地鐵車站通風空調智能控制系統的節能

張海尚

(長沙市軌道交通集團有限公司，410019，長沙//高級工程師)

地鐵車站通風空調系統能實現調溫、除濕、送風、排煙等功能，是地鐵良好環境的有力保障。不過，通風空調系統能耗偏大,不利于節能。經分析，通風空調系統的設備容量一般根據地鐵運營的最大長期負荷需求來選擇，并保留一定的設計余量[1]。但在實際運行中，空調負荷往往達不到最大負荷，從而浪費了許多能量。利用通風空調智能控制系統,采用有效的節能控制策略，能降低地鐵站通風空調系統的能耗，實現地鐵站空調系統的高效運轉。

1 地鐵站通風空調系統概況

1.1 通風空調系統的組成與作用

地鐵車站通風空調系統由隧道通風系統、公共區域通風空調系統(俗稱“大系統”)、車站內管理機房和設備用房空調通風系統(俗稱“小系統”)及空調制冷循環系統等組成[2]。

隧道通風系統由活塞風設備和機械通風設備組成，可滿足各種隧道不同通風模式的需求。大系統在正常運行時被用于公共區域車站大廳和站臺；當發生事故時，大系統可迅速消除煙霧，保護乘客和工作人員快速疏散。小系統主要為運營管理人員提供舒適的工作環境，并提供設備正常運行所需的運行環境?？照{制冷循環系統主要為整個車站的大小系統末端設備提供冷源,其常以水作為冷源媒價，因而又稱“空調水系統”。

各系統之間相互合作，不僅為乘客提供了安全、衛生、舒適的乘車環境，也為員工提供了良好的工作環境。此外，一旦車站發生火災，通風空調系統還將承擔排煙氣的工作，協助車站內人員撤離，避免人員發生煙霧中毒[3]。

1.2 通風空調系統的特點

地鐵車站通風空調系統的設備較多，且相互影響，是綜合性多變量多參數的系統。其特點如下：

(1) 通風空調系統能耗占地鐵能耗總量的比例大，一般占25%～35%，在南方占比超過35%。地鐵站需應對客流高峰時刻的高負荷情況，又要滿足客流低峰期的部分負荷情況。因此,通風空調系統按最大空調負荷選擇，在部分負荷時依然高效運行。

(2) 車站內的熱源波動很大。熱源波動與客流量和室外天氣有密切關系。車站內的熱源參數隨著城市、客流量和時間段的不同而變化。

(3) 地鐵車站內部的熱源與空間具有正比關系。這與其他交通工具不同，對大系統、小系統和空調水系統提出了更高的要求。

(4) 地鐵車站是地下工程，其空間具有一定的封閉性，需要有更高的安全措施。

(5) 地鐵車輛在非屏蔽門車站充當活塞完成車站的活塞風通風。在采用屏蔽門的車站，通風空調系統對通風功能提出了更高的要求[4]。

基于以上特點，地鐵車站通風空調系統需配置合適的控制系統，以提高其系統穩定性和安全性。

1.3 通風空調系統能耗

由空調水系統和通風系統的裝機容量，可計算出地下車站的通風空調系統的能耗[5]。本文以長沙地鐵1號線某地下標準站為例，主要研究地鐵車站水系統與大系統的節能運行。案例車站采用中央空調，其通風空調系統按每年制冷季運行5個月、通風季節運行7個月計算?？照{水系統的設備裝機容量見表1，大系統的設備裝機容量見表2。

由表1、表2可知，該地鐵車站空調水系統裝機容量為378 kW,大系統裝機容量為111 kW?？梢?地鐵站空調系統的能耗巨大，需對空調水系統與大系統在不同運行模式下的能耗數據進行分析，從而通過其智能控制系統采取合理的節能措施。

表1 案例車站的通風空調水系統設備裝機容量

表2 案例車站大系統設備裝機容量

2 系統的節能措施及節能效果

圖1為案例車站通風空調智能控制系統的網絡構架圖。通風空調控制系統采用模塊化設計，將運行特點相同的設備歸類。

圖1 地鐵通風空調智能控制系統網絡構架圖

2.1 水系統的節能措施及節能效果

2.1.1 冷水主機節能措施及節能效果

案例車站設2臺冷水機組。冷水機組負荷按最大負荷設計，并預留了一定的余量。對冷水主機，可采用提高主機冷凍水出水溫度(即蒸發溫度)或降低冷凝溫度(即冷卻水溫度)來節能。

圖2為提高蒸發溫度來節能的溫-熵(T-S)圖。圖2中，主機蒸發溫度升高前能耗為A+B，主機蒸發溫度升高后能耗為A，節能量為B。由圖2可知，在相同制冷量下，提高主機的蒸發溫度可降低主機能耗[6]。蒸發溫度越高，主機節能越明顯。

圖3為降低主機冷凝溫度來節能的T-S圖。圖3中，主機冷凝溫度降低前能耗為C+D，主機冷凝溫度降低后能耗為D，節能量為C。由圖3可知，在相同制冷量下，降低主機冷凝溫度，可降低主機能耗。冷凝溫度越低，主機節能越明顯。

因此，該站冷水主機節能控制單元根據冷水主機的負載狀態，動態調節蒸發溫度和冷凝溫度，從而實現主機節能。其動態調節根據負載情況，在低負荷時自動減載，在高負荷時自動加載，以避免負荷不匹配造成的能源浪費。當主機負荷率為85%、冷凝溫度為30 ℃時，主機能耗與蒸發溫度的關系見圖4。當主機負荷率為85%、蒸發溫度為7 ℃時，主機能耗與冷凝溫度的關系見圖5。

圖3 降低冷凝溫度前后能耗對比圖

圖4 主機能耗與蒸發溫度的關系

圖5 主機能耗與冷凝溫度的關系

由圖4可見，當主機負荷一定時，隨著蒸發溫度的升高，主機能耗下降。蒸發溫度每升高1 ℃，主機能耗就降低約6.0%。當蒸發溫度升高到9 ℃時，主機能耗減少率趨于平穩。此時，升高蒸發溫度的節能效果有限。由圖5可見，主機負荷一定時，隨著冷凝溫度的降低，主機的能耗下降，冷凝溫度每下降1 ℃，主機能耗就降低約1.7%。當冷凝溫度降低到32 ℃時，主機能耗減少率趨于平穩。此時，降低冷凝溫度的節能效果有限。

2.1.2 冷凍水控制系統節能措施及節能效果

案例車站的冷凍水系統設置了2臺冷凍水泵，為車站末端提供冷量輸送。通過調節比例積分調節閥，可改變經末端設備的流量；采用冷凍水泵變頻，可改變冷水機組蒸發器的流量，使冷水機組保持最佳供冷狀態，冷凍水的調節范圍應滿足冷凍水下限流量的要求。

地鐵車站冷凍水控制子系統包括冷凍水泵智能控制子系統、信息數據采集子系統及末端執行設備等。冷凍水節能控制單元可根據站內負荷需求動態調整水泵頻率；數據采集系統能采集溫度、壓力、流量的實時值和歷史值。執行設備根據數據采集參數和站內負荷需求來動態調整優化參數。冷凍水節能控制單元對冷凍水系統全面調節時，能進行實時記錄:首先，根據歷史數據建立負荷預測數據庫;然后，通過將歷史數據與實際數據相對比分析，預測車站冷量需求；最后,根據車站冷量需求對冷凍水系統進行變頻控制，變頻范圍可在40%～100%范圍內調整，可實現較好的節能潛力。

案例車站地處長沙。4～5月時，室外溫度很低、空氣濕度較小，故冷水主機負荷小、能耗少，冷凍水系統大部分時間處于部分負荷運行，整體節能率較高。6～9月時，室外溫度普遍較高，冷凍水系統負荷率多為85%～95%，其穩定性和安全性應重點保障；冷凝系統具有有限的節能空間。10～11月時，室外溫度降低，冷凍水系統負荷率普遍為40%～60%，有較大節能空間，其節能率回升?？梢?，對于整個制冷季(6～10月)來說，冷凍水系統都有一定的節能空間，可全過程通過冷凍水控制子系統的精確節能措施，來實現節能最大化。經統計,于制冷季,案例車站冷凍水泵在工頻工況下的累計耗電量為130.0 kW，在變頻工況下的累計耗電量為77.5 kW?？梢?，變頻工況能節約能量52.5 kW。

2.1.3 冷卻水系統節能措施原理及節能效果

案例車站冷卻水系統設置了2臺冷卻水泵和2臺冷卻塔。冷卻水系統的效率對整個通風空調系統影響重大[8]。在某一負荷率和溫度下，通風空調系統中的主機、水泵及風機的能耗同冷卻水平均溫度的關系可繪成功耗-溫度圖(見圖6)。

圖6 冷卻水系統功耗-溫度圖

由圖6可知，冷水機組的能耗同冷卻水泵及冷卻風機的能耗成反比關系。冷卻水平均溫度降低，其冷水機組能耗隨之降低，而冷卻水泵和冷卻塔風機能耗卻隨之增加。由總能耗曲線可見，當冷卻水溫度為最佳溫度Tcm點時，冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔風機的總能耗最低。

冷卻水系統采用的冷卻水節能控制單元，能實時采集冷卻水系統的進出水溫度、主機負荷率、冷卻水泵耗電量、冷卻塔耗電量和主機耗電量等數據；能根據實時的數據建立數據庫，并實時計算冷卻水最佳溫度點Tcm；還能以Tcm作為冷卻水節能控制單元的控制參數，動態調節冷凍水泵轉速和冷卻塔臺數，從而實現冷卻水系統最大化節能。

在制冷季，冷凍水泵在變頻工況下的累計耗電量為163 kW，在工頻工況下的累計耗電量為86 kW?？梢?，變頻工況能節約能量77 kW。

2.2 大系統節能措施及節能效果

該地鐵車站大系統設有2臺組合式空調機組和2臺回/排風機，均設置在車站的兩端。組合式空調機組先將室外的新風和站臺、站廳的回風通過混風箱進行混合；然后，將混合風經過表冷器冷卻到送風狀態點；最后，送風入站臺及站廳。

傳統定風量的大系統設計，是按最大負荷選擇的，不能完全滿足部分負荷的需求。而在實際運行過程中，大系統大部分時間為部分負荷(負荷率為25%～75%)運行。當實際熱濕負荷小于滿負荷狀態時，傳統定風量大系統只能通過減小送風溫差來維持站內溫度不變。這存在很大的能源浪費，不符合能源梯度利用原則。當站內負荷達到最大負荷時，由于設備選型會偏大，故通風空調系統為能排出多余風量，其風機有很大的能耗浪費。

為滿足節能需要，大系統控制單元采用了變風量系統，其組合式空調箱風機和回/排風機均增加變頻功能。大系統節能控制有通風季和制冷季兩種模式。兩種模式均需要滿足3個條件：① 保證地鐵站內溫度低于30 ℃；② 滿足站內人員的最小新風量；③ 站內最小換氣次數大于5次。在通風季，大系統控制單元根據站內溫度、CO2濃度、換氣次數等參數，選擇風閥模式，對送風機進行變頻調節；為維持室內正壓，回/排風機與送風機同步變頻，以實現節能。通風季(11月～次年5月)的大系統設備耗電情況見表3。

表3 通風季大系統設備的耗電情況

3 結語

采用通風空調智能控制系統，能對空調水系統和大系統進行優化分析，并根據系統特點采取相應的節能控制措施，既能使通風空調系統安全穩定地運行，滿足各種工況的使用要求，又能實現空調水系統和大系統的最大化節能，從而實現降低地鐵站運營成本和科學管理的目標。

具體節能措施為：一定范圍內，提高蒸發溫度及降低冷凝溫度,均可提高主機效率。制冷季通過冷凍水泵及冷卻水泵變頻,可以達到很好的節能效果。全年采用空調箱風機變頻及回排風機變頻可以大大節約電能。