北京1号线国贸站空调智能降耗控制系统
摘 要：根据北京地铁1号线国贸站环控系统（BAS）现状和地铁运营管理要求，提出了车站通风空调系统的节能控制解决方案，方案包括在发生火灾时节能排风系统尽快切换至火灾报警系统（FAS），实现消防排烟功能。方案以不改变原有操作习惯为原则，具体采用智能控制策略，建立适合地铁车站环控变频节能方法，达到节能及提高旅客舒适度的环保要求。最终使地铁车站内的中央空调水系统和风机系统能耗降至最低，取得了显著成绩，为推动北京地铁车站节能工作做出了贡献。
关键词：地铁车站；中央空调；节能控制
0 前言
城市地铁车站通风空调系统是地铁环控系统的重要组成部分，也是能耗大户，其能耗量占地铁总能耗的30%以上，占地铁车站能耗的70%以上。经分析，以往地铁空调系统均按照天气最热、最大负荷设计，且留有10%～20%的设计余量。然而，实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下；此外，大部分地铁车站空调系统均采用定流量方式在运行，基本按照满负荷进行开机，造成能量的极大浪费。如根据末端负荷的变化进行调整和控制，地铁通风空调系统均存在很大的节能空间。北京地铁国贸站位于北京地铁1号线东段，车站主要分为站厅和站台2层，约40 000 m2，国贸站是北京市CBD商圈的核心换乘站。长期以来，该车站通风空调系统设备存在使用效率低，能耗高问题。
针对地铁车站环控系统普遍的高能耗问题，北京地铁运营公司十分重视，经周密的调查研究和认真的技术认证，于2011年10月正式委托北京中太投资管理有限公司组织设计及其相关技术单位，重点承担北京地铁1号线国贸车站和10号线安贞门车站通风空调系统的节能试点改造工作。经过1年的艰苦努力和实践探索，使北京地铁车站通风空调系统的节能工作取得了明显进展，达到了预定的设计要求和节能改造的各项指标。
1 车站通风空调系统智能控制
车站通风空调系统包括空调水系统和空调风系统两部分。其风系统设备包括组合式空调机组和回排风机，需全年运行，使用时间较长，总用电量约占整个车站通风空调系统的45%；水系统设备包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔，其设备总容量大，总用电量占整个地铁车站通风空调系统的55%。能耗之大，严重影响了地铁运营的经济性。
北京地铁国贸站的通风空调系统节能改造，采用智能控制策略，寻找降低运行能耗的算法，建立适合地铁环控变频节能的方式与方法，满足旅客舒适度最佳和空调系统最低能量消耗的要求。在节能改造过程中，严格按照国家、行业及企业标准规范，通过优化设计和合理配置，采用模块化技术与国际标准接插件技术，用以保证系统的兼容性、维护性和扩展性；运用在模糊控制、自适应和专家管理技术平台上的核心算法，可在不影响系统末端循环水流量及送风量的前提下，达到最佳节能效果；采用全权数字控制技术设计，保证了技术先进性，符合产品技术的发展方向。
从经济效益出发，节能系统将根据变频器运行规范，提供主、备设备之间的任意组合切换技术，保证节能设备与原有设备互相切换的稳定可靠性。
2 车站空调水系统节能控制方式
通风空调智能控制节能系统以变频调速技术、计算机技术和系统集成技术为基础平台，以自动控制理论和模糊控制理论控制模型的设计为基础，是采用高度集成化的设计路线设计的高科技产品。
通过采集通风空调系统循环水路的温度、温差或压力、流量参数，经智能控制的控制模型计算给变频器发出执行命令，调整冷冻水泵、冷却水泵的流量，使冷冻水泵、冷却水泵节能达到40%以上；通过优化协调中央空调冷冻水侧和冷却水侧，使空调主机始终保持工作在高效率状态，能使通风空调主机节能达到5%以上；总系统节能达到20%～40%。
2.1 水系统电气回路控制
从图1中可见，工频与变频的控制是2个独立的回路，只要控制接触器KM1和KM2的状态就可以控制系统工作在工频（原系统控制）或变频（节能系统控制）状态。为避免2个独立回路同时通电，在KM1与KM2之间设置二次回路互锁，保证了2个系统独立运行。
在控制回路上，利用原B A S控制系统模块中的远程启动点，并入节能系统启动控制信号，并将运行故障信号反馈至原BAS系统的模块中，达到利用原系统控制与变频的启停和监测系统状态的目的。并不改变惯有的操作方式，降低了操作难度。
2.2 水系统系统控制逻辑
车站空调水系统在未改造前，水泵处于50 Hz工频状态运行，系统内流量基本恒定。但在系统设计时，根据极端天气进行设计，然而大部分时间，系统并不在极端天气下，所以，在改造时冷冻水、冷却水系统分别采集合适的参数进行节能控制。
首先，冷冻水系统的温差一般设计为5 ℃，在设计温差内，基本不影响末端的服务质量。但实际运行状态下，温差在2～3 ℃，系统存在小温差大流量的情况，大部分耗能都浪费在水泵运转上。而通过设置所需温差值T0，并采集冷冻水温差TX，根据偏差值和内部集成的智能优化算法控制变频器频率，使TX趋近于T0。由此控制冷冻水泵降低频率实现节能是合理的。其次，冷却水系统则由于外界天气不断变化，散热效率也随之而变，而冷却水的功能则是将冷冻水置换后的热量散发到外界，而当冷却水散热效率不好时，直接会使冷却水出水温度增高，导致主机过热停机。所以，冷却水控制，主要设定冷却水出水温度TW，并采集主机出水温度TQ，根据偏差值和内部集成的智能优化算法控制变频器频率，使TQ趋近于TW。从而使冷却水温度在合理范围内，保持空调系统的稳定运行。
3 车站空调风系统节能控制方式
通风空调智能控制节能装置是基于全权数字控制技术设计，具有高度集成化、强弱电分离、标准接插件、可靠性高、安装实施便捷、低成本和高效节能的特点。采用了国际化的标准组装技术，在极大地提高产品可靠性的同时，将产品组装与现场施工的复杂度降至最低；用高可靠性电子器件取代大量使用的同类产品电气器件，缩小了器件产品体积，降低了成本，提高了产品质量；根据通风空调负荷变化，优化调节能量供给，使通风系统始终保持工作在高效率状态。通风空调智能控制节能装置采用了新的技术路线。
利用成熟的工业现场总线技术，通风空调智能控制节能装置的组装采用P C机一样的现代组装工艺，摆脱了以往单纯依赖手工操作的方式，大大降低了产品离散性、提高了稳定性和可靠性。
3.1 风机电气回路控制
如图2所示，节能改造在原风机系统中并联出一路节能系统，利用系统原有的电源以及至风机主线路，加入接触器K M1、K M2分别控制风机的正反转，并在控制回路加入互锁，使风机正反转不能同时启动，以保护风机。在原系统与节能系统之间的控制回路上，新增KM1，KM2与原系统12K3、12K62个接触器形成互锁关系，做到2个回路单独运行。
在控制回路上，主要将风机几个特有的保护功能，如轴温保护、过热保护等功能，通过节能系统的故障反馈通道，反馈至原地铁环控系统（BAS）内。
3.2 风系统控制逻辑
由于车站空调风系统主要服务于末端站厅、站台以及工作区域，保证区域内温度达到设计水平。所以，根据末端通风需要设定通风温度，同时还可设置站台、站厅温度的上、下限保护值，包括保护触发值和保护解除值。智能控制系统将温度变送器测得的风温值TX与设定风温值T0进行比较，然后根据偏差值和内部集成的智能优化算法，计算出在当下温度风机应调整的运行频率，使TX趋近于T0。在此基础上检测站台、站厅温度TZ，设置为保护值，当TZ＞站内设计温度Ts时，节能系统将高频率运行，以保障通风系统的通风质量稳定，由此构成通风系统的闭环控制。
3.3 发生火灾时节能系统与FAS系统的关系
通风风机在地铁站内，不止起着通风和供冷的作用，还在地铁突发火灾事件时，起到排烟的作用。为了地铁安全运营，节能系统不能影响地铁的消防排烟，应在发生火灾时尽快切换至防灾系统（FAS），以利用FAS控制对车站进行排烟。因此，当发生火灾时，FAS系统被激活，断开BAS的UPS电源，节能系统随即脱电，致使断开节能系统，且节能系统断电之后，转为由FAS系统全权控制风机运转。节能改造后的运行模式对原有操作习惯不会有任何影响，同时满足了安全运营系统对高标准的要求。
4 节能改造效果
系统改造后的4个月时间内，对节能效果进行了详细的验证。每月取4天原工况与节能工况的交叉运行数据，从2种工况对比出节能效果。数据证明，节能改造后，在6月至9月间，由于气候条件的变化，主机节能效果波动较大，具体中央空调主机能耗下降6.5%～30.3%；水泵能耗下降40.68%～51.21%；通风风机能耗下降43.47%～52%。
上述数据可看出，在此次改造中，整个通风空调系统能耗均有明显下降，智能控制技术节能实际效果符合设计要求；而采用变频技术，也大大降低了设备的磨损，延长设备寿命。
5 结束语
节约能源是我国发展经济的一项长远战略方针，《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中明确指出：“坚持节能优先，降低能耗，攻克主要耗能领域的节能关键技术，积极发展建筑节能技术”。地铁车站作为一种特殊的地下建筑，使用针对其通风空调系统的高效节能控制装置，符合国家节能发展规划的总体要求。北京地铁1号线国贸车站和10号线安贞门车站通风空调系统1年多的节能试点改造工作，取得了显著的节能效果，对推动北京地铁车站节能环保事业具有重要意义。
参考文献
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