地铁车站风水联控节能策略探讨论文

SCI论文（www.lunwensci.com）　　

　　摘要：地下车站空调季时能耗中通风空调系统约占总能耗的1／3，而其中70％用在了冷水系统，30％用在了通风系统。为降低能耗，提出采用风水联控的策略。因通风和冷水两个系统相辅相成，制定一套完善的风水联控节能控制策略使系统达到最佳的运行状态以满足系统高效节能运行的目的。分别从通风系统、冷水系统、风水联控系统三个方面对控制策略进行详细阐述，分析总结不同系统的关键控制点。通过大量测试数据得出相应的最优的冷水机组的工作应用条件，并利用一些历史数据或借助网络实时数据，让风水联控调节得更迅速和快捷稳定，着重探讨目标参数的准确获得方法和风水联控系统整体控制策略，为后期运维和设计提供节能方案的参考。

　　关键词：通风空调系统；冷水系统；风水联控；节能控制

　　Abstract：In the seasonal energy consumption of air conditioning in underground stations，the ventilation and air conditioning system accounts for about 1／3 of the total energy consumption，of which 70％is used in the cooling water system and 30％is used in the ventilation system．In order to reduce energy consumption，the strategy of air－side／water－side joint control is put forward．Because the ventilation and cooling water systems complement each other，a set of sound air－side／water－side energy－saving control strategy is formulated to make the system achieve thebest operating state to meet the purpose of efficient and energy－saving operation of the system．The control strategies are elaborated in three aspects，namely ventilation system，cooling water system and air－side／water－side joint control system，and the critical control points of different systems are analyzed and summarized．The optimal working and application conditions of chiller unit are obtained through a large number of test data，and some historical data or real－time data through the network are adopted to let the air－side／water－side joint control can be adjusted more quickly and stable．The method of obtaining target parameters and the overall control strategy of the air－side／water－side joint control system are discussed to provide reference for the energy saving scheme of the later operation and design．

　　Key words：ventilation and air conditioning system；cold water system；air－side／water－side joint control；energy saving control

　　0引言

　　在地铁通风空调设计阶段，通风空调和冷水系统都是按照车站应用的最大负荷设计选型，导致地铁在运营初期(客流量未达标)或非空调季时，通风系统实际输出负荷远小于设计负荷，造成能源浪费和资源浪费。以往BAS系统分别控制通风系统和冷水系统，通过变换通风模式和水系统二通阀的开度来调节车站冷量和舒适度，风和水系统独立而简单，运行能耗大[1]。风水联控简而言之是指通风空调系统和冷水系统联动调节过程，通过BAS系统实现整合优化，在达到目标环境温度的同时节能减耗。本文根据日常积累的相关经验和结论，分别对冷水系统和通风系统以及风水联控进行相关阐述。在冷水系统中，通过对末端参数要求和以往经验值得出冷水机组运行的最佳状态；在通风系统中，通过对环境参数的严格筛选和适当的通风模式选择以达到节能减耗的目的；风水联控则是在冷水系统和通风系统整合最佳状态，同时通过适当的控制策略以达到使得整个车站环境舒适的同时节能减耗的目标。在风水联控策略实施过程中，研究重点为末端控制参数的准确获取，无论是通风还是冷水，都是基于环境参数变化相对应地采取不同控制。准确获取参数值的方式有多种，长期测试获取最佳值、大数据获取准确值、互联网WiFi获取当前值、多目标取最优值，同时采用智能调节，能更加确保目标参数的准确应用。针对不同的控制系统和设备，采用多方位的考量和计算，解决以往风水各自单一控制的滞后性、不稳定性以及能耗巨大的问题。

　　1整体思路

　　车站空调通风系统主要包括组合空调机组、空调器、回／排风机(又称混风机组)、送风机、排风机、排烟风机、新风机和风机盘管以及相关区域温湿度和二氧化碳传感器等。其中，最主要的是组合空调机组、回／排风机均为变频风机，根据环境参数实现风机变频运行；车站冷水系统主要包括冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、蝶阀、电动二通阀以及环境温湿度、流量、压差传感器等，冷水系统通过控制变频泵和出水二通阀实现控制冷量输出给空调通风系统，从而达到控制调节系统环境温度的目的[2]。

　　控制过程中，BAS系统整合各系统和设备，采集环控柜通风系统、冷水系统、传感器相关数据，根据当前环境温度要求，加入PID智能调节，遵循“加载时先风后水，减载时先水后风”的节能减耗策略，同时联动所有设备，稳定而且超前控制，最终实现节能。

　　2控制策略

　　2．1冷水系统控制

　　车站冷水机组系统运行能效受外界条件影响，包括室内负荷、室外环境参数、冷冻水温度、冷却水温度等。因此，冷水系统的控制和节能必须结合暖通空调系统来实现。根据末端实时数据要求，选择最佳的机组运行组合台数，合理分配机组的负荷，保证按需供冷的同时也能合理轮换机组进行交替运行，以便更好地节能安全运行。

　　实际运行中，可通过经验值来更快捷地调节冷水系统运行参数，使得系统尽快进入稳定的工作状态，在提高机组最高综合COP状态下运行。不同类型的冷水机组适用于不同规模的空调系统，地铁中央空调系统属于中型系统，主要采用水冷型螺杆式机组或活塞机组。考量一个冷水系统优劣的标准是COP能效值，如表1所示[3]。

　　通过对比，选用能效比高的螺杆式冷水机组，经过长期测试整理，变换不同的冷冻水出水温度和冷却水出水温度以及冷冻水进出口温差，得出制冷能力容量表，具体如表2所示。

　　由表可知，在冷却水出水温度为30℃、冷冻水出水最大。因此可通过联动控制变频泵频率和冷水机组的台温度为9℃、冷冻水进出口温差为6℃时，制冷量达到数来控制输出冷量最大，也就是实现最大输出，当前变频泵的频率和机组台数组合策略存入大数据，以备后运行调节直接使用。如果冷冻水出水温度大于15℃，想要改变环境温度达到20℃以下，基本上无法实现。

　　由上述数据可知，选用合适的机组设备，在经过前期经验测试稳定调节后，可直接使用大数据经验值，将前一天稳定的参数输出值直接赋给当天应用，在满足当前环境要求的前提下，能够更快更准地到达目标要求环境参数，并且稳定、节能、环保。

　　2．2通风系统控制

　　车站通风空调系统又分为大系统和小系统，大系统为车站公共区域，小系统为车站设备房(乘客无法进入的区域)，通常采用公共区或者设备房实测温度作为反馈控制量，纠正控制误差，使得公共区或者设备房区域温度稳定在设定范围内。

　　公共区温湿度作为目标参考值，其值的稳定与可靠性影响调节节奏有效率，在逻辑运算考量时应该避免故障和误差，结合时季、各传感的温度变化率判断是否为有效运算值，再结合周期性平均取值得到一个相对稳定可靠的数值。

　　车站空调、通风、排烟系统分为冬季、过渡季、夏季、早间运行、夜间运行、阻塞运行、火灾事故运行、突发客流等多种运行方式。地铁车站BAS系统不但可以提高车站空调、通风、排烟系统设备的运行管理和维护的自动化水平，而且可以根据不同的气候条件，按不同的工况对车站空调通风系统进行控制、调节，为地铁乘客创造良好的候车、乘车环境，极大地降低设备的运行能耗，从而节约运行成本。车站空调、通风、排烟系统自动模式判断流程如图1所示。

　　正常情况时，BAS系统将控制车站空调系统根据室内外空气参数运行于3种工况：小新风、全新风、通风工况，根据现场负荷要求，切换风路运行模式状态，满足环境要求的同时也能节能环保。

　　对于通风系统模式控制通常又采取手动控制模式、焓值控制、时间表控制。手动控制方式通常为人为干预当前的控制方式，直接手动下发适用的模式；焓值控制方式通过室外焓值iw、室外温度Tw、车站回风焓值ir、车站回风温度Tr、车站送风温度To等数值的采集、计算、比较决定切换不同通风运行工况[4]。时间表控制方式是人为编辑根据不同时间自动切换不同的运行通风模式，此控制方式应用较为广泛，通常根据列车运行时间来切换不同的通风工况。

　　对于非空调季节，可以利用隧道的活塞风进行通风，这是一种能源再利用的可持续发展的策略方式，促进了车站风的流动，同时也可以保障通风设备停运检修和保养[5]。总之，采用不同的控制方式和控制策略都是为了节能减耗。在不同的运营环境下，采取不同的控制方式和策略，会有不一样的节能效果。

　　2．3风水联控

　　(1)系统整体节能

　　BAS系统以保证系统安全运行为核心，在保证空调供应区域环境品质的前提下，通过全面采集影响空调系统运行的各种参数，传送至节能控制系统，控制系统根据系统运行规则，推算出系统该时刻所需的冷量(或热量)及系统的优化运行参数，并利用现代变频技术，自动控制水泵、风机的转速和表冷阀阀门开度，以调节空调水系统、风系统的流量，保证中央空调系统在各种负荷条件下均处于最佳工作状态，从而实现综合优化节能。

　　遵循“加载时先风后水，减载时先水后风”节能减耗策略。加载时，在负荷要求不大的时候，尽量用固定冷量输出，通过通风空调改变频率来实现环境温度要求；只有在改变通风系统本身无法实现目标值时，才将风量调节到最大频率，慢慢改变水系统输出二通阀的开度，从而实现冷量增大输出，改变现场目标值；减载时，原理相同，先减冷量输出，因为冷量改变比风量改变能耗

　　大许多。

　　(2)智能调节

　　变风量控制是空调节能常用的一种行之有效的手段，车站大系统的空调机组和冷水系统的二通阀都是连续型可控设备，因此可以实现变量调节控制。在相辅相成的调节过程中，由于环境参数变化的滞后反和振荡调节，通常需加入PID智能调节系统以稳定系统运行[6]当前PID智能调节系统面临的问题：一是如何解决大滞后环节；二是如何解决多因素的扰动。目前相对有效的方法是适合大滞后及多因素扰动的模糊PID算法，其功能主要表现为根据站厅和站台的空间大小、建筑材料绝热程度、进出口处冷量损失、人流量等，估算出一天内相对比较适当的冷负荷需求量变化规律，然后根据实际需求量进行回路调节，修正曲线，作为第二天冷量供应的参考值。这样就可以提前预置损失的冷量及人流量扰动需要的冷量。

　　智能调节过程为PID调节，是对被调量与给定值的偏差分别进行比例、微分和积分运算，通常用闭环控制系统来进行控制。控制过程中通常需要准确设定必要的PID参数，以到达快速、准确的目标。目标值和当前值的偏差在死区值以上时即可开始进行自动调节，不需要人为干预。一旦当前值到达目标值的死区范围之内即停止调节，避免环境参数微小变化造成系统频繁扰动切换。

　　当目标区域温度值和目标值差值大于死区时，PID控制器开始工作，调节风机频率和水阀开度，使得温度值趋于目标值。为维持风路平衡正压，通常设置回风管路的回排风频率和送风管路的空调机组频率保持一致。

　　为保证更好地节能减排，就要把控好目标参数设备因素，采取分布式的环境参数传感器，包括温湿度和二氧化碳传感器，选择合理的安装位置，适当合理地规避设备损坏造成的调节问题，同时还要考虑列车运营高峰期和平常稳定期的差值变化[7]，尽量避免过大的振荡，也要考虑调节目标环境的封闭稳定性，否则不停地调节，浪费资源而且也不能保证环境的舒适性。系统中可以加入天气预报机制，建立数据处理服务器和基站，利用WiFi接入互联网天气预报系统，实时预判第二天的环境气候及温度，从而提前设定第二天风水联控设备的开机时间和设备工作的负荷，只要满足预期环境温度即可，在满足要求的同时也节能减耗[8]。

　　3结束语

　　本文针对地铁车站风水联控的相关控制做出了策略探讨，可把大数据经验值应用到后期运行当中[9]，同时也可以采用网络共享数据分析得出最佳值进而应用，目的都是为了更快更准地实现节能控制系统稳定输出。目标参数的准确获取是风水联控的重中之重，其次才是合理完善的控制策略，减少调节过程振荡，快速达到理想的环境条件。单一控制风系统和水系统不能满足现在地铁运营的节能要求，结合以往的通俗简单控制加入新的理念和控制策略，合理有机耦合风水联控系统不仅可以避免系统运行时单系统设备效率的缺陷，也能够为整个风水系统的联动高效运行以及系统运行程序编写提供参考依据，为地铁车站环境控制运维管理及能耗控制提供相应的指导。

　　参考文献：

　　[1]杨平文．地铁通风空调系统的能耗现状和节能措施研究[J]．建材与装饰，2019(28)：249－250．

　　[2]郑奕．地铁站通风空调系统风水联动智能控制系统的应用[J]．智能建筑与智慧城市，2018(1)：53－54．[3]张华俊，李洪峻，蒲亮，等．水冷式冷水机组选型分析[J]．建筑热能通风空调，2002(4)：21－25．

　　[4]马联国．地铁通风空调系统优化新理念研究[J]．科技创新导报，2013(16)：5－6．

　　[5]程远维．地铁通风空调系统设计及节能研究[J]．建材与装饰，2018(40)：274－275．

　　[6]林晓伟，王侠．地铁通风空调系统的优化控制[J]．城市轨道交通研究，2012，15(11)：100－104．

　　[7]何志康，朱培根，涂江峰，等．地铁站通风空调系统能耗测试与分析[J]．制冷与空调(四川)，2012，26(4)：345－348．

　　[8]张乔．关于地铁通风空调系统节能的有效策略探讨[J]．北方建筑，2019，4(6)：43－46．

　　[9]石锐．地铁通风空调节能与智能化控制问题探讨[J]．居舍，2018(16)：177．

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