城市轨道交通智能环控设备监控系统节能控制策略研究

孙小通，刘琼蓉

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

车站环境的舒适度和设备运行状况与车站的温湿度密切相关，智能环控设备监控系统根据不同需求通过控制通风空调系统实现车站不同区域的温湿度要求。根据相关统计数据显示，通风空调系统是城市轨道交通系统中主要的“能耗大户”，其运行能耗与车站总能耗的占比可达到30%~50%[1]。因此探讨城市轨道交通通风空调系统节能控制策略具有重要的经济效益和社会效益。目前智能环控设备监控系统采用自动模式控制，从而同时兼顾系统能效指标与系统稳定运行，并采用风水联动节能控制技术，将空调水系统,通风大、小系统等环控系统结合起来，进行综合节能控制。因此智能环控设备监控系统节能控制的关键技术在于空调水系统节能控制和通风系统节能控制2大部分。

1 概述

智能环控设备监控系统的监控内容分为节能部分和非节能部分。节能部分的设备包括空调冷源系统设备（冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、电动阀门和变送器等）、大系统变频设备及联动风阀、大系统（含出入口）所有传感设备、小系统变频空调器及其联动风阀、小系统风管传感设备和空调冷源系统所有传感设备等[2]。除节能设备以外的其他通风空调设备、给排水设备、消防电源均纳入非节能控制模块。

智能环控设备监控系统采用分层分布式架构，在车站控制室端的环控电控室内设置一套冗余的PLC控制器，在另一端设置分布式I/O。BAS系统的主干网络是光纤自愈环网以太网，智能环控设备监控系统是环网以太网的重要一环，其网络架构如图1所示。通过对系统架构和接口的整合优化，强弱电一体化，与综合监控直连，从而减少外部接口。智能环控设备监控系统不独立构建全线网络，其冗余控制器通过4个以太网接口与综合监控系统交换机连接，实现与综合监控系统的集成，从而利用其组建全线监控网络[3]。智能环控设备监控系统以冷水机房综合能效比、空调系统综合能效比等多项指标均作为节能控制目标。

图1 智能环控设备监控系统的网络架构

2 节能考核目标

采用水冷系统总冷量不超过2 326 kW的车站和集中冷站的制冷机房全年平均综合制冷性能系数（COP）不应低于5.0，总冷量大于2 326 kW的车站制冷机房全年制冷性能系数（COP）不应低于5.2，车站空调全系统COP值不低于3.5。

3 空调水系统节能控制策略

智能环控设备监控系统空调水系统模式由节能模块内部下发，节能模块内置节能控制策略，节能控制系统根据末端冷负荷大小自动调节空调水系统运行模式。空调水系统节能控制策略可以从冷水机组控制、冷冻泵控制、冷却水系统控制和压差旁通装置控制4个方面开展。

3.1 冷水机组节能控制策略

因空调大小系统共用一个冷冻机房，大系统和小系统使用冷水时，冷水机组均需开启。根据系统负荷的匹配性，充分分析通风系统负荷数据，通过负荷均分控制保证冷水机组在全工况下的高效运转。根据冷水机组的不同负荷工作状态，采取与之匹配的控制方案，提高节能效率。冷水机组处于高负荷运行状态下时，优先采用冷凝温度控制；处于低负荷运行状态下时，优先采用定温差控制。充分利用不同时间段温度差异的特点，采取相应的冷却水供回水温差，保持冷水机房SCOP在最高点运行。

变频冷水机组的调节区间为30%~100%，冷水机房负荷率调节区间为15%~100%，当夜间负荷低于冷水机房总负荷的15%时，智能环控系统自动启动超低负荷水蓄冷模式运行，采用冷冻泵单独运行，优先消耗冷冻水管路余冷的方式，再开启冷水机组、冷却泵及冷却塔的方式，从而提高空调水系统在超低负荷下的运行效率。

以水冷式冷水机组为例，通过机房COP值的寻优实现水冷式冷水机组的高效运行，计算公式如下

同时尚应计算并显示水系统SCOP值、全系统COP值和主机COP值，计算公式如下

3.2 冷冻泵节能控制策略

利用冷冻水总供水管道和总出水管道的温度变送器和压力变送器采集冷冻水供回水温度，并计算出温差，为保证冷冻水供回水温差维持在预设的温差值，可以使用PID或其他智能算法来调节冷冻水泵的运行频率。当实际供回水温差高于目标值时，则提高冷冻水泵运行频率，增大水流量；当供回水温差低于目标值时，则降低冷冻水泵运行频率，减小水流量。同时智能环控设备监控系统实时监测各末端的供回水压差，如果末端最小供回水压差不够则优先提高冷冻水泵的运行频率。采用定温差和最小压差保护相结合的控制策略，从而实现对冷冻水泵运行频率的自动调节，使冷冻水系统运行在按需供应的最优状态，即大温差、小流量的工作状态。

3.3 冷却水系统节能控制策略

冷却水系统的主要功能是实现车站冷却循环。冷却水泵充分结合冷水机组的运行负荷状态和控制策略，采用变流量控制方式。根据冷却水变流量与冷冻机房COP的关系曲线，判断出任意冷水机组运行负荷状态下，冷却水流量的最优解，从而调整冷却水泵的运行频率，实现冷却水泵的变流量控制。同时在室外湿球温度较低和较高的时间段，采用不同的供回水温差控制，从而有效减少冷却水泵的电能消耗。

当冷却塔对应的进、出水蝶阀均开启时，冷却塔风机可启动自动运行模式。设定一个湿球温度逼近度，当实际湿球温度逼近度大于设定值时，冷却塔风机提高运行频率；当实际湿球温度逼近度小于设定值时，冷却塔风机降低运行频率。在这种控制策略下，可以实现在冷水机组正常运行的情况下，冷却水进水温度逼近室外湿球温度，从而有效提高冷水机组的COP值和运行效率，提高节能效率。

对冷却塔、冷却水泵变频，应通过机房COP值的寻优，保证冷水机组的高效运行，实现机房COP值最高，计算公式如下

3.4 压差旁通阀控制策略

压差旁通阀的自身具备压差控制开度的功能。智能环控设备监控系统利用总管冷冻水供回水压差设定冷冻水泵调节和压差旁通阀调节的优先级。若冷冻水供回水压差低于设定值时，智能环控设备监控系统关闭压差旁通阀，再提高冷冻水泵运行频率。当冷冻水供回水压差高于设定值时，则智能环控设备监控系统减小冷冻水泵运行频率，再增加压差旁通阀开度。同时冷冻水流量不满足单台冷水机组额定流量的50%时，智能环控设备监控系统自动启动压差旁通阀，从而保证冷水机组的最小流量。

4 通风系统节能控制策略

车站运营时间内空调大小系统主要有3种运行模式：空调季节小新风模式、空调季节全新风模式、非空调季节通风模式。一般情况下，车站空调大小系统运行模式由综合监控系统时间表定时下发，综合监控系统时间表由环调系统写入。

4.1 空调大系统节能控制策略

4.1.1 空调大系统风机模式控制策略

空调系统的运行模式由智能环控设备监控系统的节能策略来实现自动切换。优化季节工况模式判断，系统存储之前一天的室外焓值及温度，并实时采集当天的焓值及温度，高效机房节能控制系统根据存储的历史数据与当前采集的数据进行分析，并预测当天的焓值及温度变化趋势，估算出当天的室外平均焓值及温度。通过室外焓值与大系统回风焓值，智能环控设备监控系统从上述3种模式之中选择最优模式，并将该模式号发送给非节能模块，由非节能模块将该模式下的风阀执行到位（要求开启的风阀开启，要求关闭的风阀关闭），执行成功后将该模式下的执行结果发送到节能模块，节能模块接收到相应的结果后再开启大系统风机、大系统组合式空调机组和大系统风机连锁风阀等设备。

4.1.2 空调大系统风机频率控制策略

空调大系统中的组合式空调器、小新风机和回排风机的运行频率均在25~50 Hz之间。通过PID和滑模控制等智能控制实现风机频率的精确调节。

在空调季节小新风模式下，站内回风温度等于目标温度是空调大系统控制的调节目标。当站内实际回风温度大于目标值时，则提高变频空调器的运行频率，增大风量；当站内实际回风温度小于目标值时，则降低变频空调器的运行频率，减小风量。

在空调季节全新风模式下，平均温度等于目标温度是空调大系统控制的调节目标。当站内实际平均温度大于目标值时，则提高变频空调器的运行频率，增大风量；当站内实际平均温度小于目标值时，则降低变频空调器的运行频率，减小风量。

在非空调季节通风模式下，当12℃小于等于室外温度小于等于送风温度时，组合式空调器频率的调节目标是站内平均温度等于目标温度。当站内平均温度大于设定值时，则提高组合式空调器的运行频率；当站内平均温度小于设定值时，则降低组合式空调器的运行频率。当室外温度小于12℃时，按照车站内外温度差小于等于13℃，且运行频率大于等于25 Hz的状态，调节组合式空调器的运行频率维持最小风量运行。

在空调季节小新风模式下，通过公共区CO2浓度值对小新风机运行频率进行调节。当公共区CO2浓度值在1 000~1 200 ppm之间时，小新风机的运行频率调节至50 Hz；当公共区CO2浓度值在800~1 000 ppm之间时，小新风机运行频率调节至37.5 Hz；当CO2浓度低于800 ppm时，小新风机运行频率可调节至25 Hz。根据通风系统风量平衡公式求出回排风机风量，即：回排风机风量=组合空调器送风量-小新风机风量，从而推导出回排风机所需工作频率。

以某城市地铁车站组空114 000 m3/h@1 000 Pa为例，大系统风机分别在转速为80%、60%和50%的情况下，大系统风机功率的测试结果对比见表1。

表1 大系统风机在转速分别为80%、60%和50%下功率表

从上表可以得出降低转速运行比减少台数运行，更为节能。

4.2 空调小系统风机频率控制策略

小新风、全新风模式下智能环控设备监控系统根据小系统AHU的回风温度控制二通调节阀的开度，当二通调节阀开度小于该AHU的变风量允许开度，系统优先降低变风量小系统空调EC风机转速。当二通调节阀开度大于该AHU的变风量允许开度，系统优先升高变风量小系统空调EC风机转速。节能模块根据每台变风量小系统空调的特点设置EC风机转速下限，确保变风量小系统空调的最低风量需求。

通风模式下，小系统空调频率根据室外温度采用不同的风量定风量运行。回排风机根据风量平衡调节，确保送风量=回风量+新风量。

智能环控设备监控系统根据串级控制调节小系统送风机频率，系统负荷升高时，优先调节二通阀开度，二通阀开度达到最大后，再调节小系统送风机频率。系统负荷降低时，优先调节小系统送风机频率，小系统送风机频率达到最低，再调节二通阀开度。

5 智能运维

智能环控设备监控系统可对冷水机房各设备运行参数进行分析，如电流不平衡度、实际COP与理论COP比值（健康指数）及冷水机组端差等进行分析，可对故障进行提前预判。

智能环控设备监控系统实时计算冷却塔逼近度，并根据当前工况下冷却塔逼近度与设定逼近度的差值判断冷却塔换热性能是否良好。

智能环控设备监控系统根据冷却塔当前频率下的功率与理论计算功率的差值判断冷却塔风机皮带是否松动。如功率偏差连续超过设定占比，则系统会提醒运营人员及时检查冷却塔风机皮带。

智能环控设备监控系统利用冷水机组制冷剂温度压力数学模型模拟出冷凝器换热温差的近似值，如果冷水机组的冷凝器换热温差超过设定值，系统会提醒运营人员及时检查冷水机组冷凝器是否脏堵。

6 能耗分析

表2为某城市地铁车站智能环控设备监控系统改造后的指标参数表。此站采用2台制冷量为589 kW的冷水机组，系统供回水温按5℃温差设计，设置2台冷冻水泵（变频）、2台冷却水泵（变频）和2台冷却塔（变频）。

表2 某城市地铁车站智能环控设备监控系统改造后的指标参数表

从表中运行能耗计算可以看出，在空调水系统节能控制策略和通风系统节能控制策略的控制调节下，采用水冷系统总冷量不超过2 326 kW的车站和集中冷站的制冷机房全年平均综合制冷性能系数（COP）为5.07，大于目标值5.0，车站空调全系统COP值为4.55，大于目标值3.5。上述性能系数满足节能考核目标。

7 结束语

本文对智能环控设备监控系统的系统架构作了清晰描述，并对节能控制策略作了详细介绍。通过空调水系统节能控制策略和通风系统节能控制策略的实施，智能环控设备监控系统可实现较高的能效指标，车站的SCOP和COP全年综合值达到有效节能指标。今后可基于大数据平台，融合客流、行车、牵引负荷及用电量等多源数据，优化节能控制策略。