地铁环境控制系统与节能控制系统的集成方式

张洪涛

(同方股份有限公司，100083，北京//工程师)

受设计、施工及运营维护水平的限制，地铁节能水平远未达到最佳。地铁耗电量巨大，能耗费用高昂。其中，地铁环境控制系统消耗的能源约占地铁建筑总能耗的40%～60%。在满足地铁正常运营的前提下，提高系统设备的运行效率，实现地铁环境控制系统节能运行，是城市轨道交通中节能减排的主要工作之一[2]。为此，将节能控制系统接入到地铁环境控制系统中，以地铁环境控制系统为重点进行调节和节能控制已经成为关注的焦点。

1 节能控制系统

在实际的运营过程中，地铁节能存在着诸多问题：首先，一般地铁规划需要综合考虑近期和远期的运力要求，设计和采用的设备功率应与远期的需求相匹配，故近期使用的设备会有一定裕量，其按照设计功率运行会产生电能的浪费；其次，地铁日常客流量有高峰期和低谷期，随着线网建设各线路的客流量也会发生变化，而车站中的通风空调系统运行模式较单一，设备运行效率低，故不仅能耗较高，而且地铁车站内环境的舒适度也难以保证。为了解决上述问题，引入地铁节能控制系统势在必行。地铁节能控制系统基于地铁环境控制系统的工艺设计，可实现对地铁空调系统的优化控制，进而减少系统能耗及设备损耗。其总体框架见图1。

图1 地铁节能控制系统总体框架

地铁节能控制系统各模块功能为：时间表模块根据地铁内的运营时刻表，对系统进行总体控制；数据处理模块负责采集处理各系统的传感器等测量数据，并剔除不合理的数据，其输出结果作为控制依据提供给各子系统控制模块；制冷机组模块根据输入信息，判断制冷机组控制模式，进行制冷机组启停、加卸载控制，设定制冷机组出水温度等运行参数；大系统(公共区域通风空调系统)、小系统(车站内管理机房和设备用房空调通风系统)及隧道系统的控制模块则根据输入数据和制冷机组运行情况，给出相应的控制模式。可见，节能控制系统能按照车站室内外负荷变化及车站自身特点调整各模块控制模式，能实现地铁的节能减排和高效稳定运行。而将节能控制系统集成到地铁环境控制系统中，需要从地铁的整体规划设计，地铁线路和车站的既有规模架构，技术层面等综合考虑，匹配地铁线路不同时期的运营需求。

2 节能控制系统和BAS的集成方式

地铁是通过环境与设备监控系统(BAS)对地铁站内的环境控制设备进行全面监控管理的。因此，地铁环境控制系统与节能控制系统的集成就是节能控制系统和BAS的集成。

传统BAS能实现车站设备的集中监视和分散控制，具有良好的可靠性和开放性，但在节能方面存在一定的不足：首先，BAS的控制功能较为简单，不适合通过复杂的运算推理和数据处理来实现空调机组等设备的控制；其次，车站环境是个具有多控制变量的非线性时变系统，较为复杂，不仅其隧道通风系统和冷水系统的控制变量间存在一定的耦合关系和滞后性，而且地铁的运行工况受季节和气候变化、环境温度及客流量等多个因素影响，采用静态参数的调节方式难以达到最佳控制效果。

将节能控制系统与 BAS集成则能起到较好的节能效果。节能控制系统和BAS的集成有深度集成和互连集成两种方式。

2.1 深度集成方式

2.1.1 系统架构

在地铁的规划、设计、建设和运营环节中，应当从源头引入环保理念和节能要求，将节能贯彻到地铁的全生命周期中。

深度集成方案适用于新建线路。深度集成方案将节能控制系统作为功能模块集成到BAS，其系统架构如图2所示。

图2 节能控制系统深度集成到BAS方案的系统架构

深度集成方案可在不影响BAS功能的前提下实现节能降耗。 BAS采集到的环境参数、监控设备的状态等信息，与节能相关的设备控制及模式选择等下发信息均通过节能控制系统处理，系统诊断、网络通信等BAS原有功能仍独立运行。

2.1.2 节能策略

相比原BAS粗放式的设备管理，深度集成了节能控制系统的BAS能为车站提供量身定制的节能策略，实现冷水系统、隧道通风系统、大系统和小系统中的相关设备统筹兼顾，综合考量车站当前的环境参数，给出最适合的运行模式，并且实现更加精细智能的设备控制。

车站很多单机设备的设计容量偏大，大马拉小车现象严重，正常运行负荷远大于实际工作负荷。采用变频控制能大幅降低此类不必要的能耗。节能控制系统模块能采集相应传感器数据，经过内部算法处理，输出变频设备的运行频率。其中，大系统空调根据大系统回风温度控制，小系统风机根据各个设备用房温度控制，冷冻泵则由供回水温差确定运行频率。节能控制系统还设有保护机制：当站内空气二氧化碳浓度过高时自动提高风机运行频率，以保证安全舒适的乘车环境。

传统的隧道系统多数采用时间表控制，与环境条件不匹配，持续开启轨排风机。当地下隧道环境温度较低时，传统的隧道通风系统还会将外界大量的热量抽进隧道，将隧道和车站的冷量带走，导致隧道温度更高。深度集成了节能控制系统的BAS，能将隧道温度及当前线路行车对数等参数传递给节能控制系统模块，由节能控制系统模块综合考虑相关因素，控制轨排风机实行高低档定频运行，从而实现隧道系统的节能控制。

在不降低现有地铁环境控制系统服务水平的前提下，节能控制系统模块还能优化地铁环境控制系统设备方案，优化设备运行次数和时间表，降低设备损耗，从而提升设备效率，达到变相节能的目的。比如，在冷水系统中，节能控制系统模块可根据能效和设备性能提供最优设备运行组合，优化每台冷水机负荷分配，从而实现各台冷水机组及水泵的运行时间均衡。

2.1.3 节能效果分析

以某地铁项目为例，将节能控制系统高度集成于BAS中并启用后，空调启用季节(5～9月)的地铁环境控制系统节能效果较为明显，相应的典型日节能效益如表1所示。根据表1计算可得，该项目通风空调系统共节能2 347.3 kW·h，综合节能率高达44.9%。

表1 通风空调系统典型日节能量计算

2.2 互连集成方式

互连集成方式适用于已经建成的地铁改建。互连集成方式能保证既有系统的可靠稳定运行，能在不影响原有BAS设备监控和防灾减灾功能的前提下，将节能控制系统集成到现有车站系统中，并通过信息互连实现节能。

互连集成方式将节能控制系统作为独立子系统与原BAS互连，通过接口与之交换必要的信息。在正常运行时，保留原BAS的监视功能，由节能子系统管理相关环境控制设备；在发生火灾时，把控制权限还给BAS，保证火灾模式下能正常下发执行相关指令。这样的架构既能满足既有系统正常运行的需求，又能实现地铁通风系统的节能运行。节能子系统和BAS互连集成的系统框架如图3所示。

图3 节能子系统和BAS互连集成的系统架构

2.2.1 接口改造

节能子系统和BAS要实现互连集成，需对接口进行改造。

电气接口部分要加装切换装置，以完成节能子系统和BAS的模式切换，还要加装信号分转装置，以完成共同监控设备的信号接入。设备输入信号线通过BAS控制柜以串联式连接的方式接到信号箱，之后，通过信号分转装置接到节能子系统和BAS。节能子系统和BAS可以同步对相关设备进行监视。设备控制信号通过切换装置和逻辑互锁装置，实现在BAS下和节能子系统下的控制权限切换和控制信号的下发。节能受控设备同BAS及节能子系统的信号流如图4所示。

图4 节能子系统和BAS互连的硬线监控信号流

在实际工程中，节能子系统和BAS共同监测的信号输入点可改线接入到节能控制柜，再通过继电器接回到BAS控制箱。信号分转继电器具有两路常开触点(如图5所示)，可分转设备反馈信号，从而实现节能子系统和BAS的同时监测。

图5 输入点改造图例

对于节能子系统和BAS共同监控设备，可在权限控制点加装切换装置，两路设备控制点则分别接到节能子系统和BAS，从而实现权限切换。改造后的控制点如图6所示。图6中，权限控制点切换装置由节能子系统控制，可实现节能子系统和BAS的信号互锁和模式切换，继电器触点常闭，同一时刻仅有一套系统对设备进行控制。

图6 控制点改造图例

图7 节能子系统和BAS互连集成的通信信号流

对于原BAS通过通信方式监控的设备，可增加新的通信链路，使节能子系统获得所需的监控点。如图7所示，在受控设备的接口处增加1台可编程的工业通信网关，以读取受控设备的状态及下发控制信号。节能子系统和BAS可同时通过工业通信网关读取受控设备的当前运行状态等信息；网关中的权限管理系统根据当前控制权限来判断由BAS或节能子系统下发控制信号。

2.2.2 权限控制

节能子系统与BAS互连集成时，需避免新增节能子系统的控制权限与原有控制系统发生冲突，保证环境控制系统的正常运转。节能模式下，节能子系统完全监控通风、冷源等受控设备，BAS只监不控；非节能模式下(火灾、阻塞、节能子系统故障工况下)，节能子系统自动将权限交给BAS，只监不控，由BAS发挥自身防灾减灾的功能。通过这种切换机制，节能子系统和BAS各司其职，在保证地铁安全可靠运行的前提下实现绿色节能。

2.2.3 节能策略及节能效果分析

地铁环境控制系统作为一个整体，有着“牵一发而动全身”的特点，只对单独的设备进行改造，有可能只达到局部最优，却造成总能耗升高。基于此，全面地衡量环境控制系统整体运行方式，从而做到系统级的优化。

节能子系统能自动跟踪车站的运行规律和负荷变化特点，实时调整运行模式和设备功率，在满足室内环境需求的前提下，有效降低地铁环境控制系统的运行能耗。针对不同地铁车站的环境控制特点，结合所在的地域气候、线路特点、客流量和设备选型等情况，从通风系统节能优化和冷源效率优化等方面着手，能长期维持控制过程的稳定可靠。

地铁车站的客流量和新风温度不断变化，热负荷也随之变化，需要动态调节新风机和排风机的频率。这不仅能节约一部分风机能耗，也有利于车站内环境温度的精确控制。为了避免车站复杂的环境参数带来的影响，模糊控制算法针对风机进行优化，能减小控制过程中的室温波动。另外，结合不同地铁站的建筑特点，采用多种送排风结合的模式控制，可实现通风机组的自动启停，节约能耗。

冷水系统作为一个整体，其设备彼此关联，其优化同样需要从全局考虑、综合调控，使节能总效率最优。节能子系统能优化冷水系统中设备的连锁启停控制，能在不同工况下采取更加节能高效的模式控制，还能增加冷冻泵、冷却泵等设备的变频控制，实现能效最优。冷水系统中，制冷机组是耗电大户。而制冷机组运行台数一般取决于末端冷量需求[4]。节能子系统接入冷水系统设备的监控的最大的优势在于加卸载管理：将供水温度和制冷机组的冷量同时纳入到增加或减少制冷机组运行台数的策略中，控制效果更好；加卸载过程中，同时控制多台运行机组的制冷负荷，能最快达到冷水系统的稳定状态，使供水温度波动最小；能减小电网突增的负荷，平衡冷水机组的寿命，最大限度提升节能效果。

节能子系统互连集成BAS的方式多用于既有地铁线路的节能改造，能为既有线路带来可观的节能效益。以北方某城市地铁节能改造项目为例，某站1年的节能效果如表2所示。由表2可得，原能耗为71.5万kW·h, 节能后能耗为47.6 kW·h，节能率达33%。

表2 某站节能改造后1年的节能效果

3 结语

未来的地铁节能必定会向精细化和一体化发展，节能控制也将更加精细化的管理。节能控制系统的集成方式需要在规划建设阶段，结合项目特点来进行选择。本文介绍的两种集成方式可为节能控制系统在地铁中的应用提供参考。