徐深 牛洪海 陳霈

摘 要：地鐵車站環(huán)控的主要目標是使車站環(huán)境保持在設計文件規(guī)定的溫度范圍內，保證車站大系統(tǒng)的舒適性以及各空調小系統(tǒng)房間的正常溫度。通風空調系統(tǒng)作為車站各機電系統(tǒng)中的能耗大戶，常規(guī)的定頻定流量系統(tǒng)不利于各個設備發(fā)揮出最佳能效，易造成資源浪費，同時缺乏對環(huán)境舒適度的調節(jié)手段。文章針對傳統(tǒng)車站通風空調控制系統(tǒng)改造的方案進行研究，保證火災聯(lián)動安全可靠，優(yōu)化系統(tǒng)配置，并給出調節(jié)策略改進方向，為改善車站環(huán)境，提高能源利用率做出進一步探索。

關鍵詞：地鐵車站;通風空調;控制系統(tǒng);改造;技術研究

中圖分類號：U231.5

預計到2020年末，中國城市軌道交通運營線路長度將超過8 000 km。無論是運營線路長度還是在建項目規(guī)模都位居世界前列。以某城市軌道交通為例，其線網(wǎng)用能已經逼近2億度，車站通風空調系統(tǒng)能源消耗成本約占運營直接成本的30%以上，成為節(jié)能降本的焦點之一。傳統(tǒng)地鐵車站通風空調控制系統(tǒng)由環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）和冷源群控系統(tǒng)2部分組成，實現(xiàn)對環(huán)境的調節(jié)和機電設備的監(jiān)控，在異常工況下保證空氣調節(jié)系統(tǒng)的設備按照預案進行相應動作，從而保證車站環(huán)境安全。本文通過對比分析2種不同的系統(tǒng)結構方案，給出調節(jié)策略改進方向。

1 現(xiàn)狀及問題

傳統(tǒng)地下車站配有一套群控系統(tǒng)以完成對冷源系統(tǒng)的監(jiān)控，并與BAS系統(tǒng)進行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。BAS系統(tǒng)負責控制空氣調節(jié)系統(tǒng)，冷源群控系統(tǒng)負責控制冷源系統(tǒng)，2套系統(tǒng)割裂運行導致設備運行工況不合理，系統(tǒng)能耗增加，影響環(huán)境舒適度，主要表現(xiàn)如下：

（1）“源”與“荷”不匹配，供冷過剩;

（2）采用人工經驗調節(jié)運行，管控粗放，影響效率;

（3）設備運行狀態(tài)不合理，影響系統(tǒng)整體效率。

2 系統(tǒng)結構

針對現(xiàn)狀問題，需要對通風空調系統(tǒng)進行全過程優(yōu)化調控，控制調節(jié)對象貫穿冷源系統(tǒng)和空氣調節(jié)系統(tǒng)運行全過程。由于傳統(tǒng)地下車站的BAS系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)分開設立，BAS系統(tǒng)又兼顧災害工況下通風系統(tǒng)的應急聯(lián)動，兩者之間的配合關系一直是相關改造項目的難點之一。下面提出2種不同的系統(tǒng)結構方案，并分析其優(yōu)缺點。

2.1 方案 1

該方案的系統(tǒng)結構按照調節(jié)功能和啟停功能將設備接口歸屬分開設立，如圖1所示。空氣調節(jié)系統(tǒng)中的公共區(qū)通風空調和設備區(qū)通風空調的工頻監(jiān)控接口由既有BAS系統(tǒng)接入，保持BAS系統(tǒng)對這2區(qū)通風空調的工頻操作不變;當發(fā)生火災等異常情況時，BAS系統(tǒng)能夠通過工頻監(jiān)控回路向公共區(qū)通風空調和設備區(qū)通風空調發(fā)送工頻啟動指令，保證空氣調節(jié)系統(tǒng)應急聯(lián)動控制的完整性和可靠性。

公共區(qū)通風空調除工頻接口外，還包含風機頻率調節(jié)接口和二通閥開度調節(jié)接口，二者由節(jié)能控制系統(tǒng)直接接入，其根據(jù)室內外的溫濕度、車站的冷負荷情況，綜合計算得出調節(jié)指令并直接下發(fā)至對應設備執(zhí)行，通過風機頻率調節(jié)接口改變公共區(qū)通風空調送風量，通過二通閥開度調節(jié)接口改變送風溫度，從而完成對環(huán)境參數(shù)的閉環(huán)調節(jié)。冷源系統(tǒng)設備由節(jié)能控制系統(tǒng)完成監(jiān)控。

2.2 方案 2

方案2充分利用原BAS系統(tǒng)與各設備的接口，如圖2所示。該方案保持通風空調系統(tǒng)設備接口歸屬不變，即公共區(qū)通風空調的工頻監(jiān)控接口、風機頻率調節(jié)接口以及二通閥開度調節(jié)接口仍由BAS系統(tǒng)負責接入，冷源系統(tǒng)設備由節(jié)能控制系統(tǒng)統(tǒng)一接入，系統(tǒng)優(yōu)化分析統(tǒng)一由節(jié)能控制系統(tǒng)完成。

節(jié)能控制系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡互通，前者接收BAS系統(tǒng)采集到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，同時根據(jù)室內外的溫濕度、車站的冷負荷情況，綜合計算得出調節(jié)指令，將公共區(qū)通風空調風機頻率設定值和二通閥開度設定值經過共享網(wǎng)絡傳遞給BAS系統(tǒng)，后者借助與各設備已有接口將指令下發(fā)至具體設備執(zhí)行;冷源系統(tǒng)設備的頻率調節(jié)、機組投切、自動順控等邏輯由節(jié)能控制系統(tǒng)直接完成并下發(fā)到具體設備。

2.3 配置比較

方案1的節(jié)能優(yōu)化調節(jié)功能接口和職責劃分明確，但為確保系統(tǒng)功能接口的獨立性，會導致部分傳感器和控制箱的重復配置，并且地下站A、B端距離較遠，需要為遠端環(huán)控機房的空氣調節(jié)系統(tǒng)設備單獨配置一套遠程輸入輸出（IO）柜，將增加施工量及實施成本。

方案2利用統(tǒng)一的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)平臺，節(jié)能控制系統(tǒng)可通過此網(wǎng)絡共享獲取BAS系統(tǒng)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)而無須增配傳感器和控制回路。此方案適用于在前期設計階段就將空氣調節(jié)系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)作為整體統(tǒng)一進行考慮的場合，尤其適用于二者同時進行改造的項目。

2種方案在傳感器、控制箱配置等方面存在的差異如表1所示。

由表1可知，方案2對既有傳感器和設備接口的利用率最高，系統(tǒng)資源更加優(yōu)化，從而避免了部分硬件設備的重復配置。

3 權限切換及災害聯(lián)動

上述方案通過節(jié)能控制系統(tǒng)與BAS系統(tǒng)的配合可以實現(xiàn)對冷源系統(tǒng)和空氣調節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制。在節(jié)能控制方式下，空氣調節(jié)系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)的調節(jié)控制權限均歸屬于節(jié)能控制系統(tǒng)，設備的調節(jié)指令統(tǒng)一由節(jié)能控制系統(tǒng)計算得出并分發(fā)，而BAS系統(tǒng)只負責數(shù)據(jù)采集和控制指令的轉發(fā)執(zhí)行。當系統(tǒng)發(fā)生火災等異常情況時，BAS系統(tǒng)通過共享網(wǎng)絡告知節(jié)能控制系統(tǒng)，節(jié)能控制系統(tǒng)在接收上述信息后立即由節(jié)能優(yōu)化調節(jié)模式切出，改為BAS控制方式，由BAS系統(tǒng)統(tǒng)一執(zhí)行事故通風排煙模式指令。節(jié)能控制和BAS控制2種方式下權限切換的具體數(shù)據(jù)采集和控制流程如圖3所示。

4 調節(jié)策略建議

通風空調系統(tǒng)控制調節(jié)策略作為影響車站環(huán)境指標和能耗高低的重要一環(huán)，是相關改造項目的難點之二?；谲囌经h(huán)控系統(tǒng)的普遍現(xiàn)狀，給出調節(jié)策略的改進方向如下。

4.1 過渡季通風調節(jié)

影響地鐵車站站廳站臺空氣質量的主要污染物為CO2，在過渡季期間，通風系統(tǒng)運行的主要目的是引入新風，保證公共區(qū)域CO2的濃度在安全范圍內，滿足地鐵設計規(guī)范1.5‰以下和室內空氣質量標準1‰以下的要求。

車站CO2實測的濃度普遍較低，在不改變車站通風系統(tǒng)結構和設備配置的情況下，需要對風機開啟策略進行調整，充分利用出入口的自然滲透風降低風機平均開啟臺數(shù)，而風機的運行頻率可根據(jù)車站CO2、溫度指標進行動態(tài)調節(jié)。采用上述調節(jié)策略后，在滿足車站環(huán)境指標的前提下能夠降低機械送風量，有利于減少通風系統(tǒng)的能耗。

綜合以上所述，給出具體過渡季通風控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

在客流量較大的工況下，采用結合客流預測指標的模糊控制系統(tǒng)對風機進行啟?？刂坪皖l率調整：在檢測到當前及預測未來固定一段時間內環(huán)境指標均正常的情況下，停止風機運行;在檢測到當前及預測未來固定一段時間內環(huán)境指標存在異常波動或超限的情況下，啟動風機并維持運行狀態(tài)不變。該策略可以有效抑制客流波動帶來的風機頻繁啟?，F(xiàn)象，CO2濃度波動也隨之減小。

4.2 夏季舒適度調節(jié)

地鐵車站是相對舒適的列車和多變的室外環(huán)境之間的過渡空間，乘客的衣著在地鐵車站內不會發(fā)生太大的變化，由于乘客在車站內只作短暫停留，且停留期間人體的熱舒適感覺來不及達到穩(wěn)態(tài)，還是受先前所在環(huán)境的影響，因此并不嚴格要求熱環(huán)境的熱舒適性和穩(wěn)定性。文獻[8]用相對熱舒適指數(shù)（RWI）結合實地測量、問卷調查的方式對南京某地鐵站進行了熱舒適性評價，并提出應根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)調節(jié)地鐵車站溫度，但未給出調節(jié)方案。文獻[9]提出了一種基于RWI相對熱指標的環(huán)境參數(shù)優(yōu)化方法，但未給出系統(tǒng)的實時控制策略。文獻[10]從節(jié)能角度考慮，得出通過對地鐵人員熱舒適度進行正確評價，并在此基礎上制定合理的運行調節(jié)策略是十分必要的?；谏鲜鑫墨I，利用RWI指標指導車站環(huán)控優(yōu)化的關鍵在于設計出一種適用于實時環(huán)控系統(tǒng)的控制方案，實現(xiàn)車站目標舒適度的選取以及溫濕度目標值的確定，具體控制系統(tǒng)方框圖如圖5所示。

站內RWI指標的確定需綜合考慮站內當前和室外預測的RWI指標，通過專家系統(tǒng)對二者進行綜合分析判別得出站內RWI目標值，再經邊界條件約束和極值最優(yōu)判別過程，得出當前站內溫濕度的目標值，從而指導系統(tǒng)對具體設備進行控制。

4.3 冷源系統(tǒng)調節(jié)

為解決現(xiàn)狀中“源”與“荷”不匹配造成的供冷過剩問題，對車站現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進行收集分析。某車站大系統(tǒng)夏季環(huán)境溫度日調節(jié)曲線如圖6所示。

從圖6公共區(qū)通風空調風機頻率和二通閥開度曲線可看出，該車站全天冷負荷小，BAS系統(tǒng)將公共區(qū)通風空調風機頻率調整至最低保護頻率，將二通閥閥位調整至最小開度，該工況帶來的問題如下：

（1）大系統(tǒng)冷凍水管路壓力較大，長期運行對管路及二通閥的壽命存在影響;

（2）公共區(qū)通風空調中的風機長期低頻運行存在散熱問題;

（3）冷源系統(tǒng)處于大流量小溫差的運行狀態(tài)，制冷主機能效比（COP）較低，運行狀態(tài)不經濟。

在調整車站大系統(tǒng)開關時間的基礎上，建議在非換乘站和非樞紐站這類負荷需求較低的站點，對冷源系統(tǒng)的水泵進行變頻改造，使其能夠對系統(tǒng)供冷量進行調節(jié)，在冷量需求較低的時間段，下調水泵電機頻率既能提升冷源和負荷匹配程度，又能顯著降低設備能耗;此外，結合車站的濕度情況適度調整制冷主機的出水溫度，在機組電機允許的范圍內盡量采用較高的出水溫度，這對于節(jié)約主機運行能耗具有重要意義。上述建議在一定程度上既保證了主機效率，又降低了管網(wǎng)承受壓力，有利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運行。

5 結語

傳統(tǒng)的車站通風空調系統(tǒng)由于在設計之初，為盡可能保證遠期車站的運能負荷，設備容量選取存在很大裕度，設備長時間運行在相對高能耗低負荷的工況下，導致運行效率較低。本文在冷源系統(tǒng)、空氣調節(jié)系統(tǒng)和介質管網(wǎng)不做調整的情況下，對比分析了2種不同控制系統(tǒng)結構方案的優(yōu)劣，并給出調節(jié)策略建議，對地鐵“降本增效”的方法進行了探索，同時為完善環(huán)控工藝設計、使之由機械的模式表運行體系向環(huán)境和能耗指標體系引導轉變提供了借鑒思路。

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收稿日期 2020-02-21

責任編輯 黨選麗