十号线空调大系统控制策略优化节能改造研究成果报告

严豪

摘要：南京地铁十号线线路全长21.6km，共设站14座（其中新建车站10座;既有车站4座），于2014年7月正式投入运营，自动化专业在接管BAS系统的这段时间内对环境监控系统设计理念与控制思路进行了深入的研究与探索。专业技术人员在对全线（新站）空调大系统的控制策略深入理解并结合现场实际情况调查后发现原有的环境控制逻辑并未切实考虑到现场的实际情况，逻辑控制的程序化造成了现场诸多问题，主要表现在以下方面。

关键词：南京地铁;空调大系统控制;节能改造

一、问题分析

冬季：BAS根据设计模式自动执行通风工况，此时即使车站温度很低的情况下空调风机和回排风机依然同时运行，站内与站外窜风严重，使得车站温度变得更低，甚至会冻坏水管。

空调季：制冷量不能根据站内实际温湿度情况实现闭环控制，使得车站温度过低，从而导致人体感觉冷、站台门玻璃结雾、通风管道外壁与出风口冷凝水严重、电能浪费严重。

针对上述问题我们对空调大系统的控制策略进行了自主创新改造从而提高车站环境的舒适度，达到节约能耗和降低设备维护成本等方面的目的。

二、基础条件

十号线每站空调大系统区域各有两台大空调风机（KT）和大回排风机（HPF），通过通风管道连接到站厅站台区域，实现站厅、站台的通风和空调功能。四台风机在正常情况下开机运行需要满足两个条件：1、系统处于自动状态2、在运营时间段内（5：30—0：30）。因此，即使在不同的季节，只要满足这两个条件，风机便会以18—40HZ频率运行。站厅站台温度调节的依据是回风口的温度，PLC以此调节风机的频率对站厅站台的送风量进行控制，从而控制车站温度。某些时段即便站厅站台的温度很低了，风机最低还是会以18Hz持续运行。

冷水系统作为全站的制冷源，在空调季运营时段保持冷冻水温度维持在7-12度，冷站负荷调整的依据是冷冻水的回水温度，如果车站温度过高，冷冻水温度也会升高，于是冷站便会提高制冷量，当车站温度低于临界值，冷站便会降低负载直至待机，然而现实情况是即使车站温度很低了，冷冻水温度很难达到冷站待机的阈值。

根据温、湿度传感器显示，每年5-10月空调季里站厅站台的温度在相当长的时间里都不超过27度，体感甚至偏冷，而风机与冷站依然会按照上述原则继续制冷，导致车站维持在一个过低的温度，制冷量被大量的浪费，只有在最热的七、八两月站厅站台的温度才会超过28度，此时冷水机组和大系统风机负荷才会有比较明显的提升。

因此，我们提出：

空调季里，一方面新增大系统冷冻水阀自动调节功能，通过改变冷水的供给量来调节风机的制冷量，减少冷站不必要的制冷量;另一方面在KT和HPF风机的启停依据中加入温、湿度判断条件，避免风机一直持续运行。通过冷水量与风量的联动控制扩大原有温度控制区域，维持车站舒适度，降低设备负荷，延长其使用寿命。

春季和秋季，不再同时开启KT和HPF风机，而是采取只排不送或只送不排的模式。

冬季，也加入温湿度判断，车站温度和湿度相对较低的情况下，KT和HPF风机就不再开启，车站依靠出入口的自然对流进行通风。

三、技术方法

第一、对原始BAS系统PLC程序的进行整理，确保对系统的改造不影响其它设备、不影响手动控制、不影响事故模式等功能。

第二、打破南京地铁以往空调大系统只调风不调水的固有模式，开创性的加入冷水水量控制，构建一个风、水联调的双闭环自动控制系统。

具体实施步骤如下：

1. 对源程序进行分解。对原先KT和HPF共用程序进行剥离，实现两种风机的独立控制。

2. 在程序中加入季节判断，分别設置出了春夏过渡季、空调季、秋冬过渡季、冬季等四个不同的时段，从而实现不同季节采用不同的控制策略。

3. 在空调季，采用风水联调的双闭环控制策略。

⑴.HPF风机每日按时间表开启，保证站内空气质量。

⑵.站内温度高于27度，HPF风机频率提高，最高至40HZ。当温度低于27度，HPF风机频率降低，最低至18HZ。

⑶.站内湿度高于85%，KT风机运行。当湿度低于80%且温度低于24.7时，KT风机停机。

⑷.站内温度高于25度时，KT风机运行。温度低于24.7度且湿度低于80%时，KT风机停机

⑸.对风机频率和冷冻水出水温度进行调整。在保证风机性能要求的前提下将个别站的风机频率下限下调至16HZ，将个别站的频率下限上调至20HZ，以分别适应各站的需要。将冷冻水温度设定值从7度上调到12度。

⑹.在风量闭环控制的基础上添加水量的闭环控制，在PLC程序中增加了两个PID指令，分别对车站两端空调表冷器的电动水阀进行控制。根据车站温度的反馈值与设定值之间的偏差，自动加减水阀开度（30%-100%），从而更有效的控制KT风机的出风温度。当站内温度低于26.5度时，水阀自动减小开度，最低30%。当站内温度高于30%时，水阀自动加大开度，最大100%，最终达到控制车站温度的目的。

4. 在春夏过渡季，修改程序实现风机只排不送。

5. 在秋冬过渡季，修改程序实现风机只送不排。

6. 在冬季，正常情况下风机都不开，执行自然通风模式。若温度、湿度有一项超阈值，相应风机自动开启。

7. 算法上的优化。对温度的采样周期、温度值的数据计算方法、上下限的回差设置等进行优化，避免现场温度扰动对系统稳定性造成影响，减少了风机启停频率。

四、实施过程

在充分的研究和论证下，我们从四月份起对程序进行模拟功能试验。五月初，将江心洲和绿博园站作为试点进行实际测试。五月中旬，我们对全部10个新站的空调大系统进行了优化。经过近半年的跟踪完善，目前各站PLC和空调通风系统运行良好，手动和事故功能正常，节能效果显著，凝露滴水等顽疾得到根治。

五、项目效益

经现场实测，改造前十号线全线10个新站20台KT风机总功率为54.7千瓦，年耗电量为379345千瓦时。20台HPF风机总功率为23.2千瓦，年耗电量为160892千瓦时，合计540237千瓦时。在新的控制策略下，KT风机冬季基本不会再运行。11月运行30天，空调季约运行135天。故全年约200天可以停运，可节电207860千瓦时。HPF风机11月停运30天，全年节电13224千瓦时。KT和HPF机全年共节电221084千瓦时，能耗下降40.9%。

经现场抄表所得数据显示，十号线10个新站的冷水机组在2014至2017年的四个空调季平均能耗为3130540千瓦时。2018年空调季能耗为2388885千瓦时，比改造前节能741660千瓦时，能耗下降23.7%。其中冷机节能618250千瓦时，下降31.5%;水泵节能110280千瓦时，下降10%;冷却塔风机节能13120千瓦时，下降19.6%。

2018年空调风机和冷水机组共节能96.3万千瓦时。考虑到程序和参数在空调季的部分时间里还处于不断的改进和优化、现场设备还存在个别缺陷等因素，所以本次创新改造的效果并没有完全体现出来。受条件限制现场设备问题将在接下来的非空调季得到解决，下一个空调季时程序和参数也无需再做大的变动，我们预计今后每年将节能110万至120万千瓦时之间。

六、项目评价

十號线空调大系统控制策略的节能优化改造只对软件程序进行调整优化，没有添加新的硬件设备，无任何改造费用。我们通过对PLC、变频器等智能设备程序的更改以及现场设备参数的调整，实现了空调季车站温度的自动控制。本次改造不仅节约了大量能源，而且解决了夏季风管凝露滴水、站台门玻璃起雾、冬季车站窜冷风等多项问题，还降低了部分设备的故障率和维修成本，延长了设备的使用寿命。

七、结语

感谢机电分公司领导对本次节能改造项目的大力支持，感谢十号线自动化与风水电专业的技术支持和全力配合！为了巩固和扩大本次节能改造的成果，我们还会在今后对十号线空调大系统的使用情况进行跟踪和优化。并且我们会以此为模版，将节能优化创新项目拓展到各线的空调大系统、空调小系统、通风系统等领域，争取为公司创造更大的经济效益。

（作者单位：南京地铁运营有限责任公司机电分公司）