地铁环控大系统基于已知负荷模型的前馈控制策略讨论

2021-02-27付战莹江洪泽刘晓亮

都市快轨交通 2021年1期

林菁，付战莹，江洪泽，刘晓亮

（厦门轨道交通集团有限公司，福建厦门 363100）

城市轨道交通是公共交通领域中最为节能的交通方式之一，然而单条地铁线路的年用电量仍在1 亿kW·h以上，其中通风空调系统由于考虑到远期最大负荷，设计上存在一定的富余量[1]，所以运营时其能耗占地铁总耗能的40%～50%[2]。近年来，利用变频技术对地铁通风空调设备进行节能控制已成为主流，即通过送、回风温度调节PID 控制变频器的运行频率，实现通风空调系统变风量控制，从而在满足室内冷负荷需求的情况下达到有效节能的目的[3]。然而，环控系统PID 控制存在惰性，主要表现为输出变化速度缓慢，调节速度缓慢，控制周期较长，存在着改进空间。因此，笔者通过分析厦门地铁1 号线现有控制策略下环控大系统的能耗特点，结合客流、环境建筑特点及现场设备实际运行状态形成前馈模型，并形成基于已知负荷模型的前馈控制策略，从而提高环控系统的运行效率，实现环控大系统的节能有效运行。

1 现行地铁环控大系统控制策略

地铁地下车站的环控系统主要由车站通风空调系统及隧道通风系统组成。隧道通风系统服务于隧道区域，由区间隧道通风系统及车行区轨道排热系统组成。车站通风空调系统采用一次回风全空气系统，根据功能及服务区域不同，又分为通风空调大系统(服务于地下车站公共区)、通风空调小系统(服务于设备区)和通风空调水系统(为整套空调系统提供冷源)。这里主要讨论车站通风空调大系统，主要设备有空调箱(2 台)、回排风机(2 台)、小新风机(2 台)、电动二通阀(2 台)。

地下车站环控大系统由环境与设备监控系统(BAS)进行控制，BAS 在风、水系统的控制中采用PID控制，通过与设定的室内温湿度比较来进行风机频率、电动二通阀的开度控制，以达到设计确定的控制目标。该控制方式是在检测到现场负荷大量变化后才进行的反馈调节，调节输出速度慢，具有较大的滞后性，实际运行中难以根据实际的负荷需求合理运行冷机、水泵等环控系统设备，导致能耗偏高且设备运行不佳，存在很大的控制优化空间和较大的节能空间。

2 地下车站环控大系统负荷特点

地下车站因其特殊的建筑结构及运营规律，具有明显的已知负荷特点。地下车站环控大系统公共区的已知负荷可以大致分为新风及出入口渗漏风负荷、设备负荷、人员负荷，其中设备负荷稳定性较高，可以近似当成已知常量。所以，本研究中只进行设备负荷的基础量测试，不再进行讨论及分析。

2.1 新风负荷特点

根据李俊[4]、杨乐[5]对广州、北京、重庆地铁车站新风负荷的研究，传统设计的环控系统中新风负荷约占车站公共区负荷的10%～15%。清华大学学者的研究表明，因列车活塞效应而产生的出入口渗风量在5 000～15000 m3/h 之间，约占公共区负荷的5%[6]。江亿院士的研究也表明，地铁车站的实际新风远高于设计新风[7]。通过实际测试得出地铁站内出入口渗漏风量情况，在满足人员新风需求的前提下，对系统过量新风进行控制调节，从而降低站内新风负荷，对公共区环控系统节能具有重要意义。

为了解地铁车站的环控系统控制的新风量情况及新风需求规律，笔者在环控系统闭式运行且双排热风机处于关机条件下，对厦门地铁1 号线试点车站的通风空调大系统出入口渗漏风及屏蔽门区间隧道的渗入风量进行了测试，新风量供需对比如图1 所示。

图1 新风量供需对比Fig. 1 Comparison of supply and demand of fresh air

测试结果表明，设计中的机械新风量远高于地铁运营初期需求的人员新风量。而在环控大系统的闭式运行中，出入口的渗风量已完全满足初期站内人员新风需求。因此，本研究初步认定，在地铁运营的初期，可关闭机械新风的引入方式，以节约机械引入新风而产生的电耗。同时，根据实测结果(见图1)，出入口的渗入风量远低于新风道引入的新风量，因此环控大系统需进行制冷的新风负荷也大大降低，有效节约了系统能耗。

2.2 人员负荷特点

人员负荷是地铁公共区负荷变化的重要变量。地铁车站的客流数量呈现明显的规律性，在周一至周五的早晚高峰时达到峰值，其余时间客流数量明显降低。地铁车站客流量的规律性，使得站内人员负荷的预测控制存在可能[8]。通过对人员负荷的预测进行规律性供冷，可避免平峰期的冷量浪费。

为实现对人员负荷的前馈控制，对试点站的客流规律进行实测，如图2、图3 所示。

由数据分析可知，试点站工作日早高峰出现在7:00—9:00，晚高峰在17:00—20:00，其中日最高客流时间段为18:00—19:00。因为试点站附近有大型商场，因而节假日高峰期出现在15:00—19:00。

图2 试点站工作日客流数据趋势Fig. 2 Trend of work day passenger flow of a pilot station

图3 试点站节假日客流数据趋势Fig. 3 Trend of passenger flow of a pilot station in holidays

同时，根据《实用供热空调设计手册》[9]，车站人员的冷负荷计算如下：

式中：Q乘为乘客冷负荷；Q显为显热负荷；Q潜为潜热负荷；q显为显热；q潜为潜热；R为乘客人数，根据不同客流量取值；T停为乘客停留时间。

通过计算可得出“时间-客流-负荷”三者的关系模型，如表1 所示。

表1 “时间-客流-负荷”关系Tab. 1 “Time-passenger-load” relationship

3 节能思路与前馈控制策略探讨

3.1 基于已知负荷分析的节能思路

通过对上述新风负荷特点及人员负荷特点分析，结合修正新风负荷、客流负荷规律及设备负荷常量，对不同区段的客流人员冷负荷进行了定量测算，得出“时间-新风量-客流量-冷负荷”之间的关系模型，如表2所示。以该模型为基础，换算出对应的恒定送风温度下的风机送风频率，分时间段控制空调箱风机送风频率变化，从而实现在已知负荷模型下的前馈控制。根据负荷变化规律，对不同时间段的冷负荷进行预判及定时定量输出，解决了制冷量过大及制冷滞后的问题。

表2 “时间-客流/新风-冷负荷”约束关系Tab. 2 “time-passenger flow / fresh air cooling-load”constraints

3.2 车站公共区新风量控制策略

上述站内实际新风量与需求实测结果表明，厦门地铁在初期运行期间，站内高峰期出入口的渗漏风量已满足室内新风量需求。因此，新风控制调节只与公共区CO2浓度有关，建议通过调节组合空调箱以及回排风机频率进行新风量控制。

清华大学的实测数据[10]表明，在环控系统闭式运行的情况下，车站公共区的机械风量存在如下关系：当回排风机风量大于送风量时(可通过提高回排风机的运行频率，降低组合空调箱的运行频率)，回排风量等于送风量与出入口渗漏风量、区间隧道渗入风量的总和。因出入口新风引入的品质与新风井引入的新风品质并无太大差别，在公共区CO2浓度高于目标上限值时，采用风机联控调节方式，从出入口引入新风，减少机械送风的风机电耗。当公共区CO2浓度不高于目标上限值时，不进行新风的主动引入，环控系统保持闭式运行。当公共区CO2浓度高于目标上限值时，根据其浓度启动组合空调箱及回排风机，通过风机联动引入新风，根据15 min 一次反馈进行调节，具体控制逻辑如图4 所示，调节参数的取值范围如表3 所示。

图4 新风控制策略逻辑Fig. 4 logic diagram of fresh air control strategy

表3 新风调节使用参数Tab. 3 Operating parameters of fresh air regulation

3.3 基于已知负荷的前馈控制策略

为实现前馈控制，通过采集闸机数据，可预估出每日不同时间段的客流量，并得出人员负荷的需求量。根据人员负荷，结合实际运行的新风负荷修正及原始设备负荷数据，得出公共区环控系统冷负荷与时间之间的规律。通过BAS 反馈，调节组合空调箱冷冻水电动二通阀开度，实现公共区送风温度在可控范围内不变。然后，将模型导入前馈控制器，根据不同时间执行相应冷负荷的风机调节频率，从而实现已知负荷前馈控制。在不同时间段输出负荷后，如温度出现3℃以上偏差再进行反馈控制，具体逻辑如图5、图6 所示。