胡振亚，杨 卓，李韶光，谭庆慧，王 旭，李晓锋
（1. 南宁轨道交通集团有限责任公司，南宁 530029；
2. 北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100085；
3. 清华大学，北京 100084）
截至2020年底，中国内地共有45个城市开通城市轨道交通运营线路244条，运营线路总长度7 969.7 km，全国累计投运车站总计4 681座，创历史新高[1]。地铁运营线路的持续增加，导致地铁运行能耗在整个社会能耗中的占比变得不可忽视。根据国内地铁运营期能耗情况来看，虽然通风空调系统的造价仅相当于地铁投资的8%～10%，但运营过程中通风空调能耗却占到40%左右[2]，对于广州、南宁等炎热地区，这一比例甚至高达50%[3]。地铁通风空调的控制系统，对其运行能耗有重要的影响[4]，因此对其进行优化研究，有利于减少地铁车站能源消耗及所导致的间接碳排放，有利于实现中国2030年碳达峰和2060年碳中和的目标。
地铁通风空调系统通常采用环境与设备控制系统(building automatic system，BAS)方案。近几年风水联动控制应用逐渐增加，其中，风系统由BAS进行控制，水系统由冷站群控系统进行控制，主要的设备参数可以通过系统实现PID调节控制，但风系统和水系统控制之间的相互关联性弱。风水联动控制为风系统和水系统控制均交给同一个厂家，实现风水系统的联动控制，所有的模式和设备参数控制均由系统实现自动控制。相关学者对两种控制方案的优劣进行了研究，普遍认为风水联动系统控制是比传统BAS控制更加节能的控制方案。郑奕认为，引入风水联动智能控制系统对车站公共区通风空调设备的运行状态进行整体调节，才是实现系统节能运行的有效手段[5]；
杨卓对比分析了某车站风水联动控制系统和传统定流量控制系统的实测运行能耗，风水联动控制系统单日运行能耗降低28%[6]；
王晓保分析了风水联动控制系统风变频/水变频模式，相比风工频/水工频运行能耗降低30%[7]。
由于目前国内仍然有大量的地铁车站采用常规BAS控制方案，其改造成风水联动控制方案需要大量的成本投入，因此研究常规BAS控制方案在实际运行过程中普遍存在的问题，在不改变硬件配置的情况下，仅通过控制策略的优化和改进，使其节能率能够明显提升，取得良好的节能效果，具有非常重要的意义。
通过调研国内多条地铁线路常规BAS控制方案实际运行情况，对实际运行中常见的问题进行总结分析，提出控制策略方面的优化改进方案。选取南宁地铁典型车站，运用控制策略优化方案对BAS进行改进，对比分析改进前后的运行能耗变化情况，验证节能效果。该优化方案的改进措施和优化方法同样适用于国内其他采用常规BAS控制方案的地铁车站，为地铁车站常规BAS控制方案的运行优化提供有效路径。
通过调研分析郑州地铁、杭州地铁、南京地铁、厦门地铁和南宁地铁等国内多条地铁线路空调系统控制方案，对常规BAS控制方案和风水联动控制方案的差别进行了系统分析和对比(见表1)，两种控制方案的关键差别在两个方面。
表1 常规BAS和风水联动控制方案对比分析Table 1 Comparative analysis of conventional BAS and wind-water linkage control schemes
1) 控制逻辑的差别。BAS可以远程控制冷水机组出水温度，但缺乏控制逻辑；
风水联动采用室内控制温度等多参数，自动控制冷水机组的出水温度。BAS和风水联动对于风机变频、电动阀门调节等均采用反馈控制，但控制算法略有差别。
2) 硬件配置的差别。BAS的冷冻水泵/冷却水泵/冷却塔均采用定频设备，只能定流量运行；
风水联动的冷冻水泵/冷却水泵/冷却塔均采用变频设备，可以实现变流量运行。BAS改造成风水联动控制，需要增加变频设备、风水控制柜等硬件成本投入。
从前述国内多条地铁线路空调系统控制方案的调研分析中发现，各个地铁车站的常规BAS控制方案具有很高的相似性，因此在实际运行中产生的很多问题也具有共性。对其实际运行情况进行调研，发现普遍存在以下问题。
1) 冷水机组的加减机策略易导致加减机的误判。冷水机组加减机控制方案通常为：加机，冷水机组平均电流百分比大于95%时，增加1台冷水机组；
减机，冷水机组平均电流百分比小于50%时，减少1台累计运行时间较长的冷水机组。在实际运行中，由于冷水机组的运行条件复杂，上述加减机条件容易导致加减机的误判，比如：由于空调末端电动水阀处于不调节状态和水泵定流量运行、水系统处于流量偏大状态等原因，导致空调末端通常处于过量供冷状态，末端过量供冷，将导致冷水机组开启2台时仍然处于高负载状态，无法触发减机条件；
单台冷水机组的高负载率运行工况，常会出现冷凝器排气压力偏高的情况，冷凝器排气压力偏高，会触发冷水机组冷凝器压力保护，导致冷水机组最高运行负载率受限，只能达到80%～85%，无法触发加机条件。
2) 缺少冷水机组出水温度设定值的控制策略。冷水机组出水温度设定值通常控制在一个固定值，不随实际运行情况调整，缺少相关的控制策略。在实际运行中，冷水机组的出水温度控制过低或过高都会带来一些问题：过低时，会导致在一些不需要除湿的工况除湿，增加除湿负荷；
过高时，会导致在一些工况下无法除湿，可能会出现室内结露的情况。
3) 缺少冷冻泵、冷却泵、冷却塔的变频控制。目前很多地铁车站冷冻泵、冷却泵和冷却塔无法实现变频控制，大部分车站是由于未设置变频器，也有少部分车站设有变频器但仍无法实现变频运行，其主要原因包括：系统缺乏变频控制策略；
变频控制的PID控制程序未整定；
未设置延时和上下限保护，导致水泵变频运行时会出现水系统振荡、冷水机组低流量故障报警等问题。地铁车站空调系统设备通常按照远期负荷进行设计选型，导致实际运行中空调系统大部分时间均运行在较低负荷率工况下，如冷冻泵、冷却泵和冷却塔无法实现变频控制，则会导致较多的能耗浪费。
4) 缺少冷却塔的台数控制。地铁车站空调水系统通常会设置联锁控制关系，一台冷水机组对应一台水泵和一台冷却塔运行。在实际运行中，缺少一机对双塔模式，无法充分利用冷却塔的换热面积，导致冷却水的回水温度出现偏高的情况。
5) 空调机组送风机和回排风机频率对应的控制对象不合理。空调机组送风机和回排风机频率的控制对象通常为回风温度。在实际运行中，回风温度传感器安装在回风总管上，回风口一般设在车站吊顶内，由于吊顶内设备散热的影响，回风温度通常高于室内人行区温度0.5～1.5℃。采用回风温度控制空调机组风机的频率，在不修正控制目标的情况下，会导致送风量大于实际需求量，造成过量供冷。同时，回风温度传感器通常只有1个，当传感器发生故障时，会对空调机组的风机运行产生较大的影响。
针对上述BAS控制方案实际运行中的5个常见问题，在不改变硬件配置的情况下，可以采取以下优化改进措施。
1) 优化冷水机组加减机控制逻辑。优化后的冷水机组加减机控制逻辑如图1所示，其主要改动是增加了空调负荷预测模型来确定冷水机组允许开启台数的范围，同时增加了多个并行判定条件，以确保加减机符合真实负荷需求。其中，冷水机组加减机台数的判定维持时间为30 min，以避免系统振荡。
图1 冷水机组加减机控制逻辑Figure 1 Addition and subtraction control logic of chiller
关于地铁车站空调负荷的预测，相关学者已经进行了大量研究，能够较为准确地计算空调负荷[8-9]。通过预测空调负荷，限定冷水机组允许开启台数的范围，避免由于温度传感器故障、水阀故障等导致系统反馈控制失调而多开冷机。增加冷水机组出水温度和室内温度等多个判定条件，可以避免因空调末端过量供冷而导致冷水机组无法减机。将冷水机组运行负载率判定由唯一条件改为可选条件，可以避免因冷水机组出力受限而导致无法加机。
2) 增加冷水机组出水温度控制逻辑。如图2所示，增加的控制逻辑是将冷水机组出水温度设定值范围与室外湿球温度进行联动，同时根据室内含湿量，在设定范围内调节冷水机组出水温度的设定值。其中，PI参数设置比例增益Kp设为0.8，积分时间Ki设为30 s，采样周期T设为10 s，控制执行周期设为5 min(不同品牌PLC需要根据其PID控制程序重新整定)。
图2 冷水机组出水温度控制逻辑Figure 2 Chiller outlet temperature control logic
室内湿负荷和室外湿球温度有直接的关系，因此需要采用室外湿球温度，以控制冷水机组出水温度设定值的合理范围，避免单纯根据室内含湿量来控制出水温度而导致冷水机组出水温度大范围波动。由于地铁车站小系统房间主要是设备用房，小系统负荷主要是设备发热量，小系统的热湿比比较大。大系统由于大量人员散湿、出入口渗风所带来的室外湿源等因素，其热湿比小于小系统的值，因此小系统相对于大系统而言，除湿需求更少，其冷冻水的供水温度可以高于大系统的值，二者比较后都是以大系统来确定出水温度。
3) 冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔变频控制。由于大部分车站未设置变频，所以这里不做讨论。
4) 增加冷却塔台数控制。其逻辑如图3所示，通过冷水机组电流百分比和冷却水回水温度等多个条件，设定冷却塔的开启数量。
图3 冷却塔运行数量控制逻辑Figure 3 Cooling tower’s control logic
在冷水机组负载率较高时，开启2台冷却塔，可以充分利用冷却塔的换热面积，有效降低冷却水的回水温度，提高冷水机组的运行效率。在绝大多数情况下，冷水机组降低的运行能耗大于多开1台冷却塔增加的运行能耗，避免采用复杂的寻优控制算法，提高控制稳定性。
5) 优化空调机组送风机和回排风机频率对应的控制对象。其控制逻辑如图4所示，优化后的主要改动是将空调机组送风机和回排风机频率控制对象从回风温度改为室内温度，室内温度为站厅+站台温湿度传感器监测数据去掉其中最大值和最小值后的算术平均值。其中，PI参数设置比例增益Kp设为0.8，积分时间Ki设为30 s，采样周期T设为10 s，控制执行周期设为10 min(不同品牌PLC需要根据其PID控制程序重新整定)。
图4 空调机组风机频率控制逻辑Figure 4 Fan frequency control logic of air conditioning unit
通过将控制目标由回风温度调为室内温度，避免了由于回风温度偏高而导致过量供冷的问题。同时，在将控制对象由单个传感器改为多个传感器后，可以最大限度地避免单个传感器故障对风机频率控制策略产生的影响。
选取南宁地铁典型车站作为分析对象，按照前述优化改进措施，对车站BAS进行控制策略的优化改进，对比分析优化改进前后的节能效果。该车站为地下两层岛式站台车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，站厅层公共区面积为1 550 m2，站台层公共区面积为1 160 m2。车站大、小系统的冷冻水均由冷水机房提供，机房共设置2台冷量为557 kW的螺杆式冷水机组、3台冷冻水泵、3台冷却水泵和2台冷却塔。
该车站设有BAS控制系统，可采用手动和自动两种模式运行。将设备参数不调节的手动控制模式作为对比分析的基准，简称为“基准模式”；
将未优化的原BAS控制模式简称为“BAS模式”，优化后的BAS控制模式简称为“BAS改进模式”。选取室外气象条件接近的典型日，通过控制模式的切换，在该车站分别运行基准模式、BAS模式、BAS改进模式，对比分析3种控制模式的实际运行效果。
5.1 室外气象参数对比分析
选取相同的车站进行对比分析，可以排除设备性能、客流、室内设备发热量等因素对分析结果的影响，在整个控制方案对比的过程中，仅需要尽可能保证对应的室外气象参数一致。3种控制模式对比日的室外气象参数(室外温度、室外焓值日平均值)情况如表2所示。可以看出，3种控制模式对应的室外气象参数的日平均值非常接近。从温度日平均数据看，偏差为0.1℃；
从室外焓值日平均数据看，偏差为0.7%。
表2 室外气象参数对比分析Table 2 Comparative analysis of outdoor meteorological parameters
5.2 室内温湿度和焓值对比分析
3种控制模式对比日的室内平均温湿度和焓值情况如表3所示。可以看出，3种控制模式的室内温度均满足控制目标27℃±0.5℃的要求。3种控制模式的室内平均湿度均高于设计目标湿度65%，实际运行中现场未出现明显的结露现象，运行中均不对湿度进行控制。3种控制模式运行的室内温湿度比较接近。
表3 室内温湿度和焓值对比分析Table 3 Comparative analysis of average indoor temperature and humidity
以基准模式室外焓值为统一基准，分析3种控制模式的室内外焓差，BAS改进模式焓差降低25.2%，下降明显。
5.3 实际运行能耗对比分析
3种控制模式的实际运行能耗如图5所示。基准模式空调系统总运行能耗为7 126 kW·h，BAS模式空调系统总运行能耗为5 940 kW·h，BAS改进模式空调系统总运行能耗为4 063 kW·h。相比基准模式，BAS模式空调系统运行能耗的节能量为1 186.1 kW·h，节能率为17%；
BAS改进模式空调系统运行能耗的节能量为3 063.5 kW·h，节能率为43%。相比原BAS模式，BAS改进模式的节能率有明显提升，说明对BAS采用的优化改进措施能明显提升BAS的节能率。
图5 运行能耗对比分析Figure 5 Comparative analysis of operating energy consumption
5.3.1 制冷量降低
3种控制模式的空调系统供冷量对比如图6所示。基准模式供冷量为20 114 kW·h，BAS模式供冷量为19 113 kW·h，BAS改进模式供冷量为13 019 kW·h。BAS改进模式的供冷量明显下降，主要原因包括以下方面。
图6 空调系统供冷量对比Figure 6 Comparison of cooling capacity of air-conditioning system
1) 优化方案室内平均温度由基准模式的26.1℃提高到27.1℃，室内控制温度更加接近控制目标27℃，室内温湿度略有提高，室内外焓差相对于基准模式下降25.2%，新风量下降，新风负荷明显下降。
2) 增加冷水机组出水温度控制逻辑，根据室外湿球温度和室内含湿量，设置合理的冷水机组出水温度。出水温度优化后由9℃提高到13℃，减少了不必要的除湿负荷和过量的供冷量。
进一步对BAS改进模式相比原BAS模式节能率提升的原因进行分析，主要包括制冷量降低和设备能效提升两个方面。
3) 优化空调机组送风机和回排风机控制对象，以室内温度作为控制对象，相比以回风温度作为控制对象，室内控制温度与室内真实温度更加接近，风机频率下降，风量下降，空调末端换热量下降，末端供冷量下降。
5.3.2 设备能效提升
3种控制模式的空调系统运行能效对比如图7所示。BAS改进模式相比原BAS模式，冷水机组和冷冻站的能效比略有提升，主要原因是改进方案提高了冷水机组的出水温度及蒸发温度，提高了运行效率；
空调系统的能效没有提升，主要原因是小系统空调箱风机为定频风机，运行能效低，拉低了空调系统整体的能效。
图7 空调系统运行能效对比Figure 7 Comparison of energy efficiency of air-conditioning system
优化冷水机组加减机控制策略，通过负荷预测预设冷水机组的开启数量，根据冷水机组的电流百分比、出水温度和室内温度等多条件判定，全天开启1台冷水机组就可以基本满足需求，有效避免了原BAS系统持续开启2台冷水机组的情况，冷冻水泵、冷却水泵的开启数量由2台下降到1台，因此冷水机组和水泵的运行能耗明显下降。
综上分析，BAS通过控制策略方面的改进优化，新风负荷下降，供冷量明显下降，冷机设备和冷冻站能效略有提升，空调系统能效无提升，冷机、水泵设备的开启数量明显下降，空调系统运行能耗明显降低。相较于基准模式，节能率为43%；
相较于原BAS模式，节能率为32%。节能效果显著，超过文献[6-7]中风水联动控制方案28%～30%的节能效果。
过去的研究普遍认为，引入风水联动控制系统，对车站空调系统运行状态进行整体调节，才是实现系统节能运行的有效方法。但是，国内仍有大量地铁车站采用BAS控制方案，其改造成风水联动控制系统的成本较大。因此，在不改变硬件的情况下，对控制策略采取一定的优化改进措施，使BAS控制方案的节能率有明显的提升，达到良好的节能效果，具有非常重要的意义。
通过调研国内多个地铁车站常规BAS系统的实际运行情况，分析实际运行中常见的问题，在不改变硬件配置的情况下，对BAS的控制策略进行了改进优化，提出了一种BAS改进优化控制方案，包括：根据负荷预测和冷水机组电流百分比、出水温度、室内温度等多条件，控制冷水机组运行台数；
根据室外湿球温度和室内含湿量，联合确定合理的冷水机组出水温度；
增加一机对双塔运行模式，通过室内温度控制空调机组风机频率。
为验证改进方案的节能效果，选取南宁地铁的典型车站，对原BAS模式和BAS改进模式的运行效果进行了对比研究。从数据对比分析结果来看：相较于基准模式，BAS改进控制模式的节能率为43%；
相较于BAS模式，BAS改进模式的节能率为32%。由此可见，BAS改进模式的节能率明显提升，说明冷机加减机控制、冷机出水温度控制、冷却塔台数控制和空调机组风机频率控制等BAS控制策略改进优化方案，带来了非常好的节能率提升，节能效果显著。
该研究成果具有成本低、易实施的特点，而且由于我国地铁车站的BAS控制方案普遍相似，因此非常容易大规模推广，从而可以获得显著的节能效果。同时，该优化思路同样适用于非地铁车站类采用BAS控制但控制策略仍不完善的空调系统节能运行，可用来指导通风空调系统实际运行方案的制定和优化。
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