地铁站通风空调系统风水联动智能控制系统的应用

郑奕

（北京市市政工程设计研究总院有限公司）

1 引言

随着城市的高速发展，轨道交通以运力大、受气候影响小等多种优势成为了城市公共交通的新宠。但随着城市轨道交通的建设，其高能耗的特点也逐渐显现。

在整个地铁系统运行能耗中，通风空调系统能耗约占到25%～35%，仅次于列车牵引供电的能耗。因此通风空调系统节能的有效性对轨道交通的总体能耗的降低具有重大的意义。

2 节能控制原理

地铁的通风空调系统包含两个部分：风系统和水系统。地铁通风空调系统的设备一般按照远期高峰小时运行情况进行配置，在运行初期，近期客流及行车对数远没有达到设计水平，因此设备选型有较大的富余量；同样在非高峰时段，也存在设备选型富裕的问题。

图1 地铁运行中各专业能耗占比

目前一般集成闭式通风空调系统中，公共区的风机采用变频控制，并由BAS系统按照固定的控制表来进行运转，如（空调季与过渡季有6h以最大风量运行，有12h以一半风量运行），并未根据实际的车站负荷来调节风机的频率，且空调水系统循环水泵并未采取变频泵，只通过调节冷水机组的负荷进行节能控制，因此通过将水泵改为变频控制以及优化风机运行模式可以进一步实现系统的节能运行。

风系统及水系统是有一定耦合的关系，当车站公共区负荷变化时，通过调节风机频率及送风温度来节省风系统的能耗，同时还应改变冷水系统的流量及制冷机组运行状态以节省水系统的能耗。只有风、水系统的调节有机的结合在一起，节能才能达到最佳状态。

风水联动智能控制系统是指一套可以通过采集设于车站内各处的温湿度传感器、二氧化碳传感器及可吸入颗粒物传感器的数据，完成车站冷负荷最低化的运算以及通风空调系统运行能耗最低化的运行方案，并制定相应的设备控制策略，使车站公共区在达到设计环境温度目标值的前提下，车站通风空调系统综合能耗值达到最低值的智能控制系统。

因此在地下车站中，引入风水联动智能控制系统对车站公共区通风空调设备的运行状态进行整体调节才是实现系统节能运行的有效手段。

3 通风空调系统工艺要求

3.1 参与风水联动智能控制的车站通风空调设备

1）车站风系统（大系统）：车站送/排风机、车站新风阀、排风阀、回风阀、公共区送排风管上的电动调节阀。

2）车站空调水系统：冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、电动二通阀、电动蝶阀。

3.2 风水联动智能控制系统的节能目标

风水联动智能控制系统应根据车站客流变化、列车行车组织变化、室内新风负荷变化等室内负荷变化量以及室外空气状态，完成车站冷负荷最低化的运算以及通风空调系统运行能耗最低化的运行方案，使车站公共区在达到设计环境温度目标值的前提下，车站通风空调系统COP值达到最大值。

3.3 通风空调系统运行工况

车站通风空调系统运行工况分为正常运行工况、阻塞运行工况、火灾运行工况。

1)正常运行工况

风水联动智能控制系统通过负荷计算及系统COP值比对确定通风空调系统运行模式。同时风水联动智能控制系统可以根据室内负荷变化调节车站送、排风机运行频率，并同时对空调水系统设备实际运行参数进行调节。

2)阻塞运行工况

风水联动智能控制系统不再执行节能策略，水系统各设备保持原运行状态，风系统不再执行节能策略，权限交由BAS系统控制。

3)火灾运行工况

水系统关闭，风水联动智能控制系统不参与设备控制，风系统设备由BAS系统控制。

4 风水联动智能控制方案

4.1 系统方案

风水联动智能控制系统采用与环境与设备控制系统（BAS）独立并存的方式。由BAS系统下达通风空调系统正常或事故工况运行模式的模式选择。风水联动智能控制系统负责监控车站空调水系统，BAS系统负责监控车站其它通风空调系统，风水联动智能控制系统与BAS系统共享空调水系统及公共区通风空调系统的信息。在正常模式下，风水联动智能控制系统根据设备的监测信息对空调水系统及公共区通风空调系统提出相应控制策略与算法，实现对车站空调系统的节能控制。

4.2 系统模式

车站通风与空调系统分为3种工况（正常工况、火灾工况、阻塞工况）。风水联动智能控制系统在正常工况下具有对空调水系统及风系统的模式控制功能以及调节控制功能，与此之外，其它模式对通风与空调系统设备均不进行节能调节。

4.3 系统功能

4.3.1 系统采集及监视功能

监视空调水系统中冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机等设备的运行状态和系统管路上对应的传感器（如温度、压差等）、电动阀门状态、流量计的参数，并可通过与BAS系统通讯共享相应参数。

通过与BAS系统通讯采集通风空调公共区通风与空调系统各设备的运行状态及相关的运行参数。

采集并存储被监控对象电能量表计的数据。

4.3.2 控制功能

1)空调水系统控制

①空调水系统节能策略

风水联动智能控制系统可根据实际的运行情况和负荷变化，通过调节阀门开度、智能化选择冷水机组、循环水泵、冷却塔风机等设备运行的台数和运行频率，确保空调水系统的高效率运行。

②空调水系统设备控制

控制空调水系统中冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、二通调节阀、电动蝶阀等设备的启停状态及设置相应参数。

③空调水系统设备运行保护

设置合理的设备启停顺序及联锁功能、设置冷水机组超温保护限定值，避免设备在运行过程中造成损坏或非正常停机。

2)全局协调控制

正常工况下，风水联动智能控制系统通过与BAS的通讯采集公共区通风与空调系统变频器频率、公共区末端负荷等信息，对全局监控对象进行关联，通过智能控制算法提出相应控制策略实现全局协调控制，使整个通风空调系统的各个环节能协调工作、高效运行。

3)系统参数设置及远程控制

在监控平台的流程监视界面上实现对通风空调风系统、水系统中的各设备进行监视，直接进行空调冷水系统参数设置和启停操作，如：设置冷水阀开度、冷水机组冷冻水出口温度等。

4.4 车站系统构成

在每个车站独立设置一套风水联动智能控制系统，采用监控管理层、采集控制层、现场监测执行仪表层三级结构，由集中控制器、水泵控制主装置、冷却塔控制装置、以及各种传感器件以及系统软件等组成。本系统采用分布式控制，每个控制装置均设置分布式控制器，各个控制柜、控制箱均完全独立工作。

5 结论

随着社会对节能、低碳、环保的要求的提高，轨道交通的节能运行也被日益关注，风水联动智能控制系统虽然在民用建筑上早有类似应用，但在轨道交通工程中的应用才刚刚起步，该技术在轨道交通领域的应用响应了住建部关于“十三五”时期我国大力推动建筑节能和绿色建筑的号召，实现了通风空调系统的智能化节能控制。