BAS采用的優(yōu)化改進措施能明顯提升BAS的節(jié)能率。
圖5 運行能耗對比分析Figure 5 Comparative analysis of operating energy consumption
5.3.1 制冷量降低
3種控制模式的空調(diào)系統(tǒng)供冷量對比如圖6所示。基準模式供冷量為20 114 kW·h,BAS模式供冷量為19 113 kW·h,BAS改進模式供冷量為13 019 kW·h。BAS改進模式的供冷量明顯下降,主要原因包括以下方面。
圖6 空調(diào)系統(tǒng)供冷量對比Figure 6 Comparison of cooling capacity of air-conditioning system
1) 優(yōu)化方案室內(nèi)平均溫度由基準模式的26.1℃提高到27.1℃,室內(nèi)控制溫度更加接近控制目標27℃,室內(nèi)溫濕度略有提高,室內(nèi)外焓差相對于基準模式下降25.2%,新風(fēng)量下降,新風(fēng)負荷明顯下降。
2) 增加冷水機組出水溫度控制邏輯,根據(jù)室外濕球溫度和室內(nèi)含濕量,設(shè)置合理的冷水機組出水溫度。出水溫度優(yōu)化后由9℃提高到13℃,減少了不必要的除濕負荷和過量的供冷量。
進一步對BAS改進模式相比原BAS模式節(jié)能率提升的原因進行分析,主要包括制冷量降低和設(shè)備能效提升兩個方面。
3) 優(yōu)化空調(diào)機組送風(fēng)機和回排風(fēng)機控制對象,以室內(nèi)溫度作為控制對象,相比以回風(fēng)溫度作為控制對象,室內(nèi)控制溫度與室內(nèi)真實溫度更加接近,風(fēng)機頻率下降,風(fēng)量下降,空調(diào)末端換熱量下降,末端供冷量下降。
5.3.2 設(shè)備能效提升
3種控制模式的空調(diào)系統(tǒng)運行能效對比如圖7所示。BAS改進模式相比原BAS模式,冷水機組和冷凍站的能效比略有提升,主要原因是改進方案提高了冷水機組的出水溫度及蒸發(fā)溫度,提高了運行效率;空調(diào)系統(tǒng)的能效沒有提升,主要原因是小系統(tǒng)空調(diào)箱風(fēng)機為定頻風(fēng)機,運行能效低,拉低了空調(diào)系統(tǒng)整體的能效。
圖7 空調(diào)系統(tǒng)運行能效對比Figure 7 Comparison of energy efficiency of air-conditioning system
優(yōu)化冷水機組加減機控制策略,通過負荷預(yù)測預(yù)設(shè)冷水機組的開啟數(shù)量,根據(jù)冷水機組的電流百分比、出水溫度和室內(nèi)溫度等多條件判定,全天開啟1臺冷水機組就可以基本滿足需求,有效避免了原BAS系統(tǒng)持續(xù)開啟2臺冷水機組的情況,冷凍水泵、冷卻水泵的開啟數(shù)量由2臺下降到1臺,因此冷水機組和水泵的運行能耗明顯下降。
綜上分析,BAS通過控制策略方面的改進優(yōu)化,新風(fēng)負荷下降,供冷量明顯下降,冷機設(shè)備和冷凍站能效略有提升,空調(diào)系統(tǒng)能效無提升,冷機、水泵設(shè)備的開啟數(shù)量明顯下降,空調(diào)系統(tǒng)運行能耗明顯降低。相較于基準模式,節(jié)能率為43%;相較于原BAS模式,節(jié)能率為32%。節(jié)能效果顯著,超過文獻[6-7]中風(fēng)水聯(lián)動控制方案28%~30%的節(jié)能效果。
過去的研究普遍認為,引入風(fēng)水聯(lián)動控制系統(tǒng),對車站空調(diào)系統(tǒng)運行狀態(tài)進行整體調(diào)節(jié),才是實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行的有效方法。但是,國內(nèi)仍有大量地鐵車站采用BAS控制方案,其改造成風(fēng)水聯(lián)動控制系統(tǒng)的成本較大。因此,在不改變硬件的情況下,對控制策略采取一定的優(yōu)化改進措施,使BAS控制方案的節(jié)能率有明顯的提升,達到良好的節(jié)能效果,具有非常重要的意義。
通過調(diào)研國內(nèi)多個地鐵車站常規(guī)BAS系統(tǒng)的實際運行情況,分析實際運行中常見的問題,在不改變硬件配置的情況下,對BAS的控制策略進行了改進優(yōu)化,提出了一種BAS改進優(yōu)化控制方案,包括:根據(jù)負荷預(yù)測和冷水機組電流百分比、出水溫度、室內(nèi)溫度等多條件,控制冷水機組運行臺數(shù);根據(jù)室外濕球溫度和室內(nèi)含濕量,聯(lián)合確定合理的冷水機組出水溫度;增加一機對雙塔運行模式,通過室內(nèi)溫度控制空調(diào)機組風(fēng)機頻率。
為驗證改進方案的節(jié)能效果,選取南寧地鐵的典型車站,對原BAS模式和BAS改進模式的運行效果進行了對比研究。從數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果來看:相較于基準模式,BAS改進控制模式的節(jié)能率為43%;相較于BAS模式,BAS改進模式的節(jié)能率為32%。由此可見,BAS改進模式的節(jié)能率明顯提升,說明冷機加減機控制、冷機出水溫度控制、冷卻塔臺數(shù)控制和空調(diào)機組風(fēng)機頻率控制等BAS控制策略改進優(yōu)化方案,帶來了非常好的節(jié)能率提升,節(jié)能效果顯著。
該研究成果具有成本低、易實施的特點,而且由于我國地鐵車站的BAS控制方案普遍相似,因此非常容易大規(guī)模推廣,從而可以獲得顯著的節(jié)能效果。同時,該優(yōu)化思路同樣適用于非地鐵車站類采用BAS控制但控制策略仍不完善的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行,可用來指導(dǎo)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)實際運行方案的制定和優(yōu)化。