地铁通风空调系统的优化控制

林晓伟 王 侠

（国电南瑞科技股份有限公司，210061，南京∥第一作者，工程师）

地铁通风空调系统是地铁综合自动化系统的一部分，在地铁运营中发挥着重要的作用。良好的地铁通风空调系统可以根据地铁内部环境的变化自动进行温度、湿度、风量等调节，为乘客创造一个舒适惬意的乘车环境。但地铁通风空调系统的运行能耗非常大，清华大学的朱颖心教授认为：地铁通风空调系统的能耗在地铁总能耗中所占的比例相当高，甚至超过了列车的牵引能耗。在当今节能减排已经成为国家重要战略目标的情况下，这种巨大的能源消耗发人深思，这也是在发展地铁的过程中必须要面对和解决的现实问题。

本文以国电南瑞科技股份有限公司轨道技术分公司在地铁环控系统上采用的控制技术为基础，讨论了地铁通风空调系统的优化控制思路，并提出了变风量变流量的优化控制模型。

1 地铁通风空调系统介绍

1.1 地铁通风空调系统组成及原理

地铁车站通风空调系统由大系统、小系统和水系统构成，三部分组成一个有机的整体，共同作用完成车站环境参数的自动调节。大系统和小系统负责车站公共区和设备管理用房的通风、排风以及车站温湿度的控制等。水系统为车站空调系统提供冷源，使组合空调机组完成热交换过程，从而实现地铁车站温度调节。

车站通风空调系统运行的原理如图1所示。在地铁运营时，空调新风机负责向站内输送新风；回排风机负责站内排风；组合空调机组兼具送风和制冷两个方面的功能。组合空调通过冷冻水回路和空调水系统相连，将制冷后带有设备热负荷的冷冻水通过冷冻泵输送到空调水系统的冷水机组，冷水机组通过热交换将冷冻水热量转移到冷却水，通过冷却水回路和冷却塔将热量排放到大气中。同时冷水机组将热交换后形成的冷源（不带热负荷的冷冻水）回馈到空调机组以便站内制冷。

另外，地铁列车在进站、停站、出站时都会产生大量的热量，这些热量不仅对列车车体造成损害，也会使隧道内的温度升高而危及隧道设备的安全，隧道通风系统利用列车运行时产生的活塞风和站台下或轨道顶的排热风机将这部分热量排出。

1.2 地铁通风空调系统负荷特征及常规设计

1.2.1 负荷特征

地铁车站负荷主要包括设备负荷（照明、电梯、自动售票机等设备的散热量）、列车和人员负荷、新风负荷。其中车站设备负荷在地铁运行期间相对稳定，基本是一个定值。站内负荷的变化主要是由乘客数量变化和屏蔽门开启引起的，屏蔽门开启的频率与行车对数有关，而行车计划又是根据客流量的变化来制定，因此站内负荷变化与客流变化存在近似正比关系（见图2）。

图1 地铁通风空调系统原理图

图2 车站冷负荷与客流关系图

新风负荷的选取，要满足人员要求的最小风量、维持最小换气次数、维持站内正压、有害物质浓度控制新风量中的最大值，且新风负荷不应该小于系统总风量的10%。

从上面的描述可以看出，地铁通风空调系统的负荷具有以下特征：①空调负荷变化大，会对系统形成较大的干扰；②空气的调节过程是高度非线性的，各个执行机构的动作过程也是非线性的；③空调设备会老化和更换，车站的热环境也会发生变化，导致系统参数的变化；③地铁站厅、站台的空间很大，温度的变化缓慢，具有非常明显的滞后性。

1.2.2 空调系统冷负荷计算的一般原理

向站内送冷风，送入站内的冷量

式中：

C——空气的比热容，［kJ／（kg·℃）］；

P——空气密度，kg／m3；

L——送风量，m3／s；

tn——室内温度，℃；

ts——送风温度，℃；

Q——吸收（或送入）室内的热流量，kW。

设L为一常数，由式（1）可知，为了吸收站内相同的热量，可改变送风温度ts，ts越小，吸收室内热流量就越大，因此，通过改变送风温度可适应室内负荷变化，维持室温不变。这就是定风量变流量时的工作原理。也可以通过改变风量定流量来适应室内负荷的变化，维持室温不变，即变风量定流量控制。

单独采用定风量变流量控制或变风量定流量控制都是有局限性的，比如：在变风量定流量控制中，最低送风量中的最小新风量必须满足换气的要求，既要保证一定的新空气量，又要能维持站内正压。因此，地铁通风空调系统采用变风量变流量的控制方式可以显著地实现节能增效，这也是未来地铁通风空调系统发展的趋势。

1.2.3 系统常规设计

在早期建成的地铁中，通过采用人工控制的方法来增加或减少投入运行的主机数量和水泵台数，以达到节能的目的。该方式分级调节粗糙、实时性差，且受设备配置和人为因素影响较大。

在近期的地铁建设中或在已投运的地铁中，已配置了比较健全的BAS（设备监控）控制系统，利用DDC（直接数字控制系统）或PLC（可编程控制器）控制空调系统的运行。这一方法原理简单、使用方便、投资成本低。

当前，BAS控制系统基本采用定风量变流量的控制方式，这是一个定值闭环负反馈调节系统，它把温度传感器测量的回风（室内）温度Tf送入PLC控制器与给定值Tg比较，根据Δ±T偏差，由PLC控制器按PID（比例积分微分）规律调节冷冻回水调节阀开度以达到控制冷冻水回水量Ts，从而可以控制空调机组的制冷量Tk。同时，组合空调机组和新风机以固定转速运行，其送风量Gk1和Gk2为定值。通过Gk1、Gk2和Tk使站内温湿度保持在规定范围内。控制原理如图3所示。

图3 定风量变流量控制原理图

2 系统的优化控制

2.1 优化控制思路

由于传统的空调控制系统的控制方式属于粗放式的控制，造成了极高的能源耗费，因此必须寻找一种更加优化的控制方式来代替。

地铁列车及其空调冷凝器的发热量、新风负荷、人员负荷随行车密度及客流量波动，不同时期、不同时段所需要的轨道排风量、车站所需的新风量和冷量都会因行车密度、客流量及屏蔽门开启时间的变化而有很大差异。地铁列车及其空调冷凝器的发热量占地铁总发热量的2／3以上，人员负荷和新风负荷占车站大系统负荷的40%以上，因此，负荷变化大导致需要的风量和冷量变化大是地铁通风空调系统的一大特点。

风机的风量、消耗功率与转速有下述关系：

式中：

V1，Pl——分别为N1转速下的风机风量和消耗功率；

V2，P2——分别为N2转速下的风机风量和消耗功率。

由式（2）、（3）可知：风机风量与转速成正比，消耗功率与转速的立方成正比。因此，为了节能，应使轨道排热风机、空调风机、新风机、回排风机的转速随风量需求进行调整。要达到这一要求，相关风机就均应采用变频器驱动，这样就可实现风量的连续调节，能耗下降明显，而且还能够更好地适应车站负荷的变化，有利于控制站内热环境。同时，使用变频器控制风机转速，变频器的软启动功能将使启动电流从零开始增加，避免了启动电流对电网造成的冲击污染。

在空调系统中冷冻水泵和冷却水泵的容量是按照车站最大设计负荷选定的，且留有余量。在实际使用中，空调系统大多处于低负荷运行状态，因此，对冷冻水回水阀进行PID调节，以控制冷冻水回水量，这是减少能耗的有效途径。

综合上述分析，需要将风量调节与冷冻水量调节综合考虑才能全面满足既保证冷冻水流量的需求，又满足新空气的要求，同时又能实现节能增效。

2.2 通风空调系统优化控制方案

2.2.1 变风量变流量控制

变风量控制主要是由设在车站两端的组合式空调机组和回排风机来实现的。在送风机和回排风机上均配备变频器，用来改变送风机和回排风机的转速，可方便地调节送风量和回风量，使空调大系统成为变风量系统。这样，系统不仅能随时改变供风量以适应风量需求的变化，同时也有显著的节能效果。

综合监控系统通过与自动售检票系统、屏蔽门系统及环境与设备控制系统的接口，可获知当前时段进闸人数和出闸人数等客流信息、屏蔽门开启次数以及站内的CO2传感器采集的信息，然后由综合监控系统根据这些信息实时计算系统的新风负荷和人员负荷。这两种负荷对站内温度调节系统是一个扰动量，使得站内温度调节总是滞后于新风温度或客流的变化。为了提高系统的调节品质，把新风负荷和人员负荷做为正反馈信号加入站内温度调节系统，当空调负荷波动时，正反馈控制器可在车站温、湿度负反馈产生纠正作用前就发出校正指令，可加快系统的响应速度，有效防止系统的振荡，实现通风空调系统的节能优化运行。控制原理如图4所示。

图4 变风量变流量控制原理图

在图4所示的控制模型里，变风量控制和变流量控制均引入了正反馈控制和负反馈控制。

组合空调机组的送风量Gk1和新风机的送风量Gk2采用正反馈控制，综合监控系统将计算出的新风负荷和人员负荷作为正反馈信号α2、α3分别引入到空调机组转速调节和新风机的转速调节中；同时，这两种负荷也作为正反馈信号Ψw参与末端冷冻水量Ts的调节，使负荷的变化也同时反映到冷冻水量的调节上来。冷冻水回水阀的控制引入不灵敏环节（又称为死区，是指输入量的变化不致引起该仪表输出量有任何可察觉的变化的有限区间，产生死区的原因主要是仪表内部元件间的摩擦和间歇），避免二通阀频繁动作。

组合空调机组的送风量Gk1也采用了定值闭环负反馈控制。设在送风、回风中的温湿度传感器，把主风道中的风温转换成4～20mA标准信号Tf送到PLC，经过PID调节后形成空调机组转速调节信号α1，并将该信号输出到空调机组变频器上，构成一个闭环控制系统。当室温偏离设定值时，即反映在回风温度偏离，PLC将调节风机速度，控制表冷器热交换量，使室温回复至设定值。

末端冷冻水量Ts也采用了定值闭环负反馈控制，控制原理与1.2.3节中介绍的定风量变流量控制原理完全一致。

2.2.2 分析比较

常规的定风量变流量控制方式存在冷水量不能随风量同步变化的问题，这也限制了冷水量的调节作用。而且地铁通风空调系统的负荷具有大干扰、高度非线性、不确定性、大滞后的特征，如果控制模型单纯采用负反馈控制，容易造成系统的波动和震荡，难以达到预想的控制效果。

采用变风量变流量优化方案的优点是：发挥变频器调节风量的优势，引入正反馈和负反馈控制，用于调节组合空调和新风机的出风量以适应负荷的波动。对末端冷水量的调节引入正反馈控制，使冷水量随风量同步变化，增加了风量调节的有效范围，缩短了冷水量调节的响应时间。该方案考虑了冷水量和风量的配合问题，将变风量控制和变流量控制有机地结合在一起，使整个通风空调系统的性能得到了进一步的优化，而且该方案结构清晰、控制流程简单、易于组态、容易编程，可以有效地节约地铁运营的能耗。

另外，由于变风量变流量方案将变风量和变流量控制统筹考虑，而且引入了正反馈和负反馈控制，使水系统、风系统之间的逻辑控制关系变得更为复杂，也会给安装、管理等增加难度。在现阶段的地铁通风空调系统建设中还没有该方案的应用先例，缺少在该方案下车站全年通风空调系统的分析计算，变频节能效果的评价是不完整的，在工程实施后应对照实测数据验证理论计算的节能情况。

综合上述分析比较，变风量变流量控制方式能将风量和水量有机结合；虽然存在着逻辑关系复杂等缺点，但是总体来看，这种控制方式是未来地铁通风空调系统发展的方向和趋势，而且随着技术的发展，变风量变流量控制中存在的一些问题也必将获得解决。

2.2.3 轨道排热风机节能优化控制

车行区排热通风系统中的排热风机的作用是排除列车进站、停站、出站时产生的热量，以减少列车发热量对车站及区间的影响。车行区排热系统在地铁运营期间需长期运行，能耗巨大，且负荷变化明显，因而排热风机有必要采用变频技术。

排热风机的变频控制主要有分时段控制和隧道温度实时控制两种方式。如果采用根据隧道温度实时控制模式，由于受到活塞风的影响，隧道内空气扰动大，检测到的温度将极不稳定，风机运行也将极不稳定，可靠性无法保证。而采用分时段控制模式是可靠合理的，因为排热风机负荷主要与行车对数有关，时段性强。当发车间隔较大时，排热风机应该根据列车位置改变排热风机的转速，当列车到站时高速运转，当列车离站时低速运转。综合监控系统可将信号系统传送的列车进出站信息转换成风机控制命令，转发给环境与设备监控系统，由环境与设备监控系统通过变频器调整排热风机的转速，实现对排热风机的节能控制（见图5）。

图5 排热风机节能优化控制图

3 结语

本文分析了地铁运营时的负荷特征，通过分析发现地铁通风空调系统节能减排还具有非常巨大的潜力可供挖掘。通过分析地铁通风空调系统常规的定风量变流量控制方式存在的缺陷和不足，提出了更为优化的变风量变流量控制模型。采用这种优化控制方式可以有效地提高地铁通风空调系统的运行效率，并且可以大幅度地节约能源。还简要分析了轨道排热风机的节能优化问题，在综合监控平台上，将车站环境与设备监控系统同信号系统进行联动，通过信号系统发给综合监控系统的列车运行信息控制排热风机变频器的转速，从而实现排热风机的节能减排。

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