地铁车站通风空调智能控制系统的节能

2018-09-27张海尚

城市轨道交通研究 2018年9期

张海尚

(长沙市轨道交通集团有限公司，410019，长沙//高级工程师)

地铁车站通风空调系统能实现调温、除湿、送风、排烟等功能，是地铁良好环境的有力保障。不过，通风空调系统能耗偏大,不利于节能。经分析，通风空调系统的设备容量一般根据地铁运营的最大长期负荷需求来选择，并保留一定的设计余量[1]。但在实际运行中，空调负荷往往达不到最大负荷，从而浪费了许多能量。利用通风空调智能控制系统,采用有效的节能控制策略，能降低地铁站通风空调系统的能耗，实现地铁站空调系统的高效运转。

1 地铁站通风空调系统概况

1.1 通风空调系统的组成与作用

地铁车站通风空调系统由隧道通风系统、公共区域通风空调系统(俗称“大系统”)、车站内管理机房和设备用房空调通风系统(俗称“小系统”)及空调制冷循环系统等组成[2]。

隧道通风系统由活塞风设备和机械通风设备组成，可满足各种隧道不同通风模式的需求。大系统在正常运行时被用于公共区域车站大厅和站台；当发生事故时，大系统可迅速消除烟雾，保护乘客和工作人员快速疏散。小系统主要为运营管理人员提供舒适的工作环境，并提供设备正常运行所需的运行环境。空调制冷循环系统主要为整个车站的大小系统末端设备提供冷源,其常以水作为冷源媒价，因而又称“空调水系统”。

各系统之间相互合作，不仅为乘客提供了安全、卫生、舒适的乘车环境，也为员工提供了良好的工作环境。此外，一旦车站发生火灾，通风空调系统还将承担排烟气的工作，协助车站内人员撤离，避免人员发生烟雾中毒[3]。

1.2 通风空调系统的特点

地铁车站通风空调系统的设备较多，且相互影响，是综合性多变量多参数的系统。其特点如下：

(1) 通风空调系统能耗占地铁能耗总量的比例大，一般占25%～35%，在南方占比超过35%。地铁站需应对客流高峰时刻的高负荷情况，又要满足客流低峰期的部分负荷情况。因此,通风空调系统按最大空调负荷选择，在部分负荷时依然高效运行。

(2) 车站内的热源波动很大。热源波动与客流量和室外天气有密切关系。车站内的热源参数随着城市、客流量和时间段的不同而变化。

(3) 地铁车站内部的热源与空间具有正比关系。这与其他交通工具不同，对大系统、小系统和空调水系统提出了更高的要求。

(4) 地铁车站是地下工程，其空间具有一定的封闭性，需要有更高的安全措施。

(5) 地铁车辆在非屏蔽门车站充当活塞完成车站的活塞风通风。在采用屏蔽门的车站，通风空调系统对通风功能提出了更高的要求[4]。

基于以上特点，地铁车站通风空调系统需配置合适的控制系统，以提高其系统稳定性和安全性。

1.3 通风空调系统能耗

由空调水系统和通风系统的装机容量，可计算出地下车站的通风空调系统的能耗[5]。本文以长沙地铁1号线某地下标准站为例，主要研究地铁车站水系统与大系统的节能运行。案例车站采用中央空调，其通风空调系统按每年制冷季运行5个月、通风季节运行7个月计算。空调水系统的设备装机容量见表1，大系统的设备装机容量见表2。

由表1、表2可知，该地铁车站空调水系统装机容量为378 kW,大系统装机容量为111 kW。可见,地铁站空调系统的能耗巨大，需对空调水系统与大系统在不同运行模式下的能耗数据进行分析，从而通过其智能控制系统采取合理的节能措施。

表1 案例车站的通风空调水系统设备装机容量

表2 案例车站大系统设备装机容量

2 系统的节能措施及节能效果

图1为案例车站通风空调智能控制系统的网络构架图。通风空调控制系统采用模块化设计，将运行特点相同的设备归类。

图1 地铁通风空调智能控制系统网络构架图

2.1 水系统的节能措施及节能效果

2.1.1 冷水主机节能措施及节能效果

案例车站设2台冷水机组。冷水机组负荷按最大负荷设计，并预留了一定的余量。对冷水主机，可采用提高主机冷冻水出水温度(即蒸发温度)或降低冷凝温度(即冷却水温度)来节能。

图2为提高蒸发温度来节能的温-熵(T-S)图。图2中，主机蒸发温度升高前能耗为A+B，主机蒸发温度升高后能耗为A，节能量为B。由图2可知，在相同制冷量下，提高主机的蒸发温度可降低主机能耗[6]。蒸发温度越高，主机节能越明显。

图3为降低主机冷凝温度来节能的T-S图。图3中，主机冷凝温度降低前能耗为C+D，主机冷凝温度降低后能耗为D，节能量为C。由图3可知，在相同制冷量下，降低主机冷凝温度，可降低主机能耗。冷凝温度越低，主机节能越明显。

因此，该站冷水主机节能控制单元根据冷水主机的负载状态，动态调节蒸发温度和冷凝温度，从而实现主机节能。其动态调节根据负载情况，在低负荷时自动减载，在高负荷时自动加载，以避免负荷不匹配造成的能源浪费。当主机负荷率为85%、冷凝温度为30 ℃时，主机能耗与蒸发温度的关系见图4。当主机负荷率为85%、蒸发温度为7 ℃时，主机能耗与冷凝温度的关系见图5。

图3 降低冷凝温度前后能耗对比图

图4 主机能耗与蒸发温度的关系

图5 主机能耗与冷凝温度的关系

由图4可见，当主机负荷一定时，随着蒸发温度的升高，主机能耗下降。蒸发温度每升高1 ℃，主机能耗就降低约6.0%。当蒸发温度升高到9 ℃时，主机能耗减少率趋于平稳。此时，升高蒸发温度的节能效果有限。由图5可见，主机负荷一定时，随着冷凝温度的降低，主机的能耗下降，冷凝温度每下降1 ℃，主机能耗就降低约1.7%。当冷凝温度降低到32 ℃时，主机能耗减少率趋于平稳。此时，降低冷凝温度的节能效果有限。

2.1.2 冷冻水控制系统节能措施及节能效果

案例车站的冷冻水系统设置了2台冷冻水泵，为车站末端提供冷量输送。通过调节比例积分调节阀，可改变经末端设备的流量；采用冷冻水泵变频，可改变冷水机组蒸发器的流量，使冷水机组保持最佳供冷状态，冷冻水的调节范围应满足冷冻水下限流量的要求。

地铁车站冷冻水控制子系统包括冷冻水泵智能控制子系统、信息数据采集子系统及末端执行设备等。冷冻水节能控制单元可根据站内负荷需求动态调整水泵频率；数据采集系统能采集温度、压力、流量的实时值和历史值。执行设备根据数据采集参数和站内负荷需求来动态调整优化参数。冷冻水节能控制单元对冷冻水系统全面调节时，能进行实时记录:首先，根据历史数据建立负荷预测数据库;然后，通过将历史数据与实际数据相对比分析，预测车站冷量需求；最后,根据车站冷量需求对冷冻水系统进行变频控制，变频范围可在40%～100%范围内调整，可实现较好的节能潜力。

案例车站地处长沙。4～5月时，室外温度很低、空气湿度较小，故冷水主机负荷小、能耗少，冷冻水系统大部分时间处于部分负荷运行，整体节能率较高。6～9月时，室外温度普遍较高，冷冻水系统负荷率多为85%～95%，其稳定性和安全性应重点保障；冷凝系统具有有限的节能空间。10～11月时，室外温度降低，冷冻水系统负荷率普遍为40%～60%，有较大节能空间，其节能率回升。可见，对于整个制冷季(6～10月)来说，冷冻水系统都有一定的节能空间，可全过程通过冷冻水控制子系统的精确节能措施，来实现节能最大化。经统计,于制冷季,案例车站冷冻水泵在工频工况下的累计耗电量为130.0 kW，在变频工况下的累计耗电量为77.5 kW。可见，变频工况能节约能量52.5 kW。

2.1.3 冷却水系统节能措施原理及节能效果

案例车站冷却水系统设置了2台冷却水泵和2台冷却塔。冷却水系统的效率对整个通风空调系统影响重大[8]。在某一负荷率和温度下，通风空调系统中的主机、水泵及风机的能耗同冷却水平均温度的关系可绘成功耗-温度图(见图6)。

图6 冷却水系统功耗-温度图

由图6可知，冷水机组的能耗同冷却水泵及冷却风机的能耗成反比关系。冷却水平均温度降低，其冷水机组能耗随之降低，而冷却水泵和冷却塔风机能耗却随之增加。由总能耗曲线可见，当冷却水温度为最佳温度Tcm点时，冷水机组、冷却水泵及冷却塔风机的总能耗最低。

冷却水系统采用的冷却水节能控制单元，能实时采集冷却水系统的进出水温度、主机负荷率、冷却水泵耗电量、冷却塔耗电量和主机耗电量等数据；能根据实时的数据建立数据库，并实时计算冷却水最佳温度点Tcm；还能以Tcm作为冷却水节能控制单元的控制参数，动态调节冷冻水泵转速和冷却塔台数，从而实现冷却水系统最大化节能。

在制冷季，冷冻水泵在变频工况下的累计耗电量为163 kW，在工频工况下的累计耗电量为86 kW。可见，变频工况能节约能量77 kW。

2.2 大系统节能措施及节能效果

该地铁车站大系统设有2台组合式空调机组和2台回/排风机，均设置在车站的两端。组合式空调机组先将室外的新风和站台、站厅的回风通过混风箱进行混合；然后，将混合风经过表冷器冷却到送风状态点；最后，送风入站台及站厅。

传统定风量的大系统设计，是按最大负荷选择的，不能完全满足部分负荷的需求。而在实际运行过程中，大系统大部分时间为部分负荷(负荷率为25%～75%)运行。当实际热湿负荷小于满负荷状态时，传统定风量大系统只能通过减小送风温差来维持站内温度不变。这存在很大的能源浪费，不符合能源梯度利用原则。当站内负荷达到最大负荷时，由于设备选型会偏大，故通风空调系统为能排出多余风量，其风机有很大的能耗浪费。

为满足节能需要，大系统控制单元采用了变风量系统，其组合式空调箱风机和回/排风机均增加变频功能。大系统节能控制有通风季和制冷季两种模式。两种模式均需要满足3个条件：① 保证地铁站内温度低于30 ℃；② 满足站内人员的最小新风量；③ 站内最小换气次数大于5次。在通风季，大系统控制单元根据站内温度、CO2浓度、换气次数等参数，选择风阀模式，对送风机进行变频调节；为维持室内正压，回/排风机与送风机同步变频，以实现节能。通风季(11月～次年5月)的大系统设备耗电情况见表3。