劉正文,廖麗娜,楊海濤,董子文,楊涌文,胡桐月
(1.茂盟(上海)工程技術(shù)股份有限公司;上海 201611;2.茂盟(上海)新能源科技有限公司;上海 201908;3.上海電力大學(xué),上海 201306;4.上海市智能電網(wǎng)需求響應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司),上海 200063)
由于大空間的空間尺寸形狀的特殊性,其能耗是非常巨大,尤其是在空調(diào)能耗這一塊。截至2020年底,中國軌道交通運(yùn)營城市45個(gè),運(yùn)營線路244條,運(yùn)營線路總長度7969.7km,完成客運(yùn)量175.9億人次 。我國地鐵車站這么大體量的耗能量是巨大的,其中牽引用電約占總能耗40%,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是地鐵車站的主要能耗并且也是可以降低其能耗的主要體現(xiàn)方面。以地鐵為代表的城市軌道交通的電力能源消耗主要體現(xiàn)在地鐵列車的牽引用電和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電兩個(gè)方面,在現(xiàn)有地鐵線的實(shí)際耗能統(tǒng)計(jì)中,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)達(dá)到了地鐵總能耗的50%左右。其空調(diào)能耗大的主要原因是因?yàn)轱L(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)無法解決環(huán)控系統(tǒng)冷熱慣性帶來的供能延時(shí)問題和環(huán)控系統(tǒng)終端風(fēng)機(jī)、水泵、閥門與負(fù)荷的動(dòng)態(tài)匹配問題。為了達(dá)到系統(tǒng)柔性控制,提高綜合能效,于是在滿足空調(diào)系統(tǒng)正常使用的前提下采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制對其進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化是很有意義的。
風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)本來就是一對耦合系統(tǒng),相比較于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng),風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的能效更高。合理的運(yùn)用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制針對工程上經(jīng)常遇到的“大管網(wǎng),小流量”的問題,基于空調(diào)負(fù)荷預(yù)測,研究能源終端風(fēng)水聯(lián)供智能優(yōu)化策略,解決環(huán)控系統(tǒng)冷熱慣性帶來的供能延時(shí)問題,實(shí)現(xiàn)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)終端風(fēng)機(jī)、水泵、閥門與負(fù)荷的動(dòng)態(tài)匹配,達(dá)到系統(tǒng)柔性控制,提高綜合能效。本文以地鐵車站通風(fēng)空調(diào)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)為對象,介紹其控制原理,分析其節(jié)能潛力,并對其技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行研究,最后展望其在未來應(yīng)該如何更好應(yīng)用在空間建筑場景里。
地鐵車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往是超過運(yùn)行使用階段的,所以一般都具有較大的余量。有兩大主要的系統(tǒng)組成通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),其一是空調(diào)風(fēng)系統(tǒng),其二是空調(diào)水系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),地鐵站中的公共區(qū)和工作區(qū)都能夠?yàn)樗趨^(qū)域人員提供足夠舒適的環(huán)境,除了人員能夠獲得足夠舒適的環(huán)境以外,所在區(qū)域的設(shè)備也能獲得足夠的運(yùn)行環(huán)境條件。在滿足以上條件的同時(shí),風(fēng)系統(tǒng)必須有能夠迅速排除煙氣,以防止火災(zāi)的發(fā)生。而對于水系統(tǒng)來說,主要是以水為冷媒為地鐵車站的空調(diào)系統(tǒng)提供冷源。
地鐵車站通風(fēng)空調(diào)的使用是以空間的溫度和舒適度為導(dǎo)向,而導(dǎo)致空間溫度和舒適度變化的條件主要是來源于外界環(huán)境、人流與車站內(nèi)的設(shè)備(軌道列車、照明設(shè)備等裝置)導(dǎo)致的熱量以及空氣物質(zhì)的濃度變化。地鐵站通風(fēng)空調(diào)內(nèi)設(shè)備復(fù)雜,它們都是以統(tǒng)一的集中監(jiān)控平臺來協(xié)調(diào)不同系統(tǒng)的各個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)。目前一般的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中,通常是在不同的季節(jié)調(diào)整風(fēng)量的大小以及運(yùn)行時(shí)間,由BAS系統(tǒng)照固定的參數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī),通過不同的頻率控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)不考慮地鐵車站不同時(shí)間不同空間的負(fù)荷,如由于人流和季節(jié)變化不穩(wěn)定導(dǎo)致當(dāng)時(shí)對應(yīng)的參數(shù)負(fù)荷與風(fēng)機(jī)頻率的不匹配,所以會出現(xiàn)能源資源浪費(fèi)的情況。其空調(diào)水系統(tǒng)中水泵的頻率是不變的,用既定的空調(diào)冷凍水、冷卻水流量,通過負(fù)荷調(diào)節(jié)來達(dá)到節(jié)能控制。對于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)來說,沒辦法有效的結(jié)合風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)使之達(dá)到合理的能源利用。
風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)(圖1)是通過各種傳感器獲取車站不同空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),然后通過這些傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行倪M(jìn)行信息處理計(jì)算,最后得出相應(yīng)的節(jié)能設(shè)備控制策略。其可以在保證其余優(yōu)先條件的前提下將空調(diào)系統(tǒng)的能耗降到最低,通過風(fēng)水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)使整個(gè)風(fēng)水系統(tǒng)處于高效的運(yùn)行狀態(tài),完成車站冷負(fù)荷最低化的運(yùn)算以及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗最低化的運(yùn)行方案,并制定相應(yīng)的設(shè)備控制策略,使車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)綜合能耗值達(dá)到最低值的智能控制系統(tǒng)。
圖1 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制原理圖
地鐵站通過對水系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)了空調(diào)設(shè)備的高效運(yùn)行并將風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的智能控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)共同應(yīng)用于地鐵站點(diǎn)的環(huán)境控制和能源管理中,系統(tǒng)自動(dòng)化程度高。空調(diào)系統(tǒng)由設(shè)備控制系統(tǒng)BAS確定工況并決定運(yùn)行模式,信息共享于風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和BAS系統(tǒng),由于地鐵站風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行不需要監(jiān)控且能夠分析和評價(jià)系統(tǒng)能效的重要操作,風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的控制效果穩(wěn)定,擁有更好的節(jié)能效果(圖2)。
圖2 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制手段圖
一般的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備占用面積很大,對于地鐵車站這種空間建筑來說,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)尤其復(fù)雜。風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)相輔相成,所以將兩者有效地結(jié)合起來建立算法進(jìn)行分析可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能化控制,使風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)節(jié)能效益。
考慮到環(huán)控系統(tǒng)冷熱慣性帶來的供能延時(shí)問題,由于冷、熱接點(diǎn)具有一定的熱容量,接點(diǎn)從介質(zhì)中吸熱量后,加熱自身、使溫度提高到穩(wěn)定值需要一定的時(shí)間。即熱接點(diǎn)的溫度變化,在時(shí)間上總是滯后于被測介質(zhì)的溫度變化。在空調(diào)負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上,研究風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng),通過傳感器采集空間建筑內(nèi)不同點(diǎn)處的數(shù)據(jù),使空間建筑空調(diào)在滿足其余要求的前提下達(dá)到節(jié)能最大化。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)由于客流的改變,空氣流動(dòng)的狀態(tài)變化,通過運(yùn)算和可行的方案使空調(diào)系統(tǒng)COP達(dá)到最大值,實(shí)現(xiàn)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)終端風(fēng)機(jī)、水泵、閥門與負(fù)荷的動(dòng)態(tài)匹配,達(dá)到系統(tǒng)柔性控制,提高綜合能效。
地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)構(gòu)成,三部分組成一有機(jī)的整體,共同作用完成車站環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)和BAS系統(tǒng)對車站內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息等是處于共享狀態(tài)的。一般情況下風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)信息的改變而做到實(shí)時(shí)變化對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到合理優(yōu)化的運(yùn)行減少能量的損失,且對于不同信息不同負(fù)荷下,產(chǎn)生對應(yīng)的控制手段和算法以保證其滿足其余要求的前提下達(dá)到節(jié)能目的。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)是通過實(shí)時(shí)信息的變化得到不同負(fù)荷下的運(yùn)行情況,同時(shí)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)空間送、排風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率,并同時(shí)對空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié);阻塞運(yùn)行工況,風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)不再執(zhí)行節(jié)能策略,水系統(tǒng)各設(shè)備保持原運(yùn)行狀態(tài),風(fēng)系統(tǒng)不再執(zhí)行節(jié)能策略,權(quán)限交由建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)BAS系統(tǒng)控制;火災(zāi)運(yùn)行工況,水系統(tǒng)關(guān)閉,風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)不參與設(shè)備控制,風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備由BAS系統(tǒng)控制。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能化節(jié)能控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)對各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行全局協(xié)調(diào)控制,為數(shù)據(jù)與控制命令的快速傳輸打好基礎(chǔ)。每個(gè)子系統(tǒng)控制箱內(nèi)均設(shè)置有獨(dú)立的計(jì)算機(jī),通過計(jì)算結(jié)果再輔以先進(jìn)的智能控制策略全局聯(lián)合調(diào)控空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備頻率、水閥開度,由此,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)末端負(fù)荷變化自動(dòng)進(jìn)行變風(fēng)量、變流量的智能控制。
當(dāng)今社會對能源的需求不斷地上升,能源短缺可以決定一個(gè)國家的走勢,于是人們越來越有節(jié)能和環(huán)保認(rèn)識,空間建筑的空調(diào)系統(tǒng)是耗能大戶,我們要通過減少空調(diào)系統(tǒng)的高能耗來達(dá)到能源合理利用的目的。地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行由于客流量、運(yùn)行季節(jié)以及外界環(huán)境的不同,其運(yùn)行模式也應(yīng)該適應(yīng)不同負(fù)荷做出相應(yīng)改變,通過風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制可以有效地做出調(diào)節(jié),有效的節(jié)省運(yùn)行能源損耗。
起初,地鐵站中通過現(xiàn)場人工調(diào)節(jié)控制,增加或減少主電機(jī)和水泵的數(shù)量,達(dá)到了節(jié)能的效果。這種辦法比較麻煩且沒辦法很好的根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出改變?,F(xiàn)在由于采用BAS設(shè)備監(jiān)控控制系統(tǒng)多采用模糊控制方式,所謂模糊控制方式,是采集實(shí)時(shí)現(xiàn)場參數(shù)、溫度、二氧化碳等,然后對比自己的歷史數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù),預(yù)測出未來的能耗和負(fù)荷的變化,然后根據(jù)這個(gè)預(yù)測的變化,選擇是調(diào)節(jié)風(fēng)系統(tǒng)好還是調(diào)節(jié)水系統(tǒng)好。上述模糊控制方式存在如下問題:首先,模糊控制方式是對比自身數(shù)據(jù)庫里面的歷史數(shù)據(jù)做的預(yù)測。而現(xiàn)場的環(huán)境時(shí)刻都有變化,并且是不可知的,歷史數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確的做出未來能耗的預(yù)測;其次,因?yàn)槟:刂品绞绞穷A(yù)測未來達(dá)到設(shè)定值時(shí),風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的能耗曲線,所以必須是單純的選擇風(fēng)控制還是水控制,在控制過程中不能變化,達(dá)不到實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的效果。比如預(yù)測表明,達(dá)到設(shè)定值,風(fēng)控制比水控制節(jié)能,但是可能是風(fēng)控制開始能耗大,后期慢,總的能耗少,若是實(shí)時(shí)變化的話,開始就選擇了水控制而不是風(fēng)控制了。因?yàn)楝F(xiàn)有的模糊控制方式預(yù)測不準(zhǔn)確且達(dá)不到實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的效果,難以根據(jù)現(xiàn)場的情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),會造成能源浪費(fèi),不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。
現(xiàn)有的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的控制通過傳感器等采集車站內(nèi)的溫度以及空氣物質(zhì)濃度等來預(yù)測出未來的負(fù)荷變化,預(yù)測負(fù)荷變化得到一個(gè)固定的參數(shù)來選擇風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的調(diào)節(jié),此預(yù)測參數(shù)與對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)參數(shù)是沒有參考性的。于是對于這種控制方式就會存在一些不可控的問題,對于環(huán)境負(fù)荷的變化,我們是不可控的。對未來負(fù)荷能耗的預(yù)測不能只是一個(gè)固定值,控制進(jìn)行過程中,做不到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析實(shí)時(shí)調(diào)整的聯(lián)動(dòng)控制,且由于不能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制就難以對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對單獨(dú)的風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的使用會極大的造成資源的浪費(fèi),于是提出風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制節(jié)能的方式。在地鐵車站中,風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷做出相應(yīng)運(yùn)行方案的改變使效益最大化。下面是風(fēng)水聯(lián)動(dòng)模擬系統(tǒng)及平臺,實(shí)驗(yàn)節(jié)能率可達(dá)15%左右(圖3)。
圖3 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)模擬系統(tǒng)
關(guān)于暖通空調(diào)系統(tǒng),許多工程上使用EnegyPlus對其進(jìn)行建模以預(yù)測評估暖通空調(diào)控制的潛在節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)在地鐵空間里的占比是非常大的,特別是對于空調(diào)季節(jié)以及過渡季節(jié),其能耗通常能達(dá)到50%~60%的一個(gè)高耗能數(shù)據(jù)。在采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)之后,往往會很可觀的減少這一比例(圖4)。
圖4 地鐵站能耗占比
李軍等人對南寧地鐵1號線通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,通過負(fù)荷預(yù)測對節(jié)能和非節(jié)能模式進(jìn)行了對比測試,系統(tǒng)綜合節(jié)能達(dá)到42.8%,采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能措施后,通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的綜合能效比提升30%,冷水機(jī)房能效提升了22.9%,整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制達(dá)到節(jié)能目的。
楊卓等人對比分析了傳統(tǒng)定量控制系統(tǒng)和風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng),對上海軌道交通13號線二、三期工程采用多傳感器布點(diǎn)的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng),通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)、水系統(tǒng)使整體高效運(yùn)行達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。在運(yùn)行相同時(shí)間下,相同設(shè)備下,風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)交替運(yùn)行下得出結(jié)論風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制比傳統(tǒng)控制的方法耗電量減少了27%。
韓海鵬等人通過對西安地鐵四號線車站采用BAS環(huán)控系統(tǒng)執(zhí)行風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制,在不同季節(jié)工況下對其每天的能耗進(jìn)行采集,通過調(diào)試節(jié)能系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)能耗數(shù)據(jù),對節(jié)能模式以及普通模式進(jìn)行對比分析,在實(shí)施風(fēng)水聯(lián)動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)后比之前常規(guī)模式節(jié)能21.18%。
王曉保等人以上海地鐵7號線皋路站為例,分析不同工況下在通風(fēng)季節(jié)和空調(diào)季節(jié)里負(fù)荷的變化以及能耗變化,通過現(xiàn)場試驗(yàn)采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作,對數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)后達(dá)到在通風(fēng)季節(jié)節(jié)能率可達(dá)70%,在空調(diào)季節(jié)節(jié)能率可達(dá)30%,全年節(jié)電率為57%。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年全社會用電量83128億千瓦時(shí),同比增長10.3%,較2019年同期增長14.7%,兩年平均增長7.1%。分產(chǎn)業(yè)看,第一產(chǎn)業(yè)用電量1023億千瓦時(shí),同比增長16.4%;第二產(chǎn)業(yè)用電量56131億千瓦時(shí),同比增長9.1%;第三產(chǎn)業(yè)用電量14231億千瓦時(shí),同比增長17.8%;城鄉(xiāng)居民生活用電量11743億千瓦時(shí),同比增長7.3%。所以對于能耗的控制尤其是大空間通風(fēng)空調(diào)的能耗是我們節(jié)能的重點(diǎn)。
隨著地鐵交通規(guī)模的日益壯大,其技術(shù)水平的發(fā)展使得能源消耗不斷提高,對于通風(fēng)空調(diào)的需求也就日益增加,從經(jīng)濟(jì)健康、節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā),在滿足日常生活所需的前提下,迫切的需要滿足低碳的要求。通過分析風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)的原理與技術(shù)現(xiàn)狀,對其節(jié)能潛力進(jìn)行分析相比較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng),通過實(shí)時(shí)的負(fù)荷來改變工況頻率的風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)能更有效的達(dá)到節(jié)能的目的。
目前風(fēng)水聯(lián)動(dòng)存在兩個(gè)主要的問題:其一是風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的成本投資較高,由于EMCS系統(tǒng)需要獨(dú)立存在,目前尚且不能和風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)有效結(jié)合。其二是在某些時(shí)間段,一些空間存在的溫度會突然產(chǎn)生變化,導(dǎo)致負(fù)荷的變化,系統(tǒng)調(diào)控起來較為困難。目前這兩個(gè)問題都還需進(jìn)一步研究,找出原因并解決。大空間建筑的節(jié)能已經(jīng)成為國際發(fā)展的大趨勢,風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)對于地鐵站的節(jié)能極具有效性,應(yīng)在解決目前所出現(xiàn)的主要問題的基礎(chǔ)上,更加更好的利用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)對大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行有效的節(jié)能控制。