貴州匯通華城股份有限公司 騫志彥 姜 博

1 引言

蘇州軌道交通1號線共設地下車站24座，各站點通風空調(diào)系統(tǒng)由大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)構成。其中大系統(tǒng)為車站公共區(qū)（站臺、站廳）的空調(diào)通風系統(tǒng)，包括組合式空調(diào)箱、排熱風機、全新風機、小新風機及相應的風道和各種風閥組成等設備；小系統(tǒng)為車站設備管理用房的空調(diào)通風系統(tǒng)，包括柜式風機盤管、回排風機等設備；水系統(tǒng)指為大系統(tǒng)、小系統(tǒng)指用于提供冷源的冷源站設備，包括冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等設備。在各個站點中，其通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個站點總用電量的50%～60%，是站點的主要耗能設備。

通過對蘇州地鐵站點的負荷情況的分析發(fā)現(xiàn)，大系統(tǒng)的高負荷時段集中在早中晚上下班高峰期，在其余時間客流相對較少時，空調(diào)系統(tǒng)的負荷隨之降低；小系統(tǒng)針對設備管理用房，需24小時不間斷供冷，但在夜間僅用于消除設備的散熱負荷，對冷量需求也較小。因此，針對不同工作時段的負荷差異性和室外氣候變化所引起的負荷變化對空調(diào)大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和冷源站進行優(yōu)化控制，可以有效提高通風空調(diào)系統(tǒng)的用能效率，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

本研究以蘇州地鐵1號線濱河路站和東方之門站的通風空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，對通風空調(diào)系統(tǒng)中的水系統(tǒng)和大系統(tǒng)的控制方案進行了研究分析，并對節(jié)能效果進行了總結(jié)，為蘇州地鐵1號通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供參考。

2 系統(tǒng)耗能分析

對于蘇州地鐵1號通風空調(diào)系統(tǒng)，其水系統(tǒng)僅在空調(diào)季運行，一年運行約6個月，而大系統(tǒng)全年均需運行，一年運行約12個月，通過對兩個實驗站點節(jié)能改造前實際能耗數(shù)據(jù)的抽樣采集分析，東方之門站和濱河路站各通風空調(diào)主要設備運行耗電量分析見表1和表2：

表1 蘇州地鐵1號線東方之門站水系統(tǒng)全年運行能耗表

表2 蘇州地鐵1號線濱河路站全年水系統(tǒng)及大系統(tǒng)運行能耗表

根據(jù)以上統(tǒng)計計算，蘇州地鐵1號站東方之門站水系統(tǒng)運行耗電量約為53萬kW·h/年，濱河路站水系統(tǒng)及大系統(tǒng)運行耗電量約為68萬kW·h/年。因此如何降低地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗，減少運營成本是軌道交通環(huán)控系統(tǒng)亟待解決的問題。

3 系統(tǒng)控制方案

本項目針對地鐵站通風空調(diào)大系統(tǒng)、水系統(tǒng)的運行特點及存在的問題，開展智能化節(jié)能控制技術研究，制定了以下系統(tǒng)控制方案。該控制方案為減少系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的相互干擾，將系統(tǒng)分為幾個相對獨立的環(huán)節(jié)來進行控制，再由一個上層集中監(jiān)控平臺系統(tǒng)來完成各環(huán)節(jié)間的協(xié)調(diào)，降低調(diào)節(jié)算法的設計難度。

3.1 基于冷量供需匹配的冷凍水系統(tǒng)動態(tài)控制方案

系統(tǒng)根據(jù)冷凍水循環(huán)周期、歷史負荷數(shù)據(jù)分析和室外濕球溫度檢測，動態(tài)預測“未來時刻”車站內(nèi)空調(diào)負荷的變化趨勢，并以此計算冷凍水系統(tǒng)的優(yōu)化運行參數(shù)，對冷凍水流量“提前”進行控制，有效解決了大時滯、大惰性的冷凍水系統(tǒng)控制滯后問題，不僅可消除冷量供給的“數(shù)量差”與“時間差”，實現(xiàn)了冷量的供需匹配，保證空調(diào)的舒適性，而且還消除了“大流量、小溫差”現(xiàn)象，有效降低輸送能耗，提高冷凍水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3.2 基于制冷系統(tǒng)效率最佳的冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化控制方案

系統(tǒng)自動實時建立制冷站在不同負荷率及濕球溫度條件下系統(tǒng)的能效比(COP)數(shù)據(jù)庫和自適應模糊優(yōu)化算法模型，根據(jù)排熱負荷、氣候條件和系統(tǒng)特性，通過推理、計算出所需的冷卻水最佳溫度值TCm，并以此調(diào)節(jié)冷卻水泵變頻器的頻率及冷卻塔風機的運行數(shù)量，動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量及冷卻塔的風量，使冷卻水溫度逐漸趨近于TCm，從而保證空調(diào)制冷系統(tǒng)在任何條件下都處于系統(tǒng)效率最佳狀態(tài)運行，實現(xiàn)系統(tǒng)整體能耗最低。

3.3 基于能量預測的空調(diào)風機模糊預期控制方案

在地鐵車站公共區(qū)通風空調(diào)“大系統(tǒng)”組合式空氣處理機組的控制中，為克服空氣的熱惰性和控制滯后，控制系統(tǒng)通過對系統(tǒng)各種工藝參數(shù)及設備參數(shù)的采集，計算并記錄空氣處理機組的輸出能量趨勢序列，結(jié)合系統(tǒng)特性、循環(huán)周期、歷史負荷數(shù)據(jù)及車站出入口的漏風量等推理預測“未來時刻”系統(tǒng)的負荷，從而確定空氣處理機組的最佳運行參數(shù)，實現(xiàn)空調(diào)區(qū)域溫度的精確控制，在保證服務質(zhì)量的前提下，最大限度的降低系統(tǒng)的能耗。

系統(tǒng)根據(jù)車站兩端回風溫度的采集和比較，調(diào)節(jié)兩端空氣處理機組送風機的運行頻率，以調(diào)節(jié)其送風量，使車站兩端空調(diào)區(qū)域的溫度達到均衡。而回排風機則采用跟隨送風機頻率運行，使車站內(nèi)保持必要的微正壓。

3.4 基于總冷量與總負荷匹配的風水協(xié)調(diào)控制方案

在系統(tǒng)的集中管理平臺中內(nèi)嵌風水協(xié)調(diào)控制策略。系統(tǒng)首先會采集各個末端的負荷信息，并結(jié)合其自身歷史數(shù)據(jù)庫進行末端系統(tǒng)總負荷的推理預測，并將推理預測結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)冷凍水調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，冷凍水調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)結(jié)合系統(tǒng)管路損耗特性，并結(jié)合自身的負荷預測數(shù)據(jù)完成對末端系統(tǒng)總負荷的修正，從而計算滿足末端需求和克服系統(tǒng)損耗條件下制冷站所需輸出的總冷量，并調(diào)節(jié)冷凍水泵頻率來滿足冷量的供給，以保證冷站供給與末端需求的一致。同時，在輸出與需求相匹配的基礎上，系統(tǒng)再通過調(diào)整各末端空氣處理機組表冷器的冷凍水閥的開度，根據(jù)各末端子系統(tǒng)的實際負荷需要對冷量進行動態(tài)分配，以保證在任何一個環(huán)節(jié)均不至于產(chǎn)生冷量浪費。以實現(xiàn)風系統(tǒng)與水系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運作，保持整個通風空調(diào)系統(tǒng)始終處于最高效率點運行。

4 應用效果分析

經(jīng)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，車站內(nèi)的實際熱負荷受客流量變化的影響因素較小，站內(nèi)熱負荷主要來源于混風室新風的補給與車站出入口的漏風所帶入的外界熱負荷，因此在測試期間，當室外溫度較低時開啟一套冷水機組測試，室外溫度高時開啟兩套冷水機組測試。

對于東方之門站，通過對兩種工況下多組測試數(shù)據(jù)的綜合處理，測試結(jié)果如表3所示：

表3 東方之門站節(jié)能測試數(shù)據(jù)表

以測試的系統(tǒng)節(jié)能率32.33%為基礎，結(jié)合東方之門站原系統(tǒng)年能耗數(shù)據(jù)，可計算出東方之門站的年節(jié)能量，如表4所示：

表4 東方之門站年節(jié)能量測算表

對于濱河路站，通過對兩種工況下多組測試數(shù)據(jù)的綜合處理，測試結(jié)果如表5所示：

表5 濱河路站節(jié)能測試數(shù)據(jù)表

以測試的系統(tǒng)節(jié)能率33.58%為基礎，結(jié)合濱河路站原系統(tǒng)年能耗數(shù)據(jù)，可計算出濱河路站的年節(jié)能量，如表6所示：

表6 濱河路站年節(jié)能量測算表

可見，無論是單獨對水系統(tǒng)進行變流量控制，還是同時進行水系統(tǒng)變流量和大系統(tǒng)變風量控制，水系統(tǒng)的節(jié)能率均可達到30%以上，而大系統(tǒng)的節(jié)能率可接近50%，由于大系統(tǒng)需要全年運行，其設備功率雖小，但全年能耗仍然巨大，因此單單對水系統(tǒng)進行變流量控制，節(jié)能潛力的挖掘有限，只有將大系統(tǒng)和水系統(tǒng)的節(jié)能控制有效結(jié)合，才可最大限度降低地鐵站點的能源消耗，大幅度降低運營成本，從而贏得較好的投資回報。

5 結(jié)束語

據(jù)調(diào)查，全國大部分地鐵車站的通風空調(diào)系統(tǒng)沒有采用先進的節(jié)能控制技術，或只安裝了簡單的變頻裝置，本研究對變風量及變水量控制方案進行深入探討，并進行了長期有效的詳細對比測試，通過分析比較得出：變風量及變水量控制方式由于深入到了地鐵車站通風空調(diào)的制冷主機、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、末端空氣處理系統(tǒng)及冷量分配系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)，通過相互間的協(xié)調(diào)工作，可實現(xiàn)對整個通風空調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)節(jié)能潛力的最大挖掘，節(jié)能及控制效果遠高于傳統(tǒng)簡單變頻模式。

從本方案在試驗站點的應用效果來看，系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、可靠，控制算法先進、節(jié)能率高，系統(tǒng)COP得到了顯著提高，如果對本研究繼續(xù)深化完善，并在全國各站點全面推廣，將會給各地鐵運營公司帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，引領中國地鐵車站通風空調(diào)控制技術的發(fā)展與變革。