風水聯動節能控制技術探討

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摘要：目前我國建筑能耗的比例逐年上漲，對于大空間建筑的能耗主要來源于空調系統。本文針對地鐵站等高大空間，通過采用更有效的風水聯動控制系統來提高能源利用率，在滿足運行及舒適度等前提要求下實現節能優化。通過分析風水聯動控制系統的原理和技術現狀研究以及對傳統控制系統的能耗和風水聯動控制系統的能耗進行對比總結可以直觀有效的了解風水聯動控制系統的節能潛力。

關鍵詞：大空間；地鐵站；風水聯動節能系統

1前言

由于大空間的空間尺寸形狀的特殊性，其能耗是非常巨大，尤其是在空調能耗這一塊。截至2020年底，中國軌道交通運營城市45個，運營線路244條，運營線路總長度7969.7km，完成客運量175.9億人次。我國地鐵車站這么大體量的耗能量是巨大的，其中牽引用電約占總能耗40%，通風空調系統是地鐵車站的主要能耗并且也是可以降低其能耗的主要體現方面。以地鐵為代表的城市軌道交通的電力能源消耗主要體現在地鐵列車的牽引用電和通風空調系統用電兩個方面，在現有地鐵線的實際耗能統計中，通風空調系統的能耗已經達到了地鐵總能耗的50%左右。其空調能耗大的主要原因是因為風系統和水系統無法解決環控系統冷熱慣性帶來的供能延時問題和環控系統終端風機、水泵、閥門與負荷的動態匹配問題。為了達到系統柔性控制，提高綜合能效，于是在滿足空調系統正常使用的前提下采用風水聯動控制對其進行節能優化是很有意義的。風系統和水系統本來就是一對耦合系統，相比較于常規的空調系統，風水聯動系統的能效更高。合理的運用風水聯動控制針對工程上經常遇到的“大管網，小流量”的問題，基于空調負荷預測，研究能源終端風水聯供智能優化策略，解決環控系統冷熱慣性帶來的供能延時問題，實現空調環控系統終端風機、水泵、閥門與負荷的動態匹配，達到系統柔性控制，提高綜合能效。本文以地鐵車站通風空調風水聯動控制系統為對象，介紹其控制原理，分析其節能潛力，并對其技術現狀進行研究，最后展望其在未來應該如何更好應用在空間建筑場景里。

2風水聯動系統的控制原理

2.1傳統控制系統

地鐵車站的通風空調系統設計往往是超過運行使用階段的，所以一般都具有較大的余量。有兩大主要的系統組成通風空調系統，其一是空調風系統，其二是空調水系統，當風系統正常運行時，地鐵站中的公共區和工作區都能夠為所在區域人員提供足夠舒適的環境，除了人員能夠獲得足夠舒適的環境以外，所在區域的設備也能獲得足夠的運行環境條件。在滿足以上條件的同時，風系統必須有能夠迅速排除煙氣，以防止火災的發生。而對于水系統來說，主要是以水為冷媒為地鐵車站的空調系統提供冷源。地鐵車站通風空調的使用是以空間的溫度和舒適度為導向，而導致空間溫度和舒適度變化的條件主要是來源于外界環境、人流與車站內的設備（軌道列車、照明設備等裝置）導致的熱量以及空氣物質的濃度變化。地鐵站通風空調內設備復雜，它們都是以統一的集中監控平臺來協調不同系統的各個獨立環節。目前一般的通風空調系統中，通常是在不同的季節調整風量的大小以及運行時間，由BAS系統照固定的參數運轉風機，通過不同的頻率控制風機的運行。傳統空調系統的風系統不考慮地鐵車站不同時間不同空間的負荷，如由于人流和季節變化不穩定導致當時對應的參數負荷與風機頻率的不匹配，所以會出現能源資源浪費的情況。其空調水系統中水泵的頻率是不變的，用既定的空調冷凍水、冷卻水流量，通過負荷調節來達到節能控制。對于傳統控制系統來說，沒辦法有效的結合風系統和水系統使之達到合理的能源利用。

2.2風水聯動控制系統

風水聯動控制系統（圖1）是通過各種傳感器獲取車站不同空間的實時數據，然后通過這些傳感器將數據傳輸到信息處理中心進行信息處理計算，最后得出相應的節能設備控制策略。其可以在保證其余優先條件的前提下將空調系統的能耗降到最低，通過風水系統的動態調節使整個風水系統處于高效的運行狀態，完成車站冷負荷最低化的運算以及通風空調系統運行能耗最低化的運行方案，并制定相應的設備控制策略，使車站通風空調系統綜合能耗值達到最低值的智能控制系統。地鐵站通過對水系統和空氣系統設備的自動控制，實現了空調設備的高效運行并將風水聯動控制系統的智能控制技術、系統集成技術、計算機技術、網絡通信技術、數據庫技術和變頻調速技術共同應用于地鐵站點的環境控制和能源管理中，系統自動化程度高?？照{系統由設備控制系統BAS確定工況并決定運行模式，信息共享于風水聯動系統和BAS系統，由于地鐵站風水聯動智能控制系統能夠實現整個系統的運行不需要監控且能夠分析和評價系統能效的重要操作，風水聯動系統的控制效果穩定，擁有更好的節能效果（圖2）。

3風水聯動系統的技術研究現狀

一般的空調系統設備占用面積很大，對于地鐵車站這種空間建筑來說，通風空調系統尤其復雜。風系統和水系統相輔相成，所以將兩者有效地結合起來建立算法進行分析可以實現風水聯動智能化控制，使風系統、水系統協調工作實現節能效益。考慮到環控系統冷熱慣性帶來的供能延時問題，由于冷、熱接點具有一定的熱容量，接點從介質中吸熱量后,加熱自身、使溫度提高到穩定值需要一定的時間。即熱接點的溫度變化，在時間上總是滯后于被測介質的溫度變化。在空調負荷預測的基礎上，研究風水聯動智能控制系統，通過傳感器采集空間建筑內不同點處的數據，使空間建筑空調在滿足其余要求的前提下達到節能最大化。風水聯動控制系統由于客流的改變，空氣流動的狀態變化，通過運算和可行的方案使空調系統COP達到最大值，實現空調環控系統終端風機、水泵、閥門與負荷的動態匹配，達到系統柔性控制，提高綜合能效。地鐵車站通風空調系統由大系統、小系統和水系統構成，三部分組成一有機的整體，共同作用完成車站環境參數的自動調節。風水聯動智能控制系統和BAS系統對車站內的實時數據信息等是處于共享狀態的。一般情況下風水聯動控制系統根據信息的改變而做到實時變化對空調系統進行調控以達到合理優化的運行減少能量的損失，且對于不同信息不同負荷下，產生對應的控制手段和算法以保證其滿足其余要求的前提下達到節能目的。風水聯動控制系統是通過實時信息的變化得到不同負荷下的運行情況，同時風水聯動智能控制系統可以根據室內負荷變化調節空間送、排風機運行頻率，并同時對空調水系統設備實際運行參數進行調節；阻塞運行工況，風水聯動智能控制系統不再執行節能策略，水系統各設備保持原運行狀態，風系統不再執行節能策略，權限交由建筑設備自動化系統BAS系統控制；火災運行工況，水系統關閉，風水聯動智能控制系統不參與設備控制，風系統設備由BAS系統控制。風水聯動智能化節能控制系統通過網絡對各個子系統進行全局協調控制，為數據與控制命令的快速傳輸打好基礎。每個子系統控制箱內均設置有獨立的計算機，通過計算結果再輔以先進的智能控制策略全局聯合調控空調系統設備頻率、水閥開度，由此，實現了根據末端負荷變化自動進行變風量、變流量的智能控制。

4節能潛力

4.1節能的重要性

當今社會對能源的需求不斷地上升，能源短缺可以決定一個國家的走勢，于是人們越來越有節能和環保認識，空間建筑的空調系統是耗能大戶，我們要通過減少空調系統的高能耗來達到能源合理利用的目的。地鐵站通風空調系統的運行由于客流量、運行季節以及外界環境的不同，其運行模式也應該適應不同負荷做出相應改變，通過風水聯動智能控制可以有效地做出調節，有效的節省運行能源損耗。起初，地鐵站中通過現場人工調節控制，增加或減少主電機和水泵的數量，達到了節能的效果。這種辦法比較麻煩且沒辦法很好的根據實時數據做出改變?，F在由于采用BAS設備監控控制系統多采用模糊控制方式，所謂模糊控制方式，是采集實時現場參數、溫度、二氧化碳等，然后對比自己的歷史數據庫里面的數據，預測出未來的能耗和負荷的變化，然后根據這個預測的變化，選擇是調節風系統好還是調節水系統好。上述模糊控制方式存在如下問題：首先，模糊控制方式是對比自身數據庫里面的歷史數據做的預測。而現場的環境時刻都有變化，并且是不可知的，歷史數據并不能準確的做出未來能耗的預測；其次，因為模糊控制方式是預測未來達到設定值時，風系統和水系統的能耗曲線，所以必須是單純的選擇風控制還是水控制，在控制過程中不能變化，達不到實時聯動的效果。比如預測表明，達到設定值，風控制比水控制節能，但是可能是風控制開始能耗大，后期慢，總的能耗少，若是實時變化的話，開始就選擇了水控制而不是風控制了。因為現有的模糊控制方式預測不準確且達不到實時聯動的效果，難以根據現場的情況動態調節，會造成能源浪費，不能達到最佳的節能效果?，F有的地鐵通風空調系統的控制通過傳感器等采集車站內的溫度以及空氣物質濃度等來預測出未來的負荷變化，預測負荷變化得到一個固定的參數來選擇風系統和水系統的調節，此預測參數與對現場的實時參數是沒有參考性的。于是對于這種控制方式就會存在一些不可控的問題，對于環境負荷的變化，我們是不可控的。對未來負荷能耗的預測不能只是一個固定值，控制進行過程中，做不到實時數據實時分析實時調整的聯動控制，且由于不能進行實時控制就難以對現場的數據進行分析，對單獨的風系統和水系統的使用會極大的造成資源的浪費，于是提出風水聯動控制節能的方式。在地鐵車站中，風水聯動控制系統根據負荷做出相應運行方案的改變使效益最大化。下面是風水聯動模擬系統及平臺，實驗節能率可達15%左右（圖3）。關于暖通空調系統，許多工程上使用EnegyPlus對其進行建模以預測評估暖通空調控制的潛在節能。據統計空調系統在地鐵空間里的占比是非常大的，特別是對于空調季節以及過渡季節，其能耗通常能達到50%～60%的一個高耗能數據。在采用風水聯動控制系統之后，往往會很可觀的減少這一比例（圖4）。

4.2風水聯動系統的能耗分析

李軍等人對南寧地鐵１號線通風空調系統的能耗現狀進行了分析，通過負荷預測對節能和非節能模式進行了對比測試，系統綜合節能達到42.8%，采用風水聯動節能措施后，通風空調系統的綜合能效比提升30%，冷水機房能效提升了22.9%，整個通風空調系統實現節能優化控制達到節能目的。楊卓等人對比分析了傳統定量控制系統和風水聯動智能控制系統，對上海軌道交通13號線二、三期工程采用多傳感器布點的風水聯動智能控制系統，通過動態調節風、水系統使整體高效運行達到節能目標。在運行相同時間下，相同設備下，風水聯動智能控制系統和傳統控制系統交替運行下得出結論風水聯動控制比傳統控制的方法耗電量減少了27%。韓海鵬等人通過對西安地鐵四號線車站采用BAS環控系統執行風水聯動控制，在不同季節工況下對其每天的能耗進行采集，通過調試節能系統統計能耗數據，對節能模式以及普通模式進行對比分析，在實施風水聯動自動調節后比之前常規模式節能21.18%。王曉保等人以上海地鐵7號線皋路站為例，分析不同工況下在通風季節和空調季節里負荷的變化以及能耗變化，通過現場試驗采用風水聯動控制，實現風系統和水系統協調工作，對數據進行動態跟蹤調節后達到在通風季節節能率可達70%，在空調季節節能率可達30%，全年節電率為57%。據統計，2021年全社會用電量83128億千瓦時，同比增長10.3%，較2019年同期增長14.7%，兩年平均增長7.1%。分產業看，第一產業用電量1023億千瓦時，同比增長16.4%；第二產業用電量56131億千瓦時，同比增長9.1%；第三產業用電量14231億千瓦時，同比增長17.8%；城鄉居民生活用電量11743億千瓦時，同比增長7.3%。所以對于能耗的控制尤其是大空間通風空調的能耗是我們節能的重點。

5結語

隨著地鐵交通規模的日益壯大，其技術水平的發展使得能源消耗不斷提高，對于通風空調的需求也就日益增加，從經濟健康、節能環保的角度出發，在滿足日常生活所需的前提下，迫切的需要滿足低碳的要求。通過分析風水聯動智能控制系統的原理與技術現狀，對其節能潛力進行分析相比較傳統的控制系統，通過實時的負荷來改變工況頻率的風水聯動智能控制系統能更有效的達到節能的目的。目前風水聯動存在兩個主要的問題：其一是風水聯動控制系統的成本投資較高，由于EMCS系統需要獨立存在，目前尚且不能和風水聯動控制系統有效結合。其二是在某些時間段，一些空間存在的溫度會突然產生變化，導致負荷的變化，系統調控起來較為困難。目前這兩個問題都還需進一步研究，找出原因并解決。大空間建筑的節能已經成為國際發展的大趨勢，風水聯動智能控制系統對于地鐵站的節能極具有效性，應在解決目前所出現的主要問題的基礎上，更加更好的利用風水聯動控制系統對大空間建筑空調系統進行有效的節能控制。

作者：劉正文 廖麗娜 楊海濤 董子文 楊涌文 胡桐月 單位：茂盟（上海）工程技術股份有限公司 茂盟（上海）新能源科技有限公司 上海電力大學 上海市智能電網需求響應重點實驗室（上海電器科學研究所（集團）有限公司）