地铁车站常用通风空调系统的风水联动节能研究

2024-03-20胡晓锋潘国胜梁科敏朱茂进

设备管理与维修 2024年4期

高超，胡晓锋，潘国胜，柳斌，赵峰，梁科敏，朱茂进

（杭州地铁运营有限公司，浙江杭州 310017）

1 研究背景

地铁作为地下空间中使用最广泛的设施，承载着城市交通的主要职责。根据现有轨道交通运营能耗统计，列车牵引和车站动力照明是轨道交通主要能耗部分，其中牵引功率约占能耗的40%～50%，而在车站动力照明能耗中，通风空调系统即环控系统能耗是主要部分，约占车站动力照明总能耗的50%以上[1]，因此对地铁车站环控系统节能的研究是目前阶段节能的主要目标。

在地铁车站环控系统风系统方面，温倩[2]提出了基于客流预测的地铁公共区新风控制策略，同时利用建筑污染与CO2浓度计算新风量设定值，提升了控制策略的有效性，并设计了模糊PID 控制器，利用Simulink 建模仿真验证预测模型和控制策略的新风动态控制和节能效果；张荣[3]利用Simulink 工具对控制系统建立数学模型，仿真结果表明系统模型能够根据人群密度动态调节新风阀门开度，控制车站新风输入量，不仅能够提高地铁车站的环境舒适度，还可以有效的降低地铁通风系统的能耗；武翠霞[4]根据北京某高校地铁站通风空调实训平台情况，搭建了TRNSYS 仿真平台，分别选取7 月份两个典型天气日，对送风温度和回风温度进行变频控制，结果表明：不同的天气状况，能耗并不随设定值一直单调增大或减小，在某一时刻，存在一组设定值组合使能耗最小。

而对于水系统方面，段皖秦[5]通过TRNSYS 搭建了西安地铁车站通风空调系统的模型，在此模型基础上对冷冻水泵在定频和变频状态下进行了数值模拟，并对结果进行了分析对比，验证了当冷冻水泵处于变频工作时的能耗比冷冻水泵处于定频时的能耗有显著下降，在相同时间段内节能效率提高10%以上。对于风水联动调节，崔伟强[6]以地铁站空调主要能耗机组和运营情况为基础，设计出一种新型智能空调控制系统，可根据站内人流量的变化，及时调控风机、变频器和制冷机组等，以此达到适宜的站内环境并节能13%左右。熊武标[7]为实现地铁车站的节能运行，通过对末端控制逻辑的对比，风量、水量同时调节的控制效果较好，且输送设备节能率可达31.7%。李军[8]以南宁地铁1 号线麻村站通风空调系统为例，对空调设备的运行能耗进行了调研，引入并验证了通风空调系统风水联动控制模型，对比分析了不同控制模式下的节能效果。结果表明，地铁车站空调系统实施风水联动控制能实现通风空调系统节能潜力最大化。

2 耗能分析

以杭州地铁2 号线盈丰路站通风空调系统为研究对象，风水联动节能系统主要由硬件设施和节能控制系统两大部分构成。硬件部分新增节能控制PLC，与BAS 通信实现对车站通风空调系统设备的控制调节，新增工控机一台，装载人机界面，实现节能模式下的通风空调系统各设备监控功能，新增冷冻水泵电机、冷却水泵电机变频器（柜）共6 台。软件部分主要实现了冷水机组的启停和机组优化控制，以及风系统和水系统运行模式的联动调控，图1 为地铁车站通风空调水系统示意图，图2 为地铁车站通风空调风系统示意图，通风空调设备功率见表1。

表1 盈丰路站通风空调设备功率

图2 地铁车站通风空调风系统

3 风水联动控制原理

3.1 水系统运行的联动调节

（1）冷水机组开机判定标准：空调季时车站大系统运行过程中，系统监测到室外温度高于T1、且公共区平均温度高于T2时，开启对应冷水机组，T1和T2分别代表室外温度和公共区平均温度设定值。冷水机组的具体开机设定对应控制逻辑，空调季时优先启动1 号、2 号大机组，具体方式按单双号执行对应机组；过渡季时车站空调负荷较小，优先启动3号小机组。

（2）冷水机组切换判定标准：当1 号或2 号大机组单独运行无法满足车站制冷需求时，加开3 号小机组；在一大一小两台机组运行的情况下，当冷冻出水温度低于T1，两台机组总负荷小于对应P1，且持续时间达到预设值t 时，关停3 号小机组；过渡季3 号小机组无法满足车站制冷需求时，则根据单双号切换至相应的大机组；当1 号或2 号大机组单独运行负荷低于P2时，持续时间达到预设值t 时，切换至3 号小机组。若冷水机组出现故障停机时，系统能及时判定并进行切换。

（3）冷水机组关机判定标准：室外温度低于T1时，或公共区平均温度低于T2时，关闭冷水机组，此后持续对公共区的温度进行监测，当公共区温度高于T2时，则再次开启冷机。不满足上述条件则空调季和过渡季停机时间按原有模式执行。

（4）水泵联动调节的判定标准：冷却水的供回水温差保持在Td1～Td2之间，若供回水温差低于设定值下限Td1，判定为末端热负荷小，此时降低冷却水泵频率来调节冷冻水流量，减少冷量输出，降低冷却泵及冷水机组功率；若供回水温差大于设定值上限Td2，则提高冷却水泵频率。在调节过程中，需要控制冷却水泵的频率下限Hlow，频率下限由冷水机组本身最小流量要求和保证最不利末端冷却水流量确定，水泵变化频率暂定为步进值。冷冻水泵出水温度初设为12 ℃，后采取同样原理控制。冷冻泵通过研究分析配置相应的自调节节流仪控制模块，满足通风空调系统整体COP 值最优的前提下，控制冷冻水的相关参数，如冷冻水回水温度，冷冻水流量、以及循环水泵节能控制计算模型。整个水系统围绕最低能耗而实现相应的运行控制，对于运营时某特定条件下对应的负荷情况，水系统能够实现最佳冷却水回水温度和最佳冷却水流量的精准控制，结合冷却水泵变频控制，使整个系统整体COP 最高，能耗最低。

3.2 风系统运行的联动调节

风系统的运行模式为内循环模式和通风模式，根据室外环境参数的变化进行调整转换，在保证车站内公共区温湿度要求的前提下，尽可能降低通风空调系统的能耗。车站空调风系统的模式主要根据室内外空气温湿度等环境参数进行判定，对应不同的环境参数判定区间实现新风阀，混风阀，排风阀之间的开关具体情况。

（1）风机频率调节判定标准：风机功率较大，在满足室内温湿度需求的前提下降低风机频率，可以实现能耗降低。当通过调节电动二通阀（电动二通阀PID调节控制）无法有效降低室内温湿度时，应加大风机频率，加速公共区空气循环，降低环境温湿度。为降低数据滞后的影响，当二通阀开度大于等于设定值上限，室内温度大于等于温度上限值时，风机频率调整至频率上限值，室内温度下降小于等于温度下限值时或二通阀开度小于等于设定值下限，风机频率调整至频率上限值。

（2）冷却塔的梯级节能控制主要实现冷却水的最佳回水温度，同时考虑室外的实际环境因素的影响，冷却塔的风机可以实现梯级变风量运行，保证冷却水的温度能够实现最佳状态，真正做到冷却量之间的供需平衡，即冷却塔的实时冷却量与冷水机组所需冷却量之间达到平衡关系，保证冷却塔节能且高效地运行，提高整个通风空调系统的COP 值，提高整体通风空调系统的节能效率。