高 超，胡曉鋒，潘國勝，柳 斌，趙 峰，梁科敏，朱茂進(jìn)

（杭州地鐵運營有限公司，浙江杭州 310017）

1 研究背景

地鐵作為地下空間中使用最廣泛的設(shè)施，承載著城市交通的主要職責(zé)。根據(jù)現(xiàn)有軌道交通運營能耗統(tǒng)計，列車牽引和車站動力照明是軌道交通主要能耗部分，其中牽引功率約占能耗的40%～50%，而在車站動力照明能耗中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)即環(huán)控系統(tǒng)能耗是主要部分，約占車站動力照明總能耗的50%以上[1]，因此對地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能的研究是目前階段節(jié)能的主要目標(biāo)。

在地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)風(fēng)系統(tǒng)方面，溫倩[2]提出了基于客流預(yù)測的地鐵公共區(qū)新風(fēng)控制策略，同時利用建筑污染與CO2濃度計算新風(fēng)量設(shè)定值，提升了控制策略的有效性，并設(shè)計了模糊PID 控制器，利用Simulink 建模仿真驗證預(yù)測模型和控制策略的新風(fēng)動態(tài)控制和節(jié)能效果；張榮[3]利用Simulink 工具對控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)模型能夠根據(jù)人群密度動態(tài)調(diào)節(jié)新風(fēng)閥門開度，控制車站新風(fēng)輸入量，不僅能夠提高地鐵車站的環(huán)境舒適度，還可以有效的降低地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的能耗；武翠霞[4]根據(jù)北京某高校地鐵站通風(fēng)空調(diào)實訓(xùn)平臺情況，搭建了TRNSYS 仿真平臺，分別選取7 月份兩個典型天氣日，對送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度進(jìn)行變頻控制，結(jié)果表明：不同的天氣狀況，能耗并不隨設(shè)定值一直單調(diào)增大或減小，在某一時刻，存在一組設(shè)定值組合使能耗最小。

而對于水系統(tǒng)方面，段皖秦[5]通過TRNSYS 搭建了西安地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的模型，在此模型基礎(chǔ)上對冷凍水泵在定頻和變頻狀態(tài)下進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對結(jié)果進(jìn)行了分析對比，驗證了當(dāng)冷凍水泵處于變頻工作時的能耗比冷凍水泵處于定頻時的能耗有顯著下降，在相同時間段內(nèi)節(jié)能效率提高10%以上。對于風(fēng)水聯(lián)動調(diào)節(jié)，崔偉強[6]以地鐵站空調(diào)主要能耗機組和運營情況為基礎(chǔ)，設(shè)計出一種新型智能空調(diào)控制系統(tǒng)，可根據(jù)站內(nèi)人流量的變化，及時調(diào)控風(fēng)機、變頻器和制冷機組等，以此達(dá)到適宜的站內(nèi)環(huán)境并節(jié)能13%左右。熊武標(biāo)[7]為實現(xiàn)地鐵車站的節(jié)能運行，通過對末端控制邏輯的對比，風(fēng)量、水量同時調(diào)節(jié)的控制效果較好，且輸送設(shè)備節(jié)能率可達(dá)31.7%。李軍[8]以南寧地鐵1 號線麻村站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為例，對空調(diào)設(shè)備的運行能耗進(jìn)行了調(diào)研，引入并驗證了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)水聯(lián)動控制模型，對比分析了不同控制模式下的節(jié)能效果。結(jié)果表明，地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)實施風(fēng)水聯(lián)動控制能實現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力最大化。

2 耗能分析

以杭州地鐵2 號線盈豐路站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)主要由硬件設(shè)施和節(jié)能控制系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。硬件部分新增節(jié)能控制PLC，與BAS 通信實現(xiàn)對車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的控制調(diào)節(jié)，新增工控機一臺，裝載人機界面，實現(xiàn)節(jié)能模式下的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備監(jiān)控功能，新增冷凍水泵電機、冷卻水泵電機變頻器（柜）共6 臺。軟件部分主要實現(xiàn)了冷水機組的啟停和機組優(yōu)化控制，以及風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)運行模式的聯(lián)動調(diào)控，圖1 為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)示意圖，圖2 為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)示意圖，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備功率見表1。

表1 盈豐路站通風(fēng)空調(diào)設(shè)備功率

圖2 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

3 風(fēng)水聯(lián)動控制原理

3.1 水系統(tǒng)運行的聯(lián)動調(diào)節(jié)

（1）冷水機組開機判定標(biāo)準(zhǔn)：空調(diào)季時車站大系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)監(jiān)測到室外溫度高于T1、且公共區(qū)平均溫度高于T2時，開啟對應(yīng)冷水機組，T1和T2分別代表室外溫度和公共區(qū)平均溫度設(shè)定值。冷水機組的具體開機設(shè)定對應(yīng)控制邏輯，空調(diào)季時優(yōu)先啟動1 號、2 號大機組，具體方式按單雙號執(zhí)行對應(yīng)機組；過渡季時車站空調(diào)負(fù)荷較小，優(yōu)先啟動3號小機組。

（2）冷水機組切換判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)1 號或2 號大機組單獨運行無法滿足車站制冷需求時，加開3 號小機組；在一大一小兩臺機組運行的情況下，當(dāng)冷凍出水溫度低于T1，兩臺機組總負(fù)荷小于對應(yīng)P1，且持續(xù)時間達(dá)到預(yù)設(shè)值t 時，關(guān)停3 號小機組；過渡季3 號小機組無法滿足車站制冷需求時，則根據(jù)單雙號切換至相應(yīng)的大機組；當(dāng)1 號或2 號大機組單獨運行負(fù)荷低于P2時，持續(xù)時間達(dá)到預(yù)設(shè)值t 時，切換至3 號小機組。若冷水機組出現(xiàn)故障停機時，系統(tǒng)能及時判定并進(jìn)行切換。

（3）冷水機組關(guān)機判定標(biāo)準(zhǔn)：室外溫度低于T1時，或公共區(qū)平均溫度低于T2時，關(guān)閉冷水機組，此后持續(xù)對公共區(qū)的溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)公共區(qū)溫度高于T2時，則再次開啟冷機。不滿足上述條件則空調(diào)季和過渡季停機時間按原有模式執(zhí)行。

（4）水泵聯(lián)動調(diào)節(jié)的判定標(biāo)準(zhǔn)：冷卻水的供回水溫差保持在Td1～Td2之間，若供回水溫差低于設(shè)定值下限Td1，判定為末端熱負(fù)荷小，此時降低冷卻水泵頻率來調(diào)節(jié)冷凍水流量，減少冷量輸出，降低冷卻泵及冷水機組功率；若供回水溫差大于設(shè)定值上限Td2，則提高冷卻水泵頻率。在調(diào)節(jié)過程中，需要控制冷卻水泵的頻率下限Hlow，頻率下限由冷水機組本身最小流量要求和保證最不利末端冷卻水流量確定，水泵變化頻率暫定為步進(jìn)值。冷凍水泵出水溫度初設(shè)為12 ℃，后采取同樣原理控制。冷凍泵通過研究分析配置相應(yīng)的自調(diào)節(jié)節(jié)流儀控制模塊，滿足通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)整體COP 值最優(yōu)的前提下，控制冷凍水的相關(guān)參數(shù)，如冷凍水回水溫度，冷凍水流量、以及循環(huán)水泵節(jié)能控制計算模型。整個水系統(tǒng)圍繞最低能耗而實現(xiàn)相應(yīng)的運行控制，對于運營時某特定條件下對應(yīng)的負(fù)荷情況，水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳冷卻水回水溫度和最佳冷卻水流量的精準(zhǔn)控制，結(jié)合冷卻水泵變頻控制，使整個系統(tǒng)整體COP 最高，能耗最低。

3.2 風(fēng)系統(tǒng)運行的聯(lián)動調(diào)節(jié)

風(fēng)系統(tǒng)的運行模式為內(nèi)循環(huán)模式和通風(fēng)模式，根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)換，在保證車站內(nèi)公共區(qū)溫濕度要求的前提下，盡可能降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗。車站空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的模式主要根據(jù)室內(nèi)外空氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行判定，對應(yīng)不同的環(huán)境參數(shù)判定區(qū)間實現(xiàn)新風(fēng)閥，混風(fēng)閥，排風(fēng)閥之間的開關(guān)具體情況。

（1）風(fēng)機頻率調(diào)節(jié)判定標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)機功率較大，在滿足室內(nèi)溫濕度需求的前提下降低風(fēng)機頻率，可以實現(xiàn)能耗降低。當(dāng)通過調(diào)節(jié)電動二通閥（電動二通閥PID調(diào)節(jié)控制）無法有效降低室內(nèi)溫濕度時，應(yīng)加大風(fēng)機頻率，加速公共區(qū)空氣循環(huán)，降低環(huán)境溫濕度。為降低數(shù)據(jù)滯后的影響，當(dāng)二通閥開度大于等于設(shè)定值上限，室內(nèi)溫度大于等于溫度上限值時，風(fēng)機頻率調(diào)整至頻率上限值，室內(nèi)溫度下降小于等于溫度下限值時或二通閥開度小于等于設(shè)定值下限，風(fēng)機頻率調(diào)整至頻率上限值。

（2）冷卻塔的梯級節(jié)能控制主要實現(xiàn)冷卻水的最佳回水溫度，同時考慮室外的實際環(huán)境因素的影響，冷卻塔的風(fēng)機可以實現(xiàn)梯級變風(fēng)量運行，保證冷卻水的溫度能夠?qū)崿F(xiàn)最佳狀態(tài)，真正做到冷卻量之間的供需平衡，即冷卻塔的實時冷卻量與冷水機組所需冷卻量之間達(dá)到平衡關(guān)系，保證冷卻塔節(jié)能且高效地運行，提高整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的COP 值，提高整體通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效率。

4 應(yīng)用效果

通過采集分析杭州地鐵2 號線盈豐路站半個月的能耗數(shù)據(jù)，在非節(jié)能和節(jié)能模式下對應(yīng)能耗分布如表2 所示。

表2 盈豐路站通風(fēng)空調(diào)能耗對比

5 結(jié)束語

（1）地鐵車站常用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用，有效解決了冷卻塔-冷水機組地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)節(jié)能控制問題。

（2）節(jié)能模式與非節(jié)能模式應(yīng)用效果的對比測試表明，風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能效果達(dá)到14.16%，可降低運營成本，且系統(tǒng)能效得到了提升。

（3）風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤、在線調(diào)節(jié)、智能調(diào)節(jié)等功能，可根據(jù)環(huán)境及負(fù)荷的變化快速且只能調(diào)整運行參數(shù)，保證了車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效運行。

（4）風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、節(jié)能效果良好。本研究系統(tǒng)在杭州地鐵車站的成功應(yīng)用，也為地鐵車站通風(fēng)調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制模式提供了可行、可靠的技術(shù)支撐。