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摘要：随着社会的不断发展，地铁已成为公共交通的主要出行工具。为了提高城市土地利用资源，大多城市地铁都是建设在地下，在地下车站中，需要设置可靠的通风空调系统为车站设备和乘客提供安全可靠、舒适惬意的环境。而地铁通风空调系统的能耗在地铁总能耗中所占的比例相当高，甚至超过了列车的牵引能耗。当今节能减排已经成为国家重要的战略目标，在后续地铁建设中必须要面对和解决的问题。
关键词：地铁；通风空调；节能；控制
1、通风空调系统负荷特征分析
地铁车站空调系统负荷主要包括设备负荷、列车负荷、人员负荷和新风负荷。其中车站设备负荷在地铁运行期间相对稳定，基本是一个定值，而且其散热量较小，可以暂不予考虑。车站内变化负荷为客流人体散热负荷和列车空调及制动负荷，所以早晚高峰时期，人员密集，行车间隔短，站内空调负荷较大，因此站内负荷变化与客流变化存在近似正比关系，如图所示。
新风负荷的选取要满足人员要求的最小风量、维持最小换气次数、维持站内正压、有害物质浓度控制新风量中的最大值，且不应该小于系统总风量的10%。
从上面的描述可以看出，地铁通风空调系统的负荷具有以下特征：
空调负荷变化大，会对系统形成较大的干扰；
空气的调节过程是高度非线性的，各个执行机构的动作过程也是非线性的；
地铁站厅、站台的空间很大，温度的变化缓慢，具有非常明显的滞后性。
空调冷量计算公式为：Q = C×P×L×（tn－ts）
式中
C——空气的比热容[kJ/(kg?℃)]；
P——空气密度(kg/m3)；
L——送风量(m3/s)；
tn——室内温度(℃)；
ts——送风温度(℃)；
Q——吸收（或送入）室内的热流量(kW)。
从上式看出，当要改变车站空调系统冷量，可以通过调节送风量L和改变送风温度ts来实现，因此可以改变送风温度或送风量来维持室温不变，这就是通风空调系统工作原理。
2、通风空调系统控制方案探讨
早期建成的地铁，采用人工控制的方法来增加或减少投入运行的冷水主机数量和水泵台数，以达到控制的目的，该方式分级调节粗糙、实时性差，且受设备配置和人为因素影响较大。随着科学技术的发展，地铁车综合监控系统和环境与设备监控系统技术也逐渐成熟，并应大力推广使用，利用BAS系统对现场温度、湿度和二氧化碳等传感器的数据，调节车站通风空调系统相关设备。在地铁中常见的几种方式如下：
2.1 变冷量定风量控制
定风量、变冷量的控制是指维持风量不变、改变通风空调的冷水流量（冷量）来进行控制。定风量即为车站风机（送风机、排风机）的速度不变维持风量，变冷量即为通过改变空调器末端回水二通阀的开度来改变冷水流量即冷量。
BAS 控制系统采用定风量变流量的控制方式，把温度传感器测量的回风（室内）温度Tf 送入BAS系统PLC控制器与设定值Tg 比较，根据温度Δ±T 偏差，由PLC 控制器按PID 规律调节冷冻回水调节阀开度以达到控制冷冻水回水流量Ts，从而可以控制空调机组的制冷量Tk。同时，组合空调机组和新风机以固定转速运行，其送风量Gk1 和Gk2 为定值。使站内温湿度保持在设定的温度规定范围内。控制原理如图1所示。
图2 大系统定冷量变风量控制示意图
车站两端分别设置一个新温度和一个回风温度，同时两端各设置一台变频送机和一台变频排风机。车站两端为两个风回路，将车站站台平均温度作为反馈量，与综合监控系统设定值比较经PID计算后输出控制变频风机，调节风量，从而及时控制站厅、站台公共区的室温达到规定值。
2.3 变风量变冷量控制
变风量控制主要由设在车站两端的组合式空调机组和回排风机来实现，在送风机和回排风机上均配备变频器，用来改变送风机和回排风机的转速，可方便地调节送风量和回风量，使空调大系统成为变风量系统。在设计送风机和回风机的选型和频率控制时，应考虑遵循送风量>回风量，确保车站保持正压，这样不仅能随时改变供风量，以适应风量需求的变化，同时也有显著的节能效果。
综合监控系统可以通过自动售检票系统和屏蔽门系统，获知车站进出站客流及列车行车密度，通过综合计算人员负荷负荷和列车负荷，提前调节车站空调系统相关运行参数，避免系统调节的滞后，运行车站舒适性。
通过综合监控系统与自动售检票系统、屏蔽门系统及环境与设备控制系统的接口，综合监控可获知当前时段进闸人数和出闸人数等客流信息、列车行车密度以及站内的CO2传感器采集的信息，然后由综合监控系统根据这些信息实时计算系统的新风负荷和人员负荷。
为了提高系统的调节品质，把新风负荷和人员负荷做为正反馈信号加入站内温度调节系统，当空调负荷波动时，正反馈控制器可在车站温、湿度负反馈产生纠正作用前就发出校正指令，可加快系统的响应速度，有效防止系统的振荡，实现通风空调系统的节能优化运行。控制原理如下图3所示。
图3 变冷量变风量控制示意图
3 总结
定风量变流量控制方式存在冷水量不能随风量同步变化的问题，削弱了风量的调节作用。而且地铁通风空调系统的负荷具有多干扰、高度非线性、不确定性、大滞后的特征，如果控制模型单纯采用负反馈控制，容易造成系统的波动和震荡，难以达到预想的控制效果。
变风量定流量控制方式存在风量不能随冷水量同步变化的问题，削弱了二通阀的调节作用。通定风量变流量控制方式相同，地铁通风空调系统的符合干扰较多、非线性、不确定等，控制模型单一系统容易波动和震荡，控制效果可能不是非常理想。
采用变风量变流量优化方案的优点是：发挥变频器调节风量的优势，引入正反馈和负反馈控制，用于调节组合空调和新风机的出风量以适应负荷的波动。对末端冷水量的调节引入正反馈控制，使冷水量随风量同步变化，增加了风量调节的有效范围，缩短了冷水量调节的响应时间。该方案考虑了冷水量和风量的配合问题，将变风量控制和变流量控制有机的结合在一起，使整个通风空调系统的性能得到了进一步的优化，而且该方案结构清晰、控制流程简单、易于组态、容易编程，可以有效的节约地铁运营的能耗。
表1 三种控制方案比较
方案
项目变风量定流量定风量变流量变风量变流量
节能效果较明显较明显很明显
技术难度较易较易较难
成本适中适中较高
施工难度一般一般较高
后期维护一般一般复杂
比选结果大系统应用较多小系统应用较多√
综合上述表1分析比较，变风量变流量控制将风量和水量有机结合，虽然存在着逻辑关系复杂等缺点，但是总体来看，这种控制方式是未来地铁通风空调系统发展的方向和趋势，而且随着技术的发展，变风量变流量控制中存在的一些问题也必将获得解决。但就目前而言，因为变风量变水量的控制方案缺少较好的数学模型，所以基本上应用很少。地铁车站中主要的控制方式是大系统采用变风量定流量、小系统采用定风量变流量的控制方式。
参考文献
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论文作者:吴锡金
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/15
标签：风量论文; 负荷论文; 地铁论文; 车站论文; 系统论文; 空调系统论文; 空调论文; 《防护工程》2017年第20期论文;