北京和利时系统工程有限公司

    由图可知，地铁空调系统的最终目标在于以室内温度为控制对象的室内冷量需求，而其源在冷水机组的冷量供应。从系统末端向中心共有6个调节点：送风机、回排风机、二通阀、二次泵、冷水机组、冷却塔。每个调节点的控制环环相扣，将整个系统有机地整合在一起。室内冷量需求影响着送风机转速；当送风量达到最大尚不能满足冷负荷时，就调节二通阀开度；当二通阀开度增大，空调末端冷冻水流量增大，为了保证系统最坏回路的压差，就要调节二次泵转速；若一台二次泵不够则启动多台；当由供回水温差和流量决定的冷量负荷超过单台冷水机组负荷时，启动多台冷水机组；当所有二次泵转速及冷水机组负荷都达到极限（极限指设备运行最佳效率的区间范围）时，就只能降低冷水机组出水温度来满足极限负荷要求；伴随冷水机组制冷量的变化及外界气候的变化，还需调节冷却塔风机的转速及台数，以保证冷水机组的制冷效率。

    基于以上分析，空调系统全局控制的思路为：从末端开始，逐环保证调节点设备始终运行在最高效率区域。所以，调节方法为：首先保证送风机最高效率，并且满足所供即所需；为了空调区域压力恒定，回排风机应与送风机随动；接着保证二通阀开度在高效区之间，且送风温度在允许的范围内；然后调节二次泵，既要保证管网最不利末端压差，又要运行在水泵高效区；最后通过调节冷水机组台数及出水温度，提高冷机制冷效率，实现相对所产即所需；为保证冷水机组的高效运行，调节冷却塔风机转速或台数使冷却水回水温度控制在允许范围内。由此可见，整个空调系统不但了满足所有空调区域的负荷要求，实现环境状态最优，而且实现了所有工艺设备的最佳运行状态，达到了节能的目的。

    从末端溯源依次分析每个调节点的特性与功能，将整个空调系统分解为7个控制环节，每个环节调节不同的过程参数，在系统中起不同的作用，采取不同的节能措施，见表 1。
表1  地铁空调系统控制环节

    3.1 室内温度控制环节

    送风机的无级调速实际实现了送风量的无级变化。送风量的变化使车站的放热量与空调的吸热趋于平衡，从而使室内温度控制在一定的范围内。室温控制环节实质是空调送风机定风温变风量控制系统，采用一个室内温度闭环PID调节回路。

    3.2 室内压力控制环节

    当送风机改变送风量时，应维持一定的室内正压。通过对回排风机变频调速，使回排风量变化与送风量相匹配，保证空调区域空气压力基本不变。本控制环节实质是回排风机随动控制系统，采用一个PID闭环调节回路。

    3.3 送风温度控制环节

    控制送风温度体现了系统空气调节的水平与能力，是实现室温控制的基础。控制送风温度的目的是：减少室外空气变化对室内温度的干扰，使室内温度比较容易控制；避免过大送风温差，但要利用允许的送风温差来节能。
送风温度控制环节实质是空调末端二通阀在定压差下的变流量控制系统。为了获得较好的控制品质，引入串级控制方式。其中，主回路（外环）为送风温度控制回路，控制量为送风温度，室外新风温度的变化作为回路的前置扰动；副回路（内环）为水量控制回路，控制量为二通阀开度。依靠副回路使得控制系统本身具有一定的自适应和抗干扰能力，消除系统的惯性和延迟，实现快速跟踪。阀门开度应在阀门高效区之间变化。

    对于地铁舒适性空调，允许温度有适当浮动，这有利于防止频繁调节振荡。另外，当空调区域负荷很小时，若能适当升高送风温度，还可节能。所以，送风温度设定值实际上是个范围，可以在保证送风机高效运行的前提下，在允许的范围内调整送风温度设定，以达到节能目的。

    3.4 冷水压差控制环节

    当末端由于负荷变化引起二通阀开关调节，使末端冷冻水流量变化，造成供回水总管压差变化，此时必须通过对二次泵的单泵变频调速及多泵台数控制调整总供水量，以维持系统最不利回路的空调末端压差基本不变。这就是二次泵变水量系统基于需求的控制策略，也是最节能的控制方法。冷冻水压差控制环节实质是二次泵在一定压差下的变流量控制系统。

    二次泵变水量系统以保证管网上最不利回路的空调末端压差为控制目标。一般选择系统最不利（最远端或最重要）空调末端回路的压差作为控制设定值。然而，这个最不利的压差点是随着各车站及车站各处负荷的变化而变化的。虽然远端比较近端更容易处于最不利状态，但是当近端负荷很大，远端负荷很小时，最不利压差点就不一定是在管路的最远端。这就产生了变压差控制，即检测所有空调末端的二通阀开度和负荷率水平，不断寻找最坏末端回路，以最坏点压差重新调整压差设定值，使系统压力维持在刚好满足负荷需求的水平上，即系统内相对负荷率最大的空调末端的二通阀刚好处于全开状态。

    3.5 冷源流量控制环节

    用冷量来控制冷水机组的运行台数，是目前最合理和节能的控制方式。台数控制的基本原则是：让设备尽可能处于高效运行；让相同型号的设备的运行时间尽量接近以保持其同样的运行寿命（通常优先启动累计运行小时数最少的设备）；满足用户侧低负荷运行的需求。控制的关键在于调试中找出最佳的启停切换点；还有就是运行台数控制程序中，应使冷水机组处于最佳工作效率点周围。

    3.6 冷源温度控制环节

    冷水机组出水温度通常都设为定值，取制冷高效范围的中间值，在上述所有控制环节均不能满足负荷要求时，方可降低此参数。根据冷水机组允许的冷冻水出水温度的可变化范围、冷冻水回水温差的可变化范围、空调末端二通阀开度及其供回水温差，对冷机出水温度设定进行优化控制。

    3.7 冷却水温度控制环节

    冷水机组制冷产生的热量需要通过冷却水循环系统在冷却塔中与室外大气进行热交换而带走。室外气候的变化会使冷却塔出水温度（即冷水机组冷却水回水温度）发生变化。将冷却塔风机采用变频调速，根据冷却塔出水温度自动调节风机转速和台数，保持出水温度基本不变。这样既节能又保证冷水机组运行在制冷效率高效区。若冷却塔风机为定速风机，可对其进行台数控制以保证冷却塔出水温度同时节能。

4 结束语

    本文分析和研究了地铁环境控制需求、地铁环控系统工艺过程及地铁热环境变化规律，运用模型抽象与解耦的研究方法，以既保证恰如其分地满足地铁负荷需求，又使所有设备高效运行，同时还尽量节能为基本思想，设计出一套地铁空调系统全面控制与节能方案。方案根据地铁空调系统结构，抽象出地铁环境控制网络，分解为7大控制环节，提出了各环节的控制方法，并大量应用风机变频、水泵变频、变风温、变台数等节能措施。经多条地铁工程应用证明，本方案能很好地跟踪系统负荷的动态变化，恰如其分地满足系统负荷需求，把能源消耗控制在较低的水平，同时又提高了地铁自动化和运营管理水平，对今后地铁建设和发展具有工程实践意义和应用指导价值。

参考文献：

    [1] 魏晓东．城市轨道交通自动化系统与技术[M]．北京：电子工业出版社，2004.

    [2] 北京城建设计研究院．2000-2002年度北京城建设计研究院优秀论文集．2002.

    [3] 薛殿华．空气调节[M]．北京：清华大学出版社,1991.

    [4] 涂植英．过程控制系统[M]．北京：机械工业出版社,1983.