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【摘要】：为提高地铁车站通风空调系统能源利用效率，降低地铁运营总能耗，以天津某新建地铁车站为例，分析介绍一种基于风水联动的车站通风空调系统节能运行控制方案，为车站通风空调系统的节能设计及运行管理提供参考和借鉴。
【关键词】：地铁；车站；通风；空调；风水联动；节能
据统计，2021年中国大陆城轨交通年总电能耗达213.1亿kW•h，同比增长23.6%[1]，相当于排放2125万tCO2，通风空调系统占比30%~50%，是主要的能耗输出项和碳排放来源；因此，加快推进地铁车站通风空调系统节能降碳具有重要的现实意义。风水联动智能控制系统作为地铁车站通风空调系统一种智能、高效的节能运行控制方式，通过合理的节能控制策略，可有效提高通风空调系统能源利用效率。有研究表明，采用该控制方式的通风空调系统空调季的系统综合节能率可达30%以上[2]。本文以天津某地铁车站为例，介绍站通风空调风水联动智能控制系统实施方案及节能控制策略。
1地铁车站通风空调控制系统
天津已建及新建地铁车站一般采用设置全封闭站台门的通风空调系统，主要由区间隧道通风兼排烟系统（简称隧道通风系统）、车站轨行区通风排热兼排烟系统（简称排热通风系统）、车站公共区通风空调及排烟系统（简称大系统）、设备管理用房通风、空调及排烟系统（简称小系统）、空调冷源及水系统（简称水系统）组成[3]。目前，国内地铁车站通风空调系统控制方式主要有设备监控系统（BAS）、BAS+群控控制系统及风水联动控制系统3种[4]。1）BAS控制系统一般针对由定频设备组成的通风空调系统，通过简单的设备启停控制，实现系统在不同工况下的调节运行。此系统虽然简单，但运营管理不便，能源利用率低。2）BAS+群控控制系统依托风机、水泵变频技术的发展，一般通过恒压差或恒温差的PID控制方法，对空调水系统设备进行群控和变频控制[5]，由BAS系统实现空调风系统设备变频调节，实现系统节能运行。此系统风、水系统独立控制，不能对两个系统中关联的参数进行耦合计算得到整个系统最大能效系数，因此无法确定整个系统的最佳运行方案。3）风水联动智能控制系统以地铁车站通风空调风、水两个系统为整体进行控制，通过建立复杂的设备特性模型，集成计算机、网络通信、智能控制、数据库和变频调速等技术，自动跟踪负荷变化，自动调节系统受控设备的运行台数和工作频率，优化设备运行工况，实现风、水系统全局优化耦合控制，最大程度提升系统综合能效系数。
2风水联动智能控制系统方案
2.1控制范围
地铁车站通风空调系统运行工况分为正常运行工况、阻塞运行工况、火灾运行工况。阻塞及火灾运行工况下，通风空调系统设备停止运行或工频运行通风排烟，出于安全及必要性考虑，系统控制权限交由车站BAS或防灾报警系统（FAS）。正常工况下，根据不同系统运行特点，采用不同的控制策略。1）区间隧道通风系统：运营时段内不运行；非运营时段定时启动隧道风机定频运行，为区间隧道通风。该过程无需专业节能策略，交由BAS系统控制。2）车站排热通风系统：运营时段内，依据轨行区环境空气温度，对排热风机进行变频运行及启停控制；非运营时段停止运行。控制策略简单且基本与其他系统无关联，交由BAS系统控制。3）车站公共区通风空调系统：运营时段受室外环境条件及站内客流等因素影响，全日逐时负荷及新风量需求各不相同且呈现一定的周期性变化规律，需制定专业的节能运行方案，对大系统组合式空调机组、回排风机及新风机进行变频运行，因此交由风水联动控制系统控制。4）车站设备管理用房通风空调系统：24h运行且不同时刻负荷差别不大，一般采用定风量空调系统，空调箱及回排风机定频运行，节能需求和节能空间较小，交由BAS系统控制。5）车站空调水系统：采用变流量一级泵系统，由冷却水循环系统、冷冻水循环系统及制冷主机3部分组成。设计阶段，设备容量一般按系统远期高峰小时运行情况配置，运营初期负荷率远达不到设计水平且受地铁站末端负荷逐时变化影响，系统设备大部分时间处于部分负荷工况下运行；因此，提高设备部分负荷工况下能源利用效率是水系统节能运行的关键。为实现这一目的，控制系统需要根据实际需求对设备运行台数、工作频率及末端水阀开度进行综合分析，确定最佳的运行方案，交由风水联动控制系统进行控制。综上所述，风水联动智能控制系统控制范围设定为车站大系统及空调水系统。
2.2总体架构
车站风水联动智能控制系统由风水联动智能控制柜、水系统采集控制箱、现场采集控制箱、各类传感器、各种配线电缆等组成。上游通过通信接口与BAS系统进行连接，实现数据共享及BAS对节能控制系统的集成；下游根据被控对象或区域划分的不同，分为大系统变风量、水系统变流量2个智能控制子系统。各控制子系统运行相对独立，每个控制子系统拥有一个独立的控制器，内置有专用的系统控制策略。风水联动智能控制系统通过网络与各子系统连接，完成各环节间的协调，实现信息的集成、集中监视、联动控制。见图1。）大系统变风量智能控制子系统包括大系统组合式空调机组、回排风机、小新风机、静电灭菌净化装置、工况切换风阀及各类温湿度传感器、CO2传感器。2）水系统变流量智能控制子系统包括冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、定压补水装置、水处理器、冷却塔电动蝶阀、末端表冷器电动二通阀及各类传感器。各子系统控制对象及系统主要受控参数见表1。
3风水联动节能控制策略
正常工况下，由BAS系统确定通风空调系统的运行模式。模式下发后，由风水联动智能控制系统进行节能控制策略运算，通过对风系统、水系统运行参数的动态跟踪和耦合计算以及对设备运行状态的主动寻优和在线调节等功能，将大系统变风量控制子系统与水系统变流量控制子系统进行关联。采取风变频、水变频的全局协调控制模式，使整个通风空调系统的各个环节协调工作、高效运行，实现通风空调系统的智能化节能控制。见图2。
3.1风系统控制策略
大系统变风量智能控制子系统通过监测室外及公共区空气温湿度、CO2浓度参数，结合车站客流量数据及历史负荷变化趋势，实时计算并预测未来短时间系统负荷及新风量需求，对大系统组合空调机组、回排风机及新风机启停和频率进行动态调节。1）空调季小新风模式：当Iw＞In或Tw＞Tn且公共区CO2浓度≤φs时，启动大系统组合式空调机组、小新风机变频运行，关闭回排风机。2）空调季全新风模式：当Iw＞In或Tw＞Tn且公共区CO2浓度＞φs时，启动大系统组合式空调机组、回排风机变频运行，关闭小新风机。3）过渡季全新风模式：当Iw≤In且Ts＜Tw≤Tn，启动大系统组合式空调机组变频运行，关闭回排风机、小新风机。4）通风季全新风模式：当Iw≤In且Tw≤Tn且Tw≤Ts且Tn＞14℃时，启动大系统回排风机变频运行，关闭组合式空调机组、小新风机。5）冬季最小新风模式：当Iw≤In且Tw≤Tn且Tw≤Ts且Tn≤14℃时，启动大系统小新风机变频运行，关闭组合式空调机组、回排风机。式中：Iw为车站室外新风空气焓值；In为车站回风空气焓值；Tw为室外空气干球温度；Tn为车站公共区空气干球温度；Ts为车站空调送风温度设定值；φs为工况转换临界CO2浓度。
3.2水系统控制策略
水系统变流量智能控制子系统通过控制柜监控平台监视空调水系统中各设备的运行状态以及主要运行参数（运行温度、流量、压力、压差等），实时计算系统当前负荷并动态预测未来变化趋势，根据负荷需求匹配计算系统所需冷冻、冷却水流量及供回水温度，主动寻优、智能选择冷水机组运行台数、冷却塔运行台数及转速、水泵运行台数及频率，实现系统最佳组合运行，使该状态下水系统设备所消耗的总能耗最低。同时，为匹配风系统末端空调机组表冷器冷量需求，变流量控制子系统对表冷器回水管电动二通阀开度进行动态监测和自动调节，使每个空调环路均能够获得所需的冷冻水流量，实现对空调系统水力平衡的有效控制，确保各支路能量分配均衡、制冷效果良好。1）空调季模式一：当系统冷负荷<单台冷水机组的制冷量时，通过台数控制，开启1组冷水机组、水泵、冷却塔及相关设备，水泵、冷却塔变频运行。同时根据2台冷水机组不同累计运行时间实现相关设备轮换控制，均衡设备之间的运行时间。2）空调季模式二：当系统冷负荷≥单台冷水机组的制冷量时，开启2组冷水机组、水泵、冷却塔及相关设备。3）通风季及冬季，水系统退出运行。
4结语
风水联动智能控制系统通过全局协调的节能控制策略，利用风变频、水变频技术，实现对通风空调系统设备运行参数的主动寻优和动态调节，提升系统综合能效系数，确保地铁车站通风空调系统高效节能运行。通风空调系统水系统采用定频冷水机组和双速调节冷却塔，与全部采用变频设备系统相比，风水联动节能控制策略及节能效果待进一步研究分析。
作者：杨致远 高岩 李晨 单位：天津市政工程设计研究总院有限公司