常晟

同方節(jié)能工程技術(shù)有限公司

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通行業(yè)高速發(fā)展，地鐵成為許多城市的公共交通主動(dòng)脈。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，其健康運(yùn)行對(duì)于營(yíng)造衛(wèi)生，舒適的車站環(huán)境及降低地鐵運(yùn)行總能耗均有重要影響。業(yè)內(nèi)對(duì)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了多方面的研究，包括正常工況下如何通過(guò)設(shè)備更新[1-2]、控制策略優(yōu)化[3]等方法降低運(yùn)行能耗。疫情防控工況下如何調(diào)整運(yùn)行模式、保證足夠的新風(fēng)量等。本文則關(guān)注更基礎(chǔ)的問(wèn)題：如何保障系統(tǒng)及其中各個(gè)設(shè)備的健康運(yùn)行。這里的“健康”，指系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行在正常的狀態(tài)和合理的工作點(diǎn)上。

1 在線診斷的提出

筆者所在團(tuán)隊(duì)對(duì)國(guó)內(nèi)數(shù)條地鐵線路進(jìn)行了實(shí)測(cè)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在很多“小問(wèn)題”，例如組合風(fēng)閥故障（自控系統(tǒng)要求運(yùn)行全新風(fēng)或小新風(fēng)模式，但組合風(fēng)閥的實(shí)際閥位可能并未到位）、風(fēng)力不平衡（站廳與站臺(tái)溫度不一致）、冷卻塔換熱效率低（導(dǎo)致冷機(jī)效率低）等。與設(shè)備停機(jī)等大故障不同，“小問(wèn)題”易隱蔽、難識(shí)別，在日常巡檢中往往被忽視，卻會(huì)對(duì)車站的衛(wèi)生、舒適、節(jié)能帶來(lái)長(zhǎng)期的不利影響，可謂“小問(wèn)題、大影響”。因此，無(wú)論采用何種運(yùn)行優(yōu)化方案或策略，均需建立在系統(tǒng)健康運(yùn)行的基礎(chǔ)上，這就要求及時(shí)識(shí)別實(shí)際運(yùn)行中的“小問(wèn)題”。

在車站BAS（自動(dòng)化）系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄了大量的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。一些車站還安裝了能源管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)了各設(shè)備的用電能耗。這些數(shù)據(jù)對(duì)于識(shí)別通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題具有重要價(jià)值，可是目前僅僅被儲(chǔ)存在電腦中，沒(méi)有得到充分地挖掘利用。Nakahara[4]等提出了基于數(shù)據(jù)的節(jié)能診斷方法，但主要是針對(duì)樓宇冷凍站系統(tǒng)，對(duì)于地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中常見(jiàn)的問(wèn)題覆蓋不夠。且仍主要依靠人工分析，在線自診斷的內(nèi)容不多。

本文擬提出基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在線診斷思路，希望能夠充分挖掘數(shù)據(jù)潛力，及時(shí)識(shí)別設(shè)備運(yùn)行問(wèn)題，保障系統(tǒng)健康運(yùn)行。根據(jù)此方法開(kāi)發(fā)的在線診斷系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)際車站中，取得了良好的診斷效果。

2 在線診斷的對(duì)象及其特點(diǎn)

在線診斷的對(duì)象為地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和冷源，主要設(shè)備見(jiàn)表1。大系統(tǒng)包括A 端和B 端，各負(fù)責(zé)一側(cè)站廳和站臺(tái)的環(huán)境控制，通常各包括1 臺(tái)送風(fēng)機(jī)、1 臺(tái)回排風(fēng)機(jī)、1 套組合風(fēng)閥等。小系統(tǒng)包括若干臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組，負(fù)責(zé)輔助用房的環(huán)境控制。冷源包括制冷機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔以及分集水器等設(shè)備。

表1 車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備清單

3 傳感器增補(bǔ)

地鐵車站BAS 系統(tǒng)包括豐富的傳感器，如送風(fēng)溫濕度、回風(fēng)溫濕度、新風(fēng)溫濕度；冷凍水總供水溫度、總回水溫度、總流量。冷卻水總供水溫度、總回水溫度、總流量；設(shè)備啟停狀態(tài)、頻率狀態(tài)、閥位開(kāi)度等。這些數(shù)據(jù)為在線診斷提供了良好的基礎(chǔ)，只需增補(bǔ)少量的傳感器，即可滿足在線診斷的需求。通常需要增補(bǔ)的傳感器包括：

1）站廳、站臺(tái)和輔助房間的溫濕度、CO2濃度傳感器。對(duì)于在線診斷來(lái)說(shuō)，不僅需要獲得總回風(fēng)參數(shù)，還要監(jiān)測(cè)各個(gè)區(qū)域的參數(shù)。大系統(tǒng)方面，可在站廳、站臺(tái)吊頂各均勻布置8～10 臺(tái)傳感器，小系統(tǒng)方面，可沿風(fēng)管走向選擇3～5 個(gè)房間布置傳感器。建議采用無(wú)線多合一傳感器以避免繁瑣的布線工作?？紤]到溫度在垂直方向上的分布，可通過(guò)實(shí)地測(cè)試的方式得到吊頂溫度相對(duì)于人行區(qū)域溫度的大致修正系數(shù)。

2）各臺(tái)冷機(jī)的冷凍水、冷卻水路安裝獨(dú)立的供回水溫度傳感器。

3）各臺(tái)冷機(jī)的冷凍水流量傳感器。替代方案為：各臺(tái)冷機(jī)蒸發(fā)器兩端安裝壓差傳感器，因蒸發(fā)器阻力固定，現(xiàn)場(chǎng)一次性測(cè)試?yán)鋬鏊髁亢蛯?duì)應(yīng)的蒸發(fā)器壓差后，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中可根據(jù)變化的蒸發(fā)器壓差反推冷機(jī)冷凍水流量。

4）空氣處理單元的混風(fēng)段溫濕度傳感器。

5）各設(shè)備的電動(dòng)率計(jì)。若車站安裝了能源管理系統(tǒng)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可通過(guò)通訊方式從該系統(tǒng)中獲得，否則則需補(bǔ)充安裝。

4 在線診斷系統(tǒng)架構(gòu)

在線診斷系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和分布式控制技術(shù)，建立完善的指標(biāo)管理體系，實(shí)現(xiàn)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的健康運(yùn)行。該系統(tǒng)基于B/S 架構(gòu)（即瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)）進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、展示應(yīng)用層組成，形成了站、線、網(wǎng)三級(jí)架構(gòu)組成的軌道交通在線診斷系統(tǒng)（圖2）。根據(jù)用戶需求可實(shí)現(xiàn)車站，線路和全網(wǎng)的布局，從而靈活的適應(yīng)不同級(jí)別管理者的管理和決策需求。

圖2 在線診斷系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 在線診斷指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)

在線診斷的核心是一套指標(biāo)。這些指標(biāo)對(duì)應(yīng)于地鐵車站通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行中的常見(jiàn)問(wèn)題，通過(guò)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值（或標(biāo)準(zhǔn)范圍）的對(duì)比，指標(biāo)在時(shí)間軸上的變化，指標(biāo)與其他車站相同指標(biāo)的對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中存在的問(wèn)題。在線診斷軟件采集數(shù)據(jù)（采樣的時(shí)間步長(zhǎng)為5 分鐘），根據(jù)給定的算法自動(dòng)計(jì)算指標(biāo)（指標(biāo)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為1 小時(shí)），指標(biāo)值異常則向運(yùn)行人員提示可能存在的問(wèn)題，并給出檢查建議，幫助運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)確診問(wèn)題。

指標(biāo)主要有幾種類型：1）環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，包括空調(diào)區(qū)域平均溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、區(qū)域溫度與平均溫度之差、相對(duì)濕度、CO2濃度等，通過(guò)對(duì)環(huán)境控制效果的考評(píng)分析潛在的問(wèn)題。2）風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，包括大系統(tǒng)送回風(fēng)溫差與風(fēng)機(jī)頻率交叉分析指標(biāo)、新回風(fēng)比指標(biāo)、風(fēng)機(jī)效率等，考評(píng)分析大系統(tǒng)和小系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、組合風(fēng)閥的運(yùn)行情況。3）冷源運(yùn)行指標(biāo)，包括冷凍水供回水溫差日間與夜間對(duì)比分析指標(biāo)、冷機(jī)熱力完善度與負(fù)荷率綜合分析指標(biāo)（文獻(xiàn)[5]中的DCOP）、冷卻塔群換熱效率指標(biāo)等，考評(píng)分析冷源系統(tǒng)運(yùn)行情況。4）傳感器故障指標(biāo)，判斷可能存在的傳感器故障、漂移。

下面以幾個(gè)例子說(shuō)明：

1）大系統(tǒng)空調(diào)區(qū)域平均溫度、溫度標(biāo)準(zhǔn)差、區(qū)域溫度與平均溫度之差指標(biāo)

大系統(tǒng)空調(diào)區(qū)域平均溫度作為主要控制目標(biāo)，其指標(biāo)用于診斷大系統(tǒng)是否存在冷量供應(yīng)過(guò)度或不足的情況。指標(biāo)值為大系統(tǒng)兩端回風(fēng)溫度在1 小時(shí)之內(nèi)的平均值。若此值低于設(shè)定值1.5 ℃以上，則系統(tǒng)報(bào)警并提示運(yùn)行人員依次檢查：該時(shí)段冷機(jī)是否運(yùn)行在最低臺(tái)數(shù)、大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行在最低頻率、冷凍水水閥閥位和冷凍泵頻率是否命令值和實(shí)際值均在低限。若其中某項(xiàng)命令值不在低限，例如風(fēng)機(jī)頻率不在低限，因要求BAS 負(fù)責(zé)人檢查控制邏輯是否存在問(wèn)題。若命令值在低限但實(shí)際值不在，例如冷凍水水閥閥位的命令值在低限但實(shí)際全開(kāi)，則該項(xiàng)存在故障。反之，若1 小時(shí)之內(nèi)站廳、站臺(tái)的平均溫度低于設(shè)定值1.5 ℃以上，則系統(tǒng)提示檢查上述內(nèi)容的命令值是否運(yùn)行在高限。

大系統(tǒng)空調(diào)區(qū)域溫度標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)考察是否存在不均勻的情況，指標(biāo)值等于站廳、站臺(tái)各溫度傳感器示值的標(biāo)準(zhǔn)差在1 小時(shí)內(nèi)的平均值。若此值差大于1 ℃，系統(tǒng)提示運(yùn)行人員進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)平衡檢查。

區(qū)域溫度與平均溫度之差指標(biāo)考察各區(qū)域是否存在過(guò)熱、過(guò)冷問(wèn)題，指標(biāo)值等于該區(qū)域溫度傳感器示值與各區(qū)域溫度平均值之差的絕對(duì)值。若此值在1 ℃以上，系統(tǒng)提示現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核該區(qū)域溫度并進(jìn)行局部風(fēng)平衡調(diào)節(jié)。

2）新回風(fēng)比指標(biāo)

在線診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到每臺(tái)空氣處理單元的新風(fēng)溫濕度、回風(fēng)溫濕度和混風(fēng)段空氣溫濕度，可得新風(fēng)焓值hfa，回風(fēng)焓值hra和混風(fēng)焓值hma，則由式（1）可計(jì)算得到新風(fēng)比α（新風(fēng)量與總風(fēng)量之比）。

在常見(jiàn)的運(yùn)行策略中，組合風(fēng)閥（包括新風(fēng)閥、排風(fēng)閥和混風(fēng)閥）在室外新風(fēng)有利時(shí)，運(yùn)行全新風(fēng)模式，即新風(fēng)閥和排風(fēng)閥全開(kāi)（開(kāi)度為100%），混風(fēng)閥關(guān)閉，此時(shí)α應(yīng)等于1。在室外新風(fēng)不利時(shí)，運(yùn)行小新風(fēng)模式，即新風(fēng)閥和排風(fēng)閥角開(kāi)（開(kāi)度為10%），混風(fēng)閥全開(kāi)，此時(shí)α應(yīng)較小，在10%到30%之間。根據(jù)BAS 系統(tǒng)發(fā)出的指令可知當(dāng)前時(shí)刻的新風(fēng)模式，若某一小時(shí)內(nèi)模式為全新風(fēng)，α值小于80%?；蚰Ｊ綖樾⌒嘛L(fēng)，α值大于30%，則在線診斷系統(tǒng)提示組合風(fēng)閥可能存在故障，實(shí)際閥門開(kāi)度與命令值不符，建議運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)檢查閥門開(kāi)度。

3）冷卻塔群換熱效率指標(biāo)

冷卻塔群整體換熱效率這個(gè)指標(biāo)，可用于分析車站冷卻塔的工作狀態(tài)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到冷卻水總管的上塔溫度tinw和出塔溫度toutw，以及外界環(huán)境的濕球溫度twb?？捎墒剑?）得到冷卻塔群換熱效率指標(biāo)值：

該指標(biāo)的判斷有兩種方法。第一種方法，將指標(biāo)值與該車站所選品牌型號(hào)冷卻塔的曲線相對(duì)比，此時(shí)需要知道外界濕球溫度（已測(cè)出）和冷卻塔群的整體風(fēng)水比，后者需要初始測(cè)試并錄入各臺(tái)冷卻塔風(fēng)量以及各種冷機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)組合（通常只有單臺(tái)冷機(jī)開(kāi)啟、兩臺(tái)冷機(jī)開(kāi)啟兩種情況）下的冷卻水流量，并通過(guò)冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率（如變頻）和冷卻泵頻率（如變頻）計(jì)算得到，較為繁瑣。第二種方法，在該指標(biāo)明顯偏低時(shí)報(bào)警，譬如可設(shè)定當(dāng)該指標(biāo)低于60%時(shí)報(bào)警，提示運(yùn)行人員檢查冷卻塔群“停風(fēng)不停水”、冷卻塔翅片狀態(tài)、冷卻塔布水狀態(tài)等問(wèn)題。

6 實(shí)際診斷案例

根據(jù)本文所述內(nèi)容，筆者研發(fā)了在線診斷軟件，在基礎(chǔ)的能源管理功能上，增加了通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行在線診斷的功能。軟件應(yīng)用于我國(guó)北方某城市的一個(gè)典型車站中。界面如圖3 所示。

圖3 車站通風(fēng)空調(diào)在線診斷系統(tǒng)界面

軟件調(diào)試完畢并運(yùn)行一周后，系統(tǒng)報(bào)警5 項(xiàng)，其中經(jīng)實(shí)地檢測(cè)認(rèn)定無(wú)效報(bào)警3 項(xiàng)，有效報(bào)警2 項(xiàng)。有效的兩項(xiàng)為：

小系統(tǒng)（附屬房間）溫度標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)報(bào)警。系統(tǒng)提示運(yùn)行人員檢查小系統(tǒng)風(fēng)平衡情況，根據(jù)提示，用手持溫度計(jì)和風(fēng)速儀對(duì)各附屬房間進(jìn)行溫度和風(fēng)量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)小系統(tǒng)存在設(shè)備房間風(fēng)量過(guò)高、調(diào)度室風(fēng)量過(guò)低的問(wèn)題。對(duì)房間出風(fēng)口風(fēng)閥進(jìn)行調(diào)試后，該問(wèn)題得到明顯改善，緩解了調(diào)度室溫度偏高的問(wèn)題。

冷卻塔群換熱指標(biāo)報(bào)警（圖4）。該指標(biāo)值僅為50%，根據(jù)系統(tǒng)提示運(yùn)行人員對(duì)冷卻塔進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)存在明顯的冷卻塔布水不勻問(wèn)題，一側(cè)水流過(guò)大，另一側(cè)無(wú)水（圖5）。經(jīng)調(diào)試后該指標(biāo)值恢復(fù)正常。

圖4 冷卻塔指標(biāo)提示

圖5 冷卻塔布水不勻

7 小結(jié)

在地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的日常運(yùn)行中，一方面存在著很多小問(wèn)題，帶來(lái)長(zhǎng)期的不利影響。另一方面BAS 等系統(tǒng)中豐富的運(yùn)行數(shù)據(jù)卻沉睡在電腦中，沒(méi)有被充分挖掘利用。本文提出的思路，在現(xiàn)有傳感器的基礎(chǔ)上，增加少量傳感器，通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算指標(biāo)，判斷可能存在的運(yùn)行問(wèn)題。判斷的結(jié)果有可能是不準(zhǔn)確的，需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢查，但至少為運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行小問(wèn)題提供了智能的助力。本文給出幾個(gè)指標(biāo)算例和實(shí)際診斷結(jié)果供業(yè)界同仁參考，更多的診斷指標(biāo)和內(nèi)容可面向服務(wù)的系統(tǒng)對(duì)象設(shè)計(jì)。