導語：風水聯(lián)動節(jié)能控制技術(shù)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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(diào)系統(tǒng)。本文針對地鐵站等高大空間，通過采用更有效的風水聯(lián)動控制系統(tǒng)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(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。通過分析風水聯(lián)動控制系統(tǒng)的原理和技術(shù)現(xiàn)狀研究以及對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的能耗和風水聯(lián)動控制系統(tǒng)的能耗進行對比總結(jié)可以直觀有效的了解風水聯(lián)動控制系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

關(guān)鍵詞：大空間；地鐵站；風水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)

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(diào)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(diào)系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)在地鐵列車的牽引用電和通風空調(diào)系統(tǒng)用電兩個方面，在現(xiàn)有地鐵線的實際耗能統(tǒng)計中，通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)達到了地鐵總能耗的50%左右。其空調(diào)能耗大的主要原因是因為風系統(tǒng)和水系統(tǒng)無法解決環(huán)控系統(tǒng)冷熱慣性帶來的供能延時問題和環(huán)控系統(tǒng)終端風機、水泵、閥門與負荷的動態(tài)匹配問題。為了達到系統(tǒng)柔性控制，提高綜合能效，于是在滿足空調(diào)系統(tǒng)正常使用的前提下采用風水聯(lián)動控制對其進行節(jié)能優(yōu)化是很有意義的。風系統(tǒng)和水系統(tǒng)本來就是一對耦合系統(tǒng)，相比較于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，風水聯(lián)動系統(tǒng)的能效更高。合理的運用風水聯(lián)動控制針對工程上經(jīng)常遇到的“大管網(wǎng)，小流量”的問題，基于空調(diào)負荷預測，研究能源終端風水聯(lián)供智能優(yōu)化策略，解決環(huán)控系統(tǒng)冷熱慣性帶來的供能延時問題，實現(xiàn)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)終端風機、水泵、閥門與負荷的動態(tài)匹配，達到系統(tǒng)柔性控制，提高綜合能效。本文以地鐵車站通風空調(diào)風水聯(lián)動控制系統(tǒng)為對象，介紹其控制原理，分析其節(jié)能潛力，并對其技術(shù)現(xiàn)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(lián)動系統(tǒng)的控制原理

2.1傳統(tǒng)控制系統(tǒng)

地鐵車站的通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)組成通風空調(diào)系統(tǒng)，其一是空調(diào)風系統(tǒng)，其二是空調(diào)水系統(tǒng)，當風系統(tǒng)正常運行時，地鐵站中的公共區(qū)和工作區(qū)都能夠為所在區(qū)域人員提供足夠舒適的環(huán)境，除了人員能夠獲得足夠舒適的環(huán)境以外，所在區(qū)域的設(shè)備也能獲得足夠的運行環(huán)境條件。在滿足以上條件的同時，風系統(tǒng)必須有能夠迅速排除煙氣，以防止火災的發(fā)生。而對于水系統(tǒng)來說，主要是以水為冷媒為地鐵車站的空調(diào)系統(tǒng)提供冷源。地鐵車站通風空調(diào)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(huán)境、人流與車站內(nèi)的設(shè)備（軌道列車、照明設(shè)備等裝置）導致的熱量以及空氣物質(zhì)的濃度變化。地鐵站通風空調(diào)內(nèi)設(shè)備復雜，它們都是以統(tǒng)一的集中監(jiān)控平臺來協(xié)調(diào)不同系統(tǒng)的各個獨立環(huán)節(jié)。目前一般的通風空調(diào)系統(tǒng)中，通常是在不同的季節(jié)調(diào)整風量的大小以及運行時間，由BAS系統(tǒng)照固定的參數(shù)運轉(zhuǎn)風機，通過不同的頻率控制風機的運行。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的風系統(tǒng)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(jié)變化不穩(wěn)定導致當時對應的參數(shù)負荷與風機頻率的不匹配，所以會出現(xiàn)能源資源浪費的情況。其空調(diào)水系統(tǒng)中水泵的頻率是不變的，用既定的空調(diào)冷凍水、冷卻水流量，通過負荷調(diào)節(jié)來達到節(jié)能控制。對于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)來說，沒辦法有效的結(jié)合風系統(tǒng)和水系統(tǒng)使之達到合理的能源利用。

2.2風水聯(lián)動控制系統(tǒng)

風水聯(lián)動控制系統(tǒng)（圖1）是通過各種傳感器獲取車站不同空間的實時數(shù)據(jù)，然后通過這些傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行倪M行信息處理計算，最后得出相應的節(jié)能設(shè)備控制策略。其可以在保證其余優(yōu)先條件的前提下將空調(diào)系統(tǒng)的能耗降到最低，通過風水系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)使整個風水系統(tǒng)處于高效的運行狀態(tài)，完成車站冷負荷最低化的運算以及通風空調(diào)系統(tǒng)運行能耗最低化的運行方案，并制定相應的設(shè)備控制策略，使車站通風空調(diào)系統(tǒng)綜合能耗值達到最低值的智能控制系統(tǒng)。地鐵站通過對水系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)設(shè)備的自動控制，實現(xiàn)了空調(diào)設(shè)備的高效運行并將風水聯(lián)動控制系統(tǒng)的智能控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)共同應用于地鐵站點的環(huán)境控制和能源管理中，系統(tǒng)自動化程度高?？照{(diào)系統(tǒng)由設(shè)備控制系統(tǒng)BAS確定工況并決定運行模式，信息共享于風水聯(lián)動系統(tǒng)和BAS系統(tǒng)，由于地鐵站風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的運行不需要監(jiān)控且能夠分析和評價系統(tǒng)能效的重要操作，風水聯(lián)動系統(tǒng)的控制效果穩(wěn)定，擁有更好的節(jié)能效果（圖2）。

3風水聯(lián)動系統(tǒng)的技術(shù)研究現(xiàn)狀

一般的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)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(diào)系統(tǒng)尤其復雜。風系統(tǒng)和水系統(tǒng)相輔相成，所以將兩者有效地結(jié)合起來建立算法進行分析可以實現(xiàn)風水聯(lián)動智能化控制，使風系統(tǒng)、水系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)節(jié)能效益。考慮到環(huán)控系統(tǒng)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(zhì)中吸熱量后,加熱自身、使溫度提高到穩(wěn)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(zhì)的溫度變化。在空調(diào)負荷預測的基礎(chǔ)上，研究風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)，通過傳感器采集空間建筑內(nèi)不同點處的數(shù)據(jù)，使空間建筑空調(diào)在滿足其余要求的前提下達到節(jié)能最大化。風水聯(lián)動控制系統(tǒng)由于客流的改變，空氣流動的狀態(tài)變化，通過運算和可行的方案使空調(diào)系統(tǒng)COP達到最大值，實現(xiàn)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)終端風機、水泵、閥門與負荷的動態(tài)匹配，達到系統(tǒng)柔性控制，提高綜合能效。地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)由大系統(tǒng)、小系統(tǒng)和水系統(tǒng)構(gòu)成，三部分組成一有機的整體，共同作用完成車站環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)和BAS系統(tǒng)對車站內(nèi)的實時數(shù)據(jù)信息等是處于共享狀態(tài)的。一般情況下風水聯(lián)動控制系統(tǒng)根據(jù)信息的改變而做到實時變化對空調(diào)系統(tǒng)進行調(diào)控以達到合理優(yōu)化的運行減少能量的損失，且對于不同信息不同負荷下，產(chǎn)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(jié)能目的。風水聯(lián)動控制系統(tǒng)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(lián)動智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)負荷變化調(diào)節(jié)空間送、排風機運行頻率，并同時對空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備實際運行參數(shù)進行調(diào)節(jié)；阻塞運行工況，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)不再執(zhí)行節(jié)能策略，水系統(tǒng)各設(shè)備保持原運行狀態(tài)，風系統(tǒng)不再執(zhí)行節(jié)能策略，權(quán)限交由建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)BAS系統(tǒng)控制；火災運行工況，水系統(tǒng)關(guān)閉，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)不參與設(shè)備控制，風系統(tǒng)設(shè)備由BAS系統(tǒng)控制。風水聯(lián)動智能化節(jié)能控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡對各個子系統(tǒng)進行全局協(xié)調(diào)控制，為數(shù)據(jù)與控制命令的快速傳輸打好基礎(chǔ)。每個子系統(tǒng)控制箱內(nèi)均設(shè)置有獨立的計算機，通過計算結(jié)果再輔以先進的智能控制策略全局聯(lián)合調(diào)控空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備頻率、水閥開度，由此，實現(xiàn)了根據(jù)末端負荷變化自動進行變風量、變流量的智能控制。

4節(jié)能潛力

4.1節(jié)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(jié)能和環(huán)保認識，空間建筑的空調(diào)系統(tǒng)是耗能大戶，我們要通過減少空調(diào)系統(tǒng)的高能耗來達到能源合理利用的目的。地鐵站通風空調(diào)系統(tǒng)的運行由于客流量、運行季節(jié)以及外界環(huán)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(lián)動智能控制可以有效地做出調(diào)節(jié)，有效的節(jié)省運行能源損耗。起初，地鐵站中通過現(xiàn)場人工調(diào)節(jié)控制，增加或減少主電機和水泵的數(shù)量，達到了節(jié)能的效果。這種辦法比較麻煩且沒辦法很好的根據(jù)實時數(shù)據(jù)做出改變。現(xiàn)在由于采用BAS設(shè)備監(jiān)控控制系統(tǒng)多采用模糊控制方式，所謂模糊控制方式，是采集實時現(xiàn)場參數(shù)、溫度、二氧化碳等，然后對比自己的歷史數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)，預測出未來的能耗和負荷的變化，然后根據(jù)這個預測的變化，選擇是調(diào)節(jié)風系統(tǒng)好還是調(diào)節(jié)水系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫里面的歷史數(shù)據(jù)做的預測。而現(xiàn)場的環(huán)境時刻都有變化，并且是不可知的，歷史數(shù)據(jù)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(shè)定值時，風系統(tǒng)和水系統(tǒng)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(lián)動的效果。比如預測表明，達到設(shè)定值，風控制比水控制節(jié)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(xiàn)有的模糊控制方式預測不準確且達不到實時聯(lián)動的效果，難以根據(jù)現(xiàn)場的情況動態(tài)調(diào)節(jié)，會造成能源浪費，不能達到最佳的節(jié)能效果。現(xiàn)有的地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的控制通過傳感器等采集車站內(nèi)的溫度以及空氣物質(zhì)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(shù)來選擇風系統(tǒng)和水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，此預測參數(shù)與對現(xiàn)場的實時參數(shù)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(huán)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(shù)據(jù)實時分析實時調(diào)整的聯(lián)動控制，且由于不能進行實時控制就難以對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行分析，對單獨的風系統(tǒng)和水系統(tǒng)的使用會極大的造成資源的浪費，于是提出風水聯(lián)動控制節(jié)能的方式。在地鐵車站中，風水聯(lián)動控制系統(tǒng)根據(jù)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(lián)動模擬系統(tǒng)及平臺，實驗節(jié)能率可達15%左右（圖3）。關(guān)于暖通空調(diào)系統(tǒng)，許多工程上使用EnegyPlus對其進行建模以預測評估暖通空調(diào)控制的潛在節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計空調(diào)系統(tǒng)在地鐵空間里的占比是非常大的，特別是對于空調(diào)季節(jié)以及過渡季節(jié)，其能耗通常能達到50%～60%的一個高耗能數(shù)據(jù)。在采用風水聯(lián)動控制系統(tǒng)之后，往往會很可觀的減少這一比例（圖4）。

4.2風水聯(lián)動系統(tǒng)的能耗分析

李軍等人對南寧地鐵１號線通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀進行了分析，通過負荷預測對節(jié)能和非節(jié)能模式進行了對比測試，系統(tǒng)綜合節(jié)能達到42.8%，采用風水聯(lián)動節(jié)能措施后，通風空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制達到節(jié)能目的。楊卓等人對比分析了傳統(tǒng)定量控制系統(tǒng)和風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)，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(lián)動智能控制系統(tǒng)，通過動態(tài)調(diào)節(jié)風、水系統(tǒng)使整體高效運行達到節(jié)能目標。在運行相同時間下，相同設(shè)備下，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)交替運行下得出結(jié)論風水聯(lián)動控制比傳統(tǒng)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(huán)控系統(tǒng)執(zhí)行風水聯(lián)動控制，在不同季節(jié)工況下對其每天的能耗進行采集，通過調(diào)試節(jié)能系統(tǒng)統(tǒng)計能耗數(shù)據(jù)，對節(jié)能模式以及普通模式進行對比分析，在實施風水聯(lián)動自動調(diào)節(jié)后比之前常規(guī)模式節(jié)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(jié)和空調(diào)季節(jié)里負荷的變化以及能耗變化，通過現(xiàn)場試驗采用風水聯(lián)動控制，實現(xiàn)風系統(tǒng)和水系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，對數(shù)據(jù)進行動態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)后達到在通風季節(jié)節(jié)能率可達70%，在空調(diào)季節(jié)節(jié)能率可達30%，全年節(jié)電率為57%。據(jù)統(tǒng)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(chǎn)業(yè)看，第一產(chǎn)業(yè)用電量1023億千瓦時，同比增長16.4%；第二產(chǎn)業(yè)用電量56131億千瓦時，同比增長9.1%；第三產(chǎn)業(yè)用電量14231億千瓦時，同比增長17.8%；城鄉(xiāng)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(diào)的能耗是我們節(jié)能的重點。

5結(jié)語

隨著地鐵交通規(guī)模的日益壯大，其技術(shù)水平的發(fā)展使得能源消耗不斷提高，對于通風空調(diào)的需求也就日益增加，從經(jīng)濟健康、節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)，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(lián)動智能控制系統(tǒng)的原理與技術(shù)現(xiàn)狀，對其節(jié)能潛力進行分析相比較傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，通過實時的負荷來改變工況頻率的風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)能更有效的達到節(jié)能的目的。目前風水聯(lián)動存在兩個主要的問題：其一是風水聯(lián)動控制系統(tǒng)的成本投資較高，由于EMCS系統(tǒng)需要獨立存在，目前尚且不能和風水聯(lián)動控制系統(tǒng)有效結(jié)合。其二是在某些時間段，一些空間存在的溫度會突然產(chǎn)生變化，導致負荷的變化，系統(tǒng)調(diào)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(jié)能已經(jīng)成為國際發(fā)展的大趨勢，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)對于地鐵站的節(jié)能極具有效性，應在解決目前所出現(xiàn)的主要問題的基礎(chǔ)上，更加更好的利用風水聯(lián)動控制系統(tǒng)對大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)進行有效的節(jié)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(shù)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(wǎng)需求響應重點實驗室（上海電器科學研究所（集團）有限公司）