南宁地铁1号线通风空调系统风水联动节能控制技术应用研究

南宁轨道交通集团有限责任公司 李 军 周 航贵州汇通华城股份有限公司 杨 欣南宁轨道交通集团有限责任公司 王 旭

0 引言

地铁作为城市公共交通的大动脉，对国民经济发展起着重要的促进作用，同时也是耗电大户。南宁地铁1号线共设地下车站25座，各站点通风空调系统由大系统、小系统和水系统构成，其中通风空调系统电耗约占总用电量的40%～50%，是车站的主要耗能设备，因此，通风空调系统的节能显得尤为重要。在工程设计时，通风空调系统的设备容量一般按地铁运行远期最大负荷确定，并预留一定的设计余量[1-2]。然而，通过对南宁地铁站点负荷的分析发现，在设备实际运行过程中，空调负荷往往达不到最大负荷，甚至会小很多，存在较大的富余量。若地铁通风空调系统按设计容量长期运行，势必会造成很大的能源浪费。

南宁地铁1号线车站的通风空调系统原设计没有采用先进的节能控制技术，其水系统完全采用工频模式运行，大系统虽然安装了变频设备，但也仅仅根据操作人员的经验对设备的运行频率进行手动设置。本文以南宁地铁1号线麻村站的通风空调系统为研究对象，对其水系统和大系统的控制方案进行研究分析，采取行之有效的风系统与水系统协调控制策略，在保障地铁环境质量的同时，有效降低了地铁车站空调通风系统的运行能耗。对节能效果进行了总结分析，供已运营地铁车站通风空调系统的节能改造及新线建设参考。

1 通风空调系统耗能现状分析

以南宁地铁1号线麻村站通风空调系统为研究对象，对其水系统和大系统的协调控制技术进行应用研究。该站空调水系统和大系统中主要受控设备参数如表1所示。

表1 南宁地铁1号线麻村站受控设备参数

南宁市空调系统运行时间通常为5—11月。根据对南宁地铁1号线麻村站2019年运行电量记录数据进行统计分析，各主要通风空调设备运行耗电量统计结果如表2所示。

表2 空调季节通风空调系统各设备2019年运行能耗 kW·h

2) 节能改造前1#冷水机组存在一定的问题，导致2#冷水机组的运行时间相对较长，因此表中“环控三级负荷2设备”的实测总能耗远大于“环控三级负荷1设备”的实测总能耗。

3) 由于节能改造前大系统没有独立的计量电表，因此表中大系统的能耗数据为推算而来，其值等于环控二级负荷A端(或B端)设备的实测能耗减去A端(或B端)小系统的计算能耗；由于小系统没有变频，且在空调季每天24 h不间断运行，为确保推算结果的准确性，小系统能耗为每台设备的实测瞬时功耗与月运行总时间的乘积。

4) 节能改造前，大系统已安装变频器，但变频器频率无法自动调节，仅由操作人员手动设置,因此推算所得大系统能耗与按额定功率计算的理论能耗间存在一定偏差。

根据表2统计结果，南宁地铁1号线麻村站通风空调大系统及水系统空调季运行耗电量约为81万kW·h/a。

南宁地铁1号线开通运行仅3年左右时间，若通风空调系统无法根据负荷需求实时调节控制，必然造成极大的能源浪费。按照南宁市地铁网络规划，目前南宁地铁已运营车站有79座，远期将达到200座左右，且已运营通风空调系统大部分都没有采用先进的节能控制技术，因此，如何引入高效的节能控制技术与设备，降低通风空调系统的能耗，减少运营成本是南宁地铁节能工作亟待解决的问题。

2 系统控制原理

风水联动技术以对地铁站内通风空调水系统和大系统设备的自动化控制及管理为手段，将智能控制技术、系统集成技术、计算机技术、网络通讯技术、数据库技术和变频调速技术集合应用于地铁站点的环境控制和能源管理中，实现通风空调设备的高效运行，系统自动化程度高，可实现全系统无人值守、一键操作、全系统运行工艺参数的存储与分析、系统能效的分析评价等，控制效果稳定，实现了风系统与水系统的共同节能，能创造出较好的节能效益。

2.1 全日逐时负荷预测

对于地铁车站，其负荷主要分为两类：内部负荷与外部负荷。其中，外部负荷主要受室外气候变化所影响，而内部负荷主要受设备发热和人体散热所影响。对于一个已建成的地铁车站，其主要设备的发热量基本固定，因此引起内部负荷变化的主要因素为客流量的变化。因此，可以根据系统历史负荷情况及室外环境温度的变化趋势，对当前的全日逐时负荷进行预测，为系统的开机、加减机策略及基于负荷预测的控制策略提供数据支撑，在水系统冷量供给与末端负荷需求间进行协调联动，即通过对系统末端负荷的预测分析来决定冷水机房需制备并向末端输送的冷量，使其与末端的需求实时匹配，避免过度制冷带来的能源浪费。

2.2 冷水机组出水温度动态调节控制

对于冷水机组的出水温度，常见为7 ℃的固定出水温度控制，或由操作人员根据当前末端的温度按经验手动调整以降低冷水机组的能耗。该控制方法自控能力差，控制效果有限。在末端除湿(潜热负荷、湿负荷)需求减少时，在满足末端显热负荷需求的前提下，提高冷水机组的出水温度，从而提高冷水机组的运行效率，可以降低空调系统中高能耗设备(冷水机组)的运行能耗；在末端除湿需求增大时，降低冷水机组的出水温度，满足末端环境的舒适性需求，从而实现末端空调箱表冷器换热特性与冷水机组出口温度再设定间的协调联动，可以降低系统的总体能耗。

2.3 基于负荷预测的冷水控制

地铁空调负荷具有多变性。在部分负荷时，冷水系统常常在大流量、小温差状态下运行，造成冷水泵输送能耗的浪费。因此，根据负荷的变化动态调节冷水系统流量，对降低空调系统能耗具有十分重要的意义。

控制系统通过负荷预测确定空调末端的总负荷需求后，便可知道冷源站需要向末端输配的冷量，再根据冷水机组的当前出水温度及系统当前最佳温差，即可得到满足末端负荷需求的冷水流量。结合系统循环周期，以该预期流量为控制目标调节冷水泵的频率，使实际流量趋近于预期流量，便可提高冷水泵的输送系数，降低冷水泵的输送能耗。

2.4 基于系统效率最佳的冷却水系统控制

目前常见的冷却水调节方法为固定温差或固定冷却水出水温度控制，该控制方法仅考虑了冷却水泵或冷却塔的能耗，控制不当反而会使冷水机组的能耗上升。主机效率与冷却水温度相关，在一定范围内降低冷却水温度，有利于提高主机效率、减少主机能耗，但降低冷却水温度，将导致冷却水泵和冷却塔的能耗升高。因此，必须将主机能耗、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗三者统一考虑[2]。

在制冷环节中，在不同负荷率、不同室外湿球温度下，均存在一个最佳的两器(冷凝器、蒸发器)温差，使得系统中冷水机组、冷却水泵及冷却塔的综合能耗最低。而两器温差受室外环境湿球温度及冷却水供回水温差影响。该项目通过自动漫步寻优控制，通过系统自我学习进化，自动寻找系统综合能耗最低条件下的冷却塔最佳出水温度(即逼近温度)、冷却水的最佳供回水温差(即冷幅)，来实现对冷却水泵频率及冷却塔风机频率的控制，保证整个制冷系统的能耗最低。

2.5 公共区空调风机控制

根据公共区实际负荷及动态计算所得系统循环周期，对末端空调箱风机及回排风机的频率进行动态调节，使公共区温度接近标准规定的值，避免公共区温度过低带来的能源费用的不必要增加。

通过对新风比焓和回风比焓的对比分析，在满足公共区CO2浓度不超标的情况下，以充分利用低比焓空气为原则，对新风阀、回风阀、排风阀进行有效控制，降低对冷源的消耗。

2.6 冷水机组能效在线分析

通过对冷水机组安装能效分析装置，采集并计算主机冷水进/出口温度、冷却水进/出口温度、冷水流量、机组实时功率、耗电量及制冷量等运行参数，并对冷水机组的能效进行实时计算分析，最终生成实际运行工况下冷水机组的能效分布表，从而可以确定在任何一种工况下开哪一台冷水机组更节能，在多大的负荷率下进行加机(或减机)更节能，为系统开关机、增减机提供数据支撑。

2.7 表冷器水阀的控制

大系统表冷器水阀根据空调箱送风温度进行调节，调节目标为使空调箱实际送风温度趋近于设定值；而对于小系统，由于受现场条件制约，柜式空调机组及回、排风机均未加装变频设备，因此对其表冷器水阀根据回风温度进行控制，最终由系统按照尽量降低管路阻力的原则进行全局动态水力调节，以降低冷水的运载能耗。

1) 若空调末端所有表冷器水阀均未开到最大，且所有水阀开度相同，则将所有水阀全开，降低管路阻力，从而降低冷水泵频率。

2) 若空调末端所有表冷器水阀均未开到最大，且水阀开度不同，则将其中开度最大的水阀全开，降低管路阻力，从而降低冷水泵频率。

3) 若空调末端已有表冷器水阀开到最大，则不进行“修正”。

2.8 新风量控制

由于小新风机功率较小，未进行变频改造，因此在空调季仅采用了模式控制，即通过对公共区二氧化碳浓度、新风比焓及回风比焓的比较计算，自动使系统工作于最小新风模式或全新风模式，以降低高比焓新风带来的能源浪费。

1) 当站内二氧化碳体积分数大于1 200×10-6或室外新风比焓小于回风比焓时，直接启用全新风模式，打开全新风阀，关闭小新风机及小新风阀。

2) 当站内二氧化碳体积分数小于1 200×10-6，且新风比焓大于回风比焓时，启用最小新风模式，关闭全新风阀，开启小新风机及小新风阀，降低室外高比焓新风带来的冷源消耗。

从实际运行效果来看，测试期间基本运行在最小新风工况，且公共区的二氧化碳体积分数基本在650×10-6以下，即使在早晚高峰期，二氧化碳体积分数也未超过650×10-6。

3 应用效果分析

试验车站通风空调系统改造后可运行在非节能模式和节能模式，为确保数据具有可对比性，进行了为期6 d的节能对比测试，非节能模式和节能模式各运行3 d。测试期间各天实际运行模式如表3所示。

表3 空调季通风空调系统测试模式

由于2020年9月8日至9月9日2 d夜间车站进行停电检修，故这2 d各采集08：00—22：00共14 h运行数据进行对比。其余各模式下每天采集24 h数据进行对比。

现场试验发现，测试期间各天站内的实际热负荷受客流量变化的影响较小，站内热负荷主要来源于混风室新风的补给与车站出入口的漏风所带入的外界热负荷，测试期间室外湿球温度分布如图1所示。

图1 测试期间室外湿球温度分布

由图1可见，第5天(节能模式)与第6天(非节能模式)近似，第3天(节能模式)与第2天(非节能模式)近似，第1天(节能模式)与第4天(非节能模式)近似，因此按室外湿球温度近似原则分为3组数据进行对比分析，以提高分析结果的可信度，分组情况如表4所示。

表4 系统节能测试对比分组

节能改造方案对大系统及水系统的每台设备均安装了电能表，用于计量各设备的能耗，并为节能优化算法提供数据支持，测试期间记录的各类设备的能耗数据及系统制冷量如表5所示。

表5 各类设备的能耗数据及系统制冷量 kW·h

通过对2种工况下为期6 d的多组测试数据进行综合处理，各控制模式的节能对比如表6所示，能效对比如表7所示。

表6 各控制模式的能耗及节能率对比

由表7可见，在室外环境温度相近的情况下，节能模式下的制冷量小于非节能模式下的制冷量，这是由于在节能模式下，冷水机组采用了变出水温度控制，在确保站内环境满足要求的情况下，系统会根据实际需求提高冷水机组的出水温度，从而避免过度除湿带来的冷量消耗，为系统提供了更大的节能空间，并进一步提高了冷水机组及系统的效率。

表7 各控制模式的能效对比

由表6可见，通过对比测试，系统综合节能率可达到42.8%，可大幅度降低运营成本，从而赢得较好的投资回报。由表7可见，采用风水联动节能措施后，相对于非节能模式，冷水机房能效提升了22.9%，通风空调系统综合能效比提升了30%，系统运行能效得到了大幅提升。

4 对小系统的影响分析

对于南宁地铁1号线麻村站，冷源供冷范围包含大系统和小系统。由于改造受现场条件的制约，小系统柜式空调机组及回、排风机均未加装变频设备，因此小系统无法进行变风量调节，风水联动系统仅通过调节表冷器水阀来控制小系统的环境质量。小系统控制效果如图2所示。

图2 小系统控制效果

由于小系统表冷器水阀采用的是回风温度控制，而非送风温度控制，存在较大的惰性，因此在系统调试时，对水阀开度进行了下限锁定，以降低由于系统的大惰性特性带来的调节不稳定性，避免引起温度的过大波动，但从图2来看，即使在节能模式下，部分房间的温度仍远低于设计温度27 ℃。

因此，在条件允许的情况下，若将小系统风机也加装变频装置，纳入自动调节，还可进一步挖掘节能潜力，另外，该项目阀门开度下限及调节参数的设定也还有进一步优化的空间。

5 结论

1) 车站通风空调系统风水联动控制技术的实现，有效解决了地铁车站通风空调系统这种复杂、非线性、时变性、难以用传统理论建模的系统的控制问题。

2) 车站风水联动控制体现了集中管理、分散控制的理念，实现了动态跟踪、在线调节、智能推理等功能，可根据环境及负荷的变化快速择优选择系统的运行参数，确保车站通风空调系统高效运行。

3) 节能模式与非节能模式应用效果的对比测试表明，风水联动控制技术的节能效果较好，可大幅度降低运营成本，且系统能效得到了大幅提升。

4) 该控制系统运行稳定、可靠、节能效果良好。同时，该项技术的成功应用，为地铁车站通风空调系统的节能控制模式提供了可行、可靠的技术支撑。