南昌某地铁车站节能控制系统研究

吴振

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

1 系统概况

车站大系统采用节能控制系统，通过对系统各种工艺参数及设备参数的采集，计算并记录空气处理机组的输出能量趋势序列，结合系统特性、循环周期、历史负荷数据等推理预测“未来时刻”系统的负荷，从而确定空气处理机组的最佳运行参数，实现空调区域温度的精确控制，在保证服务质量的前提下，最大限度地降低系统的能耗。系统根据车站两端回风温度的采集和比较，调节两端空气处理机组送风机的运行频率，以调节其送风量，使车站两端空调区域的温度达到均衡。回排风机则采用跟随送风机频率运行，使车站内保持必要的微正压[1]。

车站空调水系统设置节能控制系统，冷冻、冷却水系统均采用变流量系统，以空调水系统综合能效最优作为控制目标，对冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、冷水机组进行节能控制，冷水机组通过通信接口与节能控制系统实现指令传输和数据采集。

2 接口设计

2.1 与BAS系统接口

节能控制系统与BAS系统的接口分为硬件接口和软件接口。硬件接口采用冗余以太网通信接口，接口位置在车站环控电控室节能控制系统集中控制柜；软件接口是BAS通过以太网向节能控制系统的集中控制柜发出水系统和大系统的正常运行、停止和火灾等运行模式指令[2]。

集中控制柜通过以太网向BAS系统发送水系统的运行参数，主要参数为：2台冷水机组、2台冷冻泵、2台冷却泵、2台冷却塔的控制状态及运行状态；8台电动蝶阀和压差旁通阀的控制状态及运行状态；冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔等设备的运行参数、电压、电流、功率、用电量等；2台冷水机组的进/出水温度；冷冻水总管供回水温度、压力流量；冷却水总管供回水温度、流量；集水器大小系统回水管的回水温度。

集中控制柜通过以太网向BAS系统发送大系统的运行参数，主要参数为：两端的2台组合式空调器、2台小新风机、2台回排风机的控制状态及运行状态10台电动风阀的控制状态及运行状态；两端组合式空调器、小新风机、回排风机的运行参数、电压、电流、功率、用电量等；两端组合式空调器的出水温度；两端新风温湿度、送风温湿度、回风温湿度、混风温湿度；站厅、站台温湿度；电动二通阀开度。

集中控制柜接受BAS运行模式指令，结合使用条件和实际工况向水系统控制柜、大系统控制柜发出子一级控制指令，调整水系统和大系统的设备和阀门的开关和运行。

当车站BAS系统向节能控制系统发出大系统节能运行模式指令时，节能控制系统根据实际工况判断执行空调模式还是通风模式，执行空调模式时联动开启水系统，水系统根据空调负荷率调整水系统的运行工况：当空调负荷率＜50%，水系统投入1套冷水机组运行，同时调节水泵频率；当空调负荷率≥50%，水系统投入2套冷水机组运行，同时调节水泵频率。

夜间停运时BAS向节能控制系统发出大系统停止指令，节能控制系统对A、B两端大系统执行停止模式，水系统根据空调负荷率调整运行工况：当空调负荷率＜50%，水系统卸载，只投入1套冷水机组运行，同时调节水泵频率，两台冷水机组互为备用定时轮换。

由于小系统由BAS系统直接控制，当BAS单独开启小系统空调模式时，应同时下发指令给节能控制系统开启水系统，由节能控制系统按模式开启1套冷水机组运行，根据实际工况调节水泵频率，两台冷水机组互为备用定时轮换。

2.2 与动力照明专业接口

动力照明与节能控制系统接口在节能控制柜进线端子处，节能控制柜进线电缆及敷设由动力照明专业负责。手操箱采用硬线接口，接口位置在车站环控电控室节能控制系统节能的相关接线端子，手操箱电缆由节能控制专业提供，机电专业敷设和端接。

2.3 与通风空调接口

冷水机组采用通信接口，接口位置在冷水机组控制器的相关通信接口上。组合式空调器采用硬线接口，接口位置在空调机组消毒净化装置的相关接线端子处。电动二通调节阀、各类传感器采用硬线接口，接口位置在电动二通调节阀及传感器的安装位置上。

3 系统构架

节能控制系统的所有控制柜须均是基于强电、弱电、计量、电力监测、节能控制一体化的产品整体设计；每台控制柜内需要配置有独立的控制器，遵循“集中管理、分布控制”的设计理念，降低系统的控制风险，节能控制系统配电图如图1所示。

图1 节能控制系统配电图

节能控制系统由以下各部分组成：集中管理平台、水系统节能控制子系统、大系统节能控制子系统（A、B两端各一套），集中管理平台对各节能控制子系统进行控制。

4 系统控制策略

4.1 空调大系统控制策略

空调大系统负责车站公共区的环境控制，主要设备包括：新风机、组合式空调器、回排风机、相关的风阀（全新风阀、小新风阀、回风阀、排风阀等）。组合式空调器、回排风机设置变频器，可进行变频变风量调节，变频调整范围为25～48 Hz，小新风机工频运行。

BAS系统通过对室外空气参数判断，对节能控制系统发出指令，运行小新风空调模式、全新风空调模式、通风模式等模式。车站大系统的运行模式见表1。

表1 车站大系统运行模式表

车站正常运行状态的工况切换控制是根据iw、ir和Tw（iw为车站室外焓值；ir为车站回风焓值；Tw为车站室外干球温度）的变化与设定的送风温度T0进行比较分析确定。组合式空调器送风量（频率）由回风温度Tr控制：Tr＞Tr0（Tr0=29℃，为回风温度设定值）时，加大送风量（升高频率）；Tr≤Tr0时，减小送风量（降低频率）。大系统节能系统采集空调机组的送风温度Ti与系统设置的送风温度T0比较，调节组合式空调器的二通阀开度：Ti＞T0时，二通阀开大；Ti≤T0时，二通阀关小。回排风机频率跟随组合式空调器频率同步调节。系统采集站厅站台的CO2浓度，小新风机根据站内CO2浓度控制启停：当CO2浓度≥900 mg/L时，小新风机启动；当CO2浓度≤700 mg/L时，小新风机定时启动；当700 mg/L＜CO2浓度＜900 mg/L时，小新风机保持原运行状态。

车站内空调季节的负荷根据Tr的变化与设定的回风温度（29℃）进行比较分析确定。当Tr≤29℃时，说明车站负荷减少，先利用风机变频器调小风量再关小电动二通阀减小冷冻水量。当Tr＞29℃时，说明车站负荷增大，先利用风机变频器调大风量再开大电动二通阀增加冷冻水量。

当iw≤ir，且Tw＞T0时，进入全新风空调运行工况，组合式空调器、回排风机根据回风温度调节频率，最低频率25 Hz，空调器二通阀根据送风温度调节开度，全新风阀、排风阀打开，小新风机和小新风阀、回风阀关闭。

当外界环境温度Tw≤18℃时，进入通风季工况运行：组合式空调器仍以调节站台温度为目标变频运行，全新风阀、排风阀打开，小新风机和小新风阀、回风阀关闭；当组合式空调处于最低运行频率时，关闭排风机，采用机械送风+自然排风的方式运行。当CO2浓度≤50 mg/L或Tr＜18℃时，停止通风，也可以由车站工作人员采用间歇通风运行。空气的焓值由空气温湿度决定，为了防止工况在一天内频繁转换，只要求对焓值每0.5 h测量一次。将测量值分析比较后再决定是否改变运行工况。

4.2 空调水系统控制策略

空调水系统包括冷水机组，冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔以及各类传感器、阀门及空调机组等末端装置。空调水系统纳入节能控制系统进行监控管理，同时将设备状态信息上传BAS系统。节能控制系统根据车控室BAS系统下达的模式指令对水系统进行控制。车站水系统的运行模式。

节能控制系统根据空调负荷率调节冷水机组及对应冷冻泵、冷却泵、冷却塔的加减载。冷冻系统开机时设备的开机顺序：电动蝶阀→开冷却塔→冷却泵→冷冻泵→冷冻主机；关机顺序：关冷冻主机→冷冻泵→冷却泵→冷却塔→电动蝶阀。

系统检测冷冻水总管进、出水温度，当冷冻系统启动后，节能控制系统根据冷冻水总管进出水温度差ΔTdi调节冷冻水泵频率fd进而调节冷冻水流量：节能控制系统设定冷冻水总管进出水温差ΔTd0=5℃，当ΔTdi＞ΔTd0，fd增大，当ΔTdi≤ΔTd0，fd减少。

系统检测冷却水总管进、出水温度，当冷冻系统启动后节能控制系统根据冷却水总管进出水温度差ΔTqi调节水泵频率fq进而调节冷却水流量：节能控制系统设定冷冻水总管进出水温差ΔTq0=5℃，当ΔTqi＞ΔTq0时，fq增大；当ΔTqi≤ΔTq0时，fq减少。

系统检测2台冷却塔出水温度，当冷冻系统启动后节能控制系统根据冷却塔出水温度与气象站的湿球温度的温差ΔTti（逼近度）调节冷却塔风扇频率ft：节能系统设定逼近度ΔTti=4℃，当ΔTti＞ΔTt0，ft增大；当ΔTti≤ΔTt0，ft减少。

冷水机组的运行工况的转换是由集中控制柜的PLC根据系统空调负荷率自动控制和定时切换，冷水机组流量及冷量输出、冷冻水泵、冷却水泵的流量由节能控制系统进行控制。当空调负荷率≤50%并持续15 min时，1套冷水机组运行；当空调负荷率＞50%并持续15 min时，2套冷水机组运行。当正在运行的一套冷冻系统发生故障时，集中控制器发出工况模式转换指令，故障系统停止运行，备用系统投入运行。

压差旁通阀的自身具备压差控制开度的功能，压差旁通阀根据分/集水缸的压差变化自行进行调节；节能控制系统采集压差旁通阀DPCV-W1的开度信号或开/关到位信号，监测DPCV-W1的工作状态。

5 结语

随着地铁交通规模的日益壮大，如何降低地铁通风空调系统的能耗将是一直可值得研究的课题。本文详细介绍了通风空调大系统和空调水系统的节能控制系统设计方案，以期为相关工程提供理论依据。