孫小通，劉瓊?cè)?/p>

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510010）

車站環(huán)境的舒適度和設(shè)備運行狀況與車站的溫濕度密切相關(guān)，智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)不同需求通過控制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)車站不同區(qū)域的溫濕度要求。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)中主要的“能耗大戶”，其運行能耗與車站總能耗的占比可達到30%~50%[1]。因此探討城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制策略具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。目前智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用自動模式控制，從而同時兼顧系統(tǒng)能效指標與系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并采用風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能控制技術(shù)，將空調(diào)水系統(tǒng),通風(fēng)大、小系統(tǒng)等環(huán)控系統(tǒng)結(jié)合起來，進行綜合節(jié)能控制。因此智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)能控制的關(guān)鍵技術(shù)在于空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制和通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制2大部分。

1 概述

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容分為節(jié)能部分和非節(jié)能部分。節(jié)能部分的設(shè)備包括空調(diào)冷源系統(tǒng)設(shè)備（冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、電動閥門和變送器等）、大系統(tǒng)變頻設(shè)備及聯(lián)動風(fēng)閥、大系統(tǒng)（含出入口）所有傳感設(shè)備、小系統(tǒng)變頻空調(diào)器及其聯(lián)動風(fēng)閥、小系統(tǒng)風(fēng)管傳感設(shè)備和空調(diào)冷源系統(tǒng)所有傳感設(shè)備等[2]。除節(jié)能設(shè)備以外的其他通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、消防電源均納入非節(jié)能控制模塊。

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，在車站控制室端的環(huán)控電控室內(nèi)設(shè)置一套冗余的PLC控制器，在另一端設(shè)置分布式I/O。BAS系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)是光纖自愈環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)，智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)的重要一環(huán)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。通過對系統(tǒng)架構(gòu)和接口的整合優(yōu)化，強弱電一體化，與綜合監(jiān)控直連，從而減少外部接口。智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)不獨立構(gòu)建全線網(wǎng)絡(luò)，其冗余控制器通過4個以太網(wǎng)接口與綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機連接，實現(xiàn)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成，從而利用其組建全線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[3]。智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)以冷水機房綜合能效比、空調(diào)系統(tǒng)綜合能效比等多項指標均作為節(jié)能控制目標。

圖1 智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 節(jié)能考核目標

采用水冷系統(tǒng)總冷量不超過2 326 kW的車站和集中冷站的制冷機房全年平均綜合制冷性能系數(shù)（COP）不應(yīng)低于5.0，總冷量大于2 326 kW的車站制冷機房全年制冷性能系數(shù)（COP）不應(yīng)低于5.2，車站空調(diào)全系統(tǒng)COP值不低于3.5。

3 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制策略

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)空調(diào)水系統(tǒng)模式由節(jié)能模塊內(nèi)部下發(fā)，節(jié)能模塊內(nèi)置節(jié)能控制策略，節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)末端冷負荷大小自動調(diào)節(jié)空調(diào)水系統(tǒng)運行模式。空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制策略可以從冷水機組控制、冷凍泵控制、冷卻水系統(tǒng)控制和壓差旁通裝置控制4個方面開展。

3.1 冷水機組節(jié)能控制策略

因空調(diào)大小系統(tǒng)共用一個冷凍機房，大系統(tǒng)和小系統(tǒng)使用冷水時，冷水機組均需開啟。根據(jù)系統(tǒng)負荷的匹配性，充分分析通風(fēng)系統(tǒng)負荷數(shù)據(jù)，通過負荷均分控制保證冷水機組在全工況下的高效運轉(zhuǎn)。根據(jù)冷水機組的不同負荷工作狀態(tài)，采取與之匹配的控制方案，提高節(jié)能效率。冷水機組處于高負荷運行狀態(tài)下時，優(yōu)先采用冷凝溫度控制；處于低負荷運行狀態(tài)下時，優(yōu)先采用定溫差控制。充分利用不同時間段溫度差異的特點，采取相應(yīng)的冷卻水供回水溫差，保持冷水機房SCOP在最高點運行。

變頻冷水機組的調(diào)節(jié)區(qū)間為30%~100%，冷水機房負荷率調(diào)節(jié)區(qū)間為15%~100%，當(dāng)夜間負荷低于冷水機房總負荷的15%時，智能環(huán)控系統(tǒng)自動啟動超低負荷水蓄冷模式運行，采用冷凍泵單獨運行，優(yōu)先消耗冷凍水管路余冷的方式，再開啟冷水機組、冷卻泵及冷卻塔的方式，從而提高空調(diào)水系統(tǒng)在超低負荷下的運行效率。

以水冷式冷水機組為例，通過機房COP值的尋優(yōu)實現(xiàn)水冷式冷水機組的高效運行，計算公式如下

同時尚應(yīng)計算并顯示水系統(tǒng)SCOP值、全系統(tǒng)COP值和主機COP值，計算公式如下

3.2 冷凍泵節(jié)能控制策略

利用冷凍水總供水管道和總出水管道的溫度變送器和壓力變送器采集冷凍水供回水溫度，并計算出溫差，為保證冷凍水供回水溫差維持在預(yù)設(shè)的溫差值，可以使用PID或其他智能算法來調(diào)節(jié)冷凍水泵的運行頻率。當(dāng)實際供回水溫差高于目標值時，則提高冷凍水泵運行頻率，增大水流量；當(dāng)供回水溫差低于目標值時，則降低冷凍水泵運行頻率，減小水流量。同時智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測各末端的供回水壓差，如果末端最小供回水壓差不夠則優(yōu)先提高冷凍水泵的運行頻率。采用定溫差和最小壓差保護相結(jié)合的控制策略，從而實現(xiàn)對冷凍水泵運行頻率的自動調(diào)節(jié)，使冷凍水系統(tǒng)運行在按需供應(yīng)的最優(yōu)狀態(tài)，即大溫差、小流量的工作狀態(tài)。

3.3 冷卻水系統(tǒng)節(jié)能控制策略

冷卻水系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)車站冷卻循環(huán)。冷卻水泵充分結(jié)合冷水機組的運行負荷狀態(tài)和控制策略，采用變流量控制方式。根據(jù)冷卻水變流量與冷凍機房COP的關(guān)系曲線，判斷出任意冷水機組運行負荷狀態(tài)下，冷卻水流量的最優(yōu)解，從而調(diào)整冷卻水泵的運行頻率，實現(xiàn)冷卻水泵的變流量控制。同時在室外濕球溫度較低和較高的時間段，采用不同的供回水溫差控制，從而有效減少冷卻水泵的電能消耗。

當(dāng)冷卻塔對應(yīng)的進、出水蝶閥均開啟時，冷卻塔風(fēng)機可啟動自動運行模式。設(shè)定一個濕球溫度逼近度，當(dāng)實際濕球溫度逼近度大于設(shè)定值時，冷卻塔風(fēng)機提高運行頻率；當(dāng)實際濕球溫度逼近度小于設(shè)定值時，冷卻塔風(fēng)機降低運行頻率。在這種控制策略下，可以實現(xiàn)在冷水機組正常運行的情況下，冷卻水進水溫度逼近室外濕球溫度，從而有效提高冷水機組的COP值和運行效率，提高節(jié)能效率。

對冷卻塔、冷卻水泵變頻，應(yīng)通過機房COP值的尋優(yōu)，保證冷水機組的高效運行，實現(xiàn)機房COP值最高，計算公式如下

3.4 壓差旁通閥控制策略

壓差旁通閥的自身具備壓差控制開度的功能。智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)利用總管冷凍水供回水壓差設(shè)定冷凍水泵調(diào)節(jié)和壓差旁通閥調(diào)節(jié)的優(yōu)先級。若冷凍水供回水壓差低于設(shè)定值時，智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)閉壓差旁通閥，再提高冷凍水泵運行頻率。當(dāng)冷凍水供回水壓差高于設(shè)定值時，則智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)減小冷凍水泵運行頻率，再增加壓差旁通閥開度。同時冷凍水流量不滿足單臺冷水機組額定流量的50%時，智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)自動啟動壓差旁通閥，從而保證冷水機組的最小流量。

4 通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制策略

車站運營時間內(nèi)空調(diào)大小系統(tǒng)主要有3種運行模式：空調(diào)季節(jié)小新風(fēng)模式、空調(diào)季節(jié)全新風(fēng)模式、非空調(diào)季節(jié)通風(fēng)模式。一般情況下，車站空調(diào)大小系統(tǒng)運行模式由綜合監(jiān)控系統(tǒng)時間表定時下發(fā)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)時間表由環(huán)調(diào)系統(tǒng)寫入。

4.1 空調(diào)大系統(tǒng)節(jié)能控制策略

4.1.1 空調(diào)大系統(tǒng)風(fēng)機模式控制策略

空調(diào)系統(tǒng)的運行模式由智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)能策略來實現(xiàn)自動切換。優(yōu)化季節(jié)工況模式判斷，系統(tǒng)存儲之前一天的室外焓值及溫度，并實時采集當(dāng)天的焓值及溫度，高效機房節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)存儲的歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)進行分析，并預(yù)測當(dāng)天的焓值及溫度變化趨勢，估算出當(dāng)天的室外平均焓值及溫度。通過室外焓值與大系統(tǒng)回風(fēng)焓值，智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)從上述3種模式之中選擇最優(yōu)模式，并將該模式號發(fā)送給非節(jié)能模塊，由非節(jié)能模塊將該模式下的風(fēng)閥執(zhí)行到位（要求開啟的風(fēng)閥開啟，要求關(guān)閉的風(fēng)閥關(guān)閉），執(zhí)行成功后將該模式下的執(zhí)行結(jié)果發(fā)送到節(jié)能模塊，節(jié)能模塊接收到相應(yīng)的結(jié)果后再開啟大系統(tǒng)風(fēng)機、大系統(tǒng)組合式空調(diào)機組和大系統(tǒng)風(fēng)機連鎖風(fēng)閥等設(shè)備。

4.1.2 空調(diào)大系統(tǒng)風(fēng)機頻率控制策略

空調(diào)大系統(tǒng)中的組合式空調(diào)器、小新風(fēng)機和回排風(fēng)機的運行頻率均在25~50 Hz之間。通過PID和滑模控制等智能控制實現(xiàn)風(fēng)機頻率的精確調(diào)節(jié)。

在空調(diào)季節(jié)小新風(fēng)模式下，站內(nèi)回風(fēng)溫度等于目標溫度是空調(diào)大系統(tǒng)控制的調(diào)節(jié)目標。當(dāng)站內(nèi)實際回風(fēng)溫度大于目標值時，則提高變頻空調(diào)器的運行頻率，增大風(fēng)量；當(dāng)站內(nèi)實際回風(fēng)溫度小于目標值時，則降低變頻空調(diào)器的運行頻率，減小風(fēng)量。

在空調(diào)季節(jié)全新風(fēng)模式下，平均溫度等于目標溫度是空調(diào)大系統(tǒng)控制的調(diào)節(jié)目標。當(dāng)站內(nèi)實際平均溫度大于目標值時，則提高變頻空調(diào)器的運行頻率，增大風(fēng)量；當(dāng)站內(nèi)實際平均溫度小于目標值時，則降低變頻空調(diào)器的運行頻率，減小風(fēng)量。

在非空調(diào)季節(jié)通風(fēng)模式下，當(dāng)12℃小于等于室外溫度小于等于送風(fēng)溫度時，組合式空調(diào)器頻率的調(diào)節(jié)目標是站內(nèi)平均溫度等于目標溫度。當(dāng)站內(nèi)平均溫度大于設(shè)定值時，則提高組合式空調(diào)器的運行頻率；當(dāng)站內(nèi)平均溫度小于設(shè)定值時，則降低組合式空調(diào)器的運行頻率。當(dāng)室外溫度小于12℃時，按照車站內(nèi)外溫度差小于等于13℃，且運行頻率大于等于25 Hz的狀態(tài)，調(diào)節(jié)組合式空調(diào)器的運行頻率維持最小風(fēng)量運行。

在空調(diào)季節(jié)小新風(fēng)模式下，通過公共區(qū)CO2濃度值對小新風(fēng)機運行頻率進行調(diào)節(jié)。當(dāng)公共區(qū)CO2濃度值在1 000~1 200 ppm之間時，小新風(fēng)機的運行頻率調(diào)節(jié)至50 Hz；當(dāng)公共區(qū)CO2濃度值在800~1 000 ppm之間時，小新風(fēng)機運行頻率調(diào)節(jié)至37.5 Hz；當(dāng)CO2濃度低于800 ppm時，小新風(fēng)機運行頻率可調(diào)節(jié)至25 Hz。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量平衡公式求出回排風(fēng)機風(fēng)量，即：回排風(fēng)機風(fēng)量=組合空調(diào)器送風(fēng)量-小新風(fēng)機風(fēng)量，從而推導(dǎo)出回排風(fēng)機所需工作頻率。

以某城市地鐵車站組空114 000 m3/h@1 000 Pa為例，大系統(tǒng)風(fēng)機分別在轉(zhuǎn)速為80%、60%和50%的情況下，大系統(tǒng)風(fēng)機功率的測試結(jié)果對比見表1。

表1 大系統(tǒng)風(fēng)機在轉(zhuǎn)速分別為80%、60%和50%下功率表

從上表可以得出降低轉(zhuǎn)速運行比減少臺數(shù)運行，更為節(jié)能。

4.2 空調(diào)小系統(tǒng)風(fēng)機頻率控制策略

小新風(fēng)、全新風(fēng)模式下智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)小系統(tǒng)AHU的回風(fēng)溫度控制二通調(diào)節(jié)閥的開度，當(dāng)二通調(diào)節(jié)閥開度小于該AHU的變風(fēng)量允許開度，系統(tǒng)優(yōu)先降低變風(fēng)量小系統(tǒng)空調(diào)EC風(fēng)機轉(zhuǎn)速。當(dāng)二通調(diào)節(jié)閥開度大于該AHU的變風(fēng)量允許開度，系統(tǒng)優(yōu)先升高變風(fēng)量小系統(tǒng)空調(diào)EC風(fēng)機轉(zhuǎn)速。節(jié)能模塊根據(jù)每臺變風(fēng)量小系統(tǒng)空調(diào)的特點設(shè)置EC風(fēng)機轉(zhuǎn)速下限，確保變風(fēng)量小系統(tǒng)空調(diào)的最低風(fēng)量需求。

通風(fēng)模式下，小系統(tǒng)空調(diào)頻率根據(jù)室外溫度采用不同的風(fēng)量定風(fēng)量運行。回排風(fēng)機根據(jù)風(fēng)量平衡調(diào)節(jié)，確保送風(fēng)量=回風(fēng)量+新風(fēng)量。

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)串級控制調(diào)節(jié)小系統(tǒng)送風(fēng)機頻率，系統(tǒng)負荷升高時，優(yōu)先調(diào)節(jié)二通閥開度，二通閥開度達到最大后，再調(diào)節(jié)小系統(tǒng)送風(fēng)機頻率。系統(tǒng)負荷降低時，優(yōu)先調(diào)節(jié)小系統(tǒng)送風(fēng)機頻率，小系統(tǒng)送風(fēng)機頻率達到最低，再調(diào)節(jié)二通閥開度。

5 智能運維

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可對冷水機房各設(shè)備運行參數(shù)進行分析，如電流不平衡度、實際COP與理論COP比值（健康指數(shù)）及冷水機組端差等進行分析，可對故障進行提前預(yù)判。

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實時計算冷卻塔逼近度，并根據(jù)當(dāng)前工況下冷卻塔逼近度與設(shè)定逼近度的差值判斷冷卻塔換熱性能是否良好。

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)冷卻塔當(dāng)前頻率下的功率與理論計算功率的差值判斷冷卻塔風(fēng)機皮帶是否松動。如功率偏差連續(xù)超過設(shè)定占比，則系統(tǒng)會提醒運營人員及時檢查冷卻塔風(fēng)機皮帶。

智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)利用冷水機組制冷劑溫度壓力數(shù)學(xué)模型模擬出冷凝器換熱溫差的近似值，如果冷水機組的冷凝器換熱溫差超過設(shè)定值，系統(tǒng)會提醒運營人員及時檢查冷水機組冷凝器是否臟堵。

6 能耗分析

表2為某城市地鐵車站智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)改造后的指標參數(shù)表。此站采用2臺制冷量為589 kW的冷水機組，系統(tǒng)供回水溫按5℃溫差設(shè)計，設(shè)置2臺冷凍水泵（變頻）、2臺冷卻水泵（變頻）和2臺冷卻塔（變頻）。

表2 某城市地鐵車站智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)改造后的指標參數(shù)表

從表中運行能耗計算可以看出，在空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制策略和通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制策略的控制調(diào)節(jié)下，采用水冷系統(tǒng)總冷量不超過2 326 kW的車站和集中冷站的制冷機房全年平均綜合制冷性能系數(shù)（COP）為5.07，大于目標值5.0，車站空調(diào)全系統(tǒng)COP值為4.55，大于目標值3.5。上述性能系數(shù)滿足節(jié)能考核目標。

7 結(jié)束語

本文對智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)作了清晰描述，并對節(jié)能控制策略作了詳細介紹。通過空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制策略和通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制策略的實施，智能環(huán)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)較高的能效指標，車站的SCOP和COP全年綜合值達到有效節(jié)能指標。今后可基于大數(shù)據(jù)平臺，融合客流、行車、牽引負荷及用電量等多源數(shù)據(jù)，優(yōu)化節(jié)能控制策略。