风水联动节能控制技术探讨

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摘要：目前我国建筑能耗的比例逐年上涨，对于大空间建筑的能耗主要来源于空调系统。本文针对地铁站等高大空间，通过采用更有效的风水联动控制系统来提高能源利用率，在满足运行及舒适度等前提要求下实现节能优化。通过分析风水联动控制系统的原理和技术现状研究以及对传统控制系统的能耗和风水联动控制系统的能耗进行对比总结可以直观有效的了解风水联动控制系统的节能潜力。

关键词：大空间；地铁站；风水联动节能系统

1前言

由于大空间的空间尺寸形状的特殊性，其能耗是非常巨大，尤其是在空调能耗这一块。截至2020年底，中国轨道交通运营城市45个，运营线路244条，运营线路总长度7969.7km，完成客运量175.9亿人次。我国地铁车站这么大体量的耗能量是巨大的，其中牵引用电约占总能耗40%，通风空调系统是地铁车站的主要能耗并且也是可以降低其能耗的主要体现方面。以地铁为代表的城市轨道交通的电力能源消耗主要体现在地铁列车的牵引用电和通风空调系统用电两个方面，在现有地铁线的实际耗能统计中，通风空调系统的能耗已经达到了地铁总能耗的50%左右。其空调能耗大的主要原因是因为风系统和水系统无法解决环控系统冷热惯性带来的供能延时问题和环控系统终端风机、水泵、阀门与负荷的动态匹配问题。为了达到系统柔性控制，提高综合能效，于是在满足空调系统正常使用的前提下采用风水联动控制对其进行节能优化是很有意义的。风系统和水系统本来就是一对耦合系统，相比较于常规的空调系统，风水联动系统的能效更高。合理的运用风水联动控制针对工程上经常遇到的“大管网，小流量”的问题，基于空调负荷预测，研究能源终端风水联供智能优化策略，解决环控系统冷热惯性带来的供能延时问题，实现空调环控系统终端风机、水泵、阀门与负荷的动态匹配，达到系统柔性控制，提高综合能效。本文以地铁车站通风空调风水联动控制系统为对象，介绍其控制原理，分析其节能潜力，并对其技术现状进行研究，最后展望其在未来应该如何更好应用在空间建筑场景里。

2风水联动系统的控制原理

2.1传统控制系统

地铁车站的通风空调系统设计往往是超过运行使用阶段的，所以一般都具有较大的余量。有两大主要的系统组成通风空调系统，其一是空调风系统，其二是空调水系统，当风系统正常运行时，地铁站中的公共区和工作区都能够为所在区域人员提供足够舒适的环境，除了人员能够获得足够舒适的环境以外，所在区域的设备也能获得足够的运行环境条件。在满足以上条件的同时，风系统必须有能够迅速排除烟气，以防止火灾的发生。而对于水系统来说，主要是以水为冷媒为地铁车站的空调系统提供冷源。地铁车站通风空调的使用是以空间的温度和舒适度为导向，而导致空间温度和舒适度变化的条件主要是来源于外界环境、人流与车站内的设备（轨道列车、照明设备等装置）导致的热量以及空气物质的浓度变化。地铁站通风空调内设备复杂，它们都是以统一的集中监控平台来协调不同系统的各个独立环节。目前一般的通风空调系统中，通常是在不同的季节调整风量的大小以及运行时间，由BAS系统照固定的参数运转风机，通过不同的频率控制风机的运行。传统空调系统的风系统不考虑地铁车站不同时间不同空间的负荷，如由于人流和季节变化不稳定导致当时对应的参数负荷与风机频率的不匹配，所以会出现能源资源浪费的情况。其空调水系统中水泵的频率是不变的，用既定的空调冷冻水、冷却水流量，通过负荷调节来达到节能控制。对于传统控制系统来说，没办法有效的结合风系统和水系统使之达到合理的能源利用。

2.2风水联动控制系统

风水联动控制系统（图1）是通过各种传感器获取车站不同空间的实时数据，然后通过这些传感器将数据传输到信息处理中心进行信息处理计算，最后得出相应的节能设备控制策略。其可以在保证其余优先条件的前提下将空调系统的能耗降到最低，通过风水系统的动态调节使整个风水系统处于高效的运行状态，完成车站冷负荷最低化的运算以及通风空调系统运行能耗最低化的运行方案，并制定相应的设备控制策略，使车站通风空调系统综合能耗值达到最低值的智能控制系统。地铁站通过对水系统和空气系统设备的自动控制，实现了空调设备的高效运行并将风水联动控制系统的智能控制技术、系统集成技术、计算机技术、网络通信技术、数据库技术和变频调速技术共同应用于地铁站点的环境控制和能源管理中，系统自动化程度高。空调系统由设备控制系统BAS确定工况并决定运行模式，信息共享于风水联动系统和BAS系统，由于地铁站风水联动智能控制系统能够实现整个系统的运行不需要监控且能够分析和评价系统能效的重要操作，风水联动系统的控制效果稳定，拥有更好的节能效果（图2）。

3风水联动系统的技术研究现状

一般的空调系统设备占用面积很大，对于地铁车站这种空间建筑来说，通风空调系统尤其复杂。风系统和水系统相辅相成，所以将两者有效地结合起来建立算法进行分析可以实现风水联动智能化控制，使风系统、水系统协调工作实现节能效益。考虑到环控系统冷热惯性带来的供能延时问题，由于冷、热接点具有一定的热容量，接点从介质中吸热量后,加热自身、使温度提高到稳定值需要一定的时间。即热接点的温度变化，在时间上总是滞后于被测介质的温度变化。在空调负荷预测的基础上，研究风水联动智能控制系统，通过传感器采集空间建筑内不同点处的数据，使空间建筑空调在满足其余要求的前提下达到节能最大化。风水联动控制系统由于客流的改变，空气流动的状态变化，通过运算和可行的方案使空调系统COP达到最大值，实现空调环控系统终端风机、水泵、阀门与负荷的动态匹配，达到系统柔性控制，提高综合能效。地铁车站通风空调系统由大系统、小系统和水系统构成，三部分组成一有机的整体，共同作用完成车站环境参数的自动调节。风水联动智能控制系统和BAS系统对车站内的实时数据信息等是处于共享状态的。一般情况下风水联动控制系统根据信息的改变而做到实时变化对空调系统进行调控以达到合理优化的运行减少能量的损失，且对于不同信息不同负荷下，产生对应的控制手段和算法以保证其满足其余要求的前提下达到节能目的。风水联动控制系统是通过实时信息的变化得到不同负荷下的运行情况，同时风水联动智能控制系统可以根据室内负荷变化调节空间送、排风机运行频率，并同时对空调水系统设备实际运行参数进行调节；阻塞运行工况，风水联动智能控制系统不再执行节能策略，水系统各设备保持原运行状态，风系统不再执行节能策略，权限交由建筑设备自动化系统BAS系统控制；火灾运行工况，水系统关闭，风水联动智能控制系统不参与设备控制，风系统设备由BAS系统控制。风水联动智能化节能控制系统通过网络对各个子系统进行全局协调控制，为数据与控制命令的快速传输打好基础。每个子系统控制箱内均设置有独立的计算机，通过计算结果再辅以先进的智能控制策略全局联合调控空调系统设备频率、水阀开度，由此，实现了根据末端负荷变化自动进行变风量、变流量的智能控制。

4节能潜力

4.1节能的重要性

当今社会对能源的需求不断地上升，能源短缺可以决定一个国家的走势，于是人们越来越有节能和环保认识，空间建筑的空调系统是耗能大户，我们要通过减少空调系统的高能耗来达到能源合理利用的目的。地铁站通风空调系统的运行由于客流量、运行季节以及外界环境的不同，其运行模式也应该适应不同负荷做出相应改变，通过风水联动智能控制可以有效地做出调节，有效的节省运行能源损耗。起初，地铁站中通过现场人工调节控制，增加或减少主电机和水泵的数量，达到了节能的效果。这种办法比较麻烦且没办法很好的根据实时数据做出改变。现在由于采用BAS设备监控控制系统多采用模糊控制方式，所谓模糊控制方式，是采集实时现场参数、温度、二氧化碳等，然后对比自己的历史数据库里面的数据，预测出未来的能耗和负荷的变化，然后根据这个预测的变化，选择是调节风系统好还是调节水系统好。上述模糊控制方式存在如下问题：首先，模糊控制方式是对比自身数据库里面的历史数据做的预测。而现场的环境时刻都有变化，并且是不可知的，历史数据并不能准确的做出未来能耗的预测；其次，因为模糊控制方式是预测未来达到设定值时，风系统和水系统的能耗曲线，所以必须是单纯的选择风控制还是水控制，在控制过程中不能变化，达不到实时联动的效果。比如预测表明，达到设定值，风控制比水控制节能，但是可能是风控制开始能耗大，后期慢，总的能耗少，若是实时变化的话，开始就选择了水控制而不是风控制了。因为现有的模糊控制方式预测不准确且达不到实时联动的效果，难以根据现场的情况动态调节，会造成能源浪费，不能达到最佳的节能效果。现有的地铁通风空调系统的控制通过传感器等采集车站内的温度以及空气物质浓度等来预测出未来的负荷变化，预测负荷变化得到一个固定的参数来选择风系统和水系统的调节，此预测参数与对现场的实时参数是没有参考性的。于是对于这种控制方式就会存在一些不可控的问题，对于环境负荷的变化，我们是不可控的。对未来负荷能耗的预测不能只是一个固定值，控制进行过程中，做不到实时数据实时分析实时调整的联动控制，且由于不能进行实时控制就难以对现场的数据进行分析，对单独的风系统和水系统的使用会极大的造成资源的浪费，于是提出风水联动控制节能的方式。在地铁车站中，风水联动控制系统根据负荷做出相应运行方案的改变使效益最大化。下面是风水联动模拟系统及平台，实验节能率可达15%左右（图3）。关于暖通空调系统，许多工程上使用EnegyPlus对其进行建模以预测评估暖通空调控制的潜在节能。据统计空调系统在地铁空间里的占比是非常大的，特别是对于空调季节以及过渡季节，其能耗通常能达到50%～60%的一个高耗能数据。在采用风水联动控制系统之后，往往会很可观的减少这一比例（图4）。

4.2风水联动系统的能耗分析

李军等人对南宁地铁１号线通风空调系统的能耗现状进行了分析，通过负荷预测对节能和非节能模式进行了对比测试，系统综合节能达到42.8%，采用风水联动节能措施后，通风空调系统的综合能效比提升30%，冷水机房能效提升了22.9%，整个通风空调系统实现节能优化控制达到节能目的。杨卓等人对比分析了传统定量控制系统和风水联动智能控制系统，对上海轨道交通13号线二、三期工程采用多传感器布点的风水联动智能控制系统，通过动态调节风、水系统使整体高效运行达到节能目标。在运行相同时间下，相同设备下，风水联动智能控制系统和传统控制系统交替运行下得出结论风水联动控制比传统控制的方法耗电量减少了27%。韩海鹏等人通过对西安地铁四号线车站采用BAS环控系统执行风水联动控制，在不同季节工况下对其每天的能耗进行采集，通过调试节能系统统计能耗数据，对节能模式以及普通模式进行对比分析，在实施风水联动自动调节后比之前常规模式节能21.18%。王晓保等人以上海地铁7号线皋路站为例，分析不同工况下在通风季节和空调季节里负荷的变化以及能耗变化，通过现场试验采用风水联动控制，实现风系统和水系统协调工作，对数据进行动态跟踪调节后达到在通风季节节能率可达70%，在空调季节节能率可达30%，全年节电率为57%。据统计，2021年全社会用电量83128亿千瓦时，同比增长10.3%，较2019年同期增长14.7%，两年平均增长7.1%。分产业看，第一产业用电量1023亿千瓦时，同比增长16.4%；第二产业用电量56131亿千瓦时，同比增长9.1%；第三产业用电量14231亿千瓦时，同比增长17.8%；城乡居民生活用电量11743亿千瓦时，同比增长7.3%。所以对于能耗的控制尤其是大空间通风空调的能耗是我们节能的重点。

5结语

随着地铁交通规模的日益壮大，其技术水平的发展使得能源消耗不断提高，对于通风空调的需求也就日益增加，从经济健康、节能环保的角度出发，在满足日常生活所需的前提下，迫切的需要满足低碳的要求。通过分析风水联动智能控制系统的原理与技术现状，对其节能潜力进行分析相比较传统的控制系统，通过实时的负荷来改变工况频率的风水联动智能控制系统能更有效的达到节能的目的。目前风水联动存在两个主要的问题：其一是风水联动控制系统的成本投资较高，由于EMCS系统需要独立存在，目前尚且不能和风水联动控制系统有效结合。其二是在某些时间段，一些空间存在的温度会突然产生变化，导致负荷的变化，系统调控起来较为困难。目前这两个问题都还需进一步研究，找出原因并解决。大空间建筑的节能已经成为国际发展的大趋势，风水联动智能控制系统对于地铁站的节能极具有效性，应在解决目前所出现的主要问题的基础上，更加更好的利用风水联动控制系统对大空间建筑空调系统进行有效的节能控制。

作者：刘正文 廖丽娜 杨海涛 董子文 杨涌文 胡桐月 单位：茂盟（上海）工程技术股份有限公司 茂盟（上海）新能源科技有限公司 上海电力大学 上海市智能电网需求响应重点实验室（上海电器科学研究所（集团）有限公司）