水冷直膨式地铁空调节能控制系统原理研究

水冷直膨式地铁空调节能控制系统原理研究

陈智刚

广东西屋康达空调有限公司

摘要：一个地铁站点的空调系统通常由“大系统”空调设备、“小系统”空调设备、“冷却水”系统组成，每一个系统均带独立的本地控制系统，在执行本地控制的同时，通过通讯网络与集中监控系统进行数据上传，并依据集中监控系统的指令执行相应的运行模式切换。本文主要描述地铁空调集中监控系统与各设备本地控制系统的协同管理，本地控制系统的节能控制策略的实现，最终达到地铁空调以节能最大化运行的目的。

关键词：大系统，小系统，冷却水系统，节能，控制。

引言：传统地铁站点的控制系统为“冷水机+末端”控制系统，为了达到更大的节能效果，引入水冷直膨式地铁专用机组，此机组在本地与远程控制过程中，与传统控制系统存在较大的差异，针对此系统如何通过本地及远程的控制系统完美配合，达成智能与节能相结合的整体控制效果，是本次课题的主要研究方向。

一.地铁控制系统的组成部分

1.1网络结构

地铁站节能控制系统执行“分散控制、集中管理”的设计理念设置集中监控系统及设备本地控制系统两部分。

集中监控系统通过RS485总线的ModbusRTU协议与设备本地控制系统进行连接，负责整个通风空调系统的集中监视、控制和管理，并完成车站两端通风空调大、小系统中水冷直膨空调机组与冷却水系统间的协调控制。同时本站点的集中监控系统通过以太网通讯协议与车站BAS系统进行通讯，向BAS上传有关信息，并接收BAS的指令。

本地控制系统分为多个节能控制子系统：冷却水系统节能控制子系统、车站A端大系统水冷直膨空调机组节能控制子系统、车站B端大系统水冷直膨空调机组节能控制子系统、车站小系统水冷直膨空调机组节能控制子系统（多个），每个子系统间相对独立，各自根据其采集的参数进行系统内的设备的优化调节控制，系统间的协调控制由集中监控系统来实现完成。

1.2集中监控管理工作站

集中监控管理工作站属系统管理层设备，是整个通风空调节能控制系统的管理中心，一方面负责整个通风空调系统的集中监视和管理，并完成各子系统间的协调控制；另一方面用于将本节能控制系统的所有信息（环境参数信息、设备运行工况信息等）进行收集整理，并将其传送给车站BAS系统，供BAS系统进行集成，且BAS系统应可通过集中管理工作站对本节能控制系统中的设备进行启停操作。

集中管理工作站支持基于以太网接口与车站BAS系统进行通讯；通过RS485总线的ModbusRTU协议接口与车站两端通风空调大、小系统中水冷直膨空调机组和冷却水系统进行通讯。

1.3大系统水冷直膨空调机组节能控制子系统

大系统水冷直膨空调机组自带智能控制系统，能够根据车站公共区实时负荷需求对变频送风机、压缩机、冷却水比例积分阀等的自主控制，并接受集中管理工作站的指令。水冷直膨空调机组与大系统中小新风机和回排风机通过硬接线方式连接，实现连锁控制，通讯故障时小新风机和回排风机执行水冷直膨空调机组的硬接线指令。

1.4小系统水冷直膨空调机组节能控制子系统

小系统水冷直膨空调机组自带智能控制系统，能够根据车站公共区实时负荷需求对送风机、压缩机、冷却水比例积分阀等的自主控制，并接受集中管理工作站的指令。水冷直膨空调机组与小系统中小新风机和回排风机通过硬接线方式连接，实现连锁控制，通讯故障时小新风机和回排风机执行水冷直膨空调机组的硬接线指令。

1.5冷却水系统节能控制子系统

大系统和小系统的水冷直膨空调机组共用同一套冷却水系统。冷却水系统自带智能控制系统，能够根据大小系统实际冷却水流量需求和环境参数进行调节变频冷却水泵、冷却塔风机和有关水阀，实现节能控制。冷却水系统通过网络通讯方式与集中管理工作站连接，通过硬接线方式与大小系统的空调机组连接。冷却水系统通过接收启停指令执行相关设备的调节控制操作，通讯故障时执行硬接线指令。冷却水系统启动后，根据自身检测的参数进行调节各个部件的运行。

二．各系统的控制功能描述

2.1集中管理工作站软件功能

■风水协调控制功能

集中管理工作站具有有效完成地铁站通风空调水系统和风系统协调耦合控制的优化策略，解决系统惰性大，各环节交叉影响复杂，控制难以稳定等问题，具体控制原理如下：

集中管理工作站收到BAS的启动信号和相关模式指令后，按照指令启动或者停止各节能子系统。非火灾模式下，集中管理工作站先发启动信号给冷却水系统智能控制柜，冷却水系统按照实际需求依次启动有关水阀、冷却水泵、冷却塔风机，之后水泵频率根据实际需求自动调节，冷却塔风机根据实际需要启停。集中管理工作站检测到冷却水系统运行后发启动指令给大、小系统中的水冷直膨空调机组，水冷直膨空调机组启动后也可以通过硬接线联动冷却水系统启动，之后根据实际需求调节冷量输出。

BAS关机时发送关机指令给集中管理工作站，集中管理工作站先给中的水冷直膨空调机组发送关机指令，待检测到空调机组关闭后才发关机指令给冷却水系统，保证整个系统稳定可靠运行。另外大、小系统与冷却水系统的硬接线连锁功能进一步保证整个地铁通风系统的可靠性。

■设备的集中监视

可以实现对水系统和大、小统中各设备的运行状态、故障状态、环境参数、控制参数等信息进行集中监视，并可实现对设备的集中启停控制。

■集中报警功能

可实现对设备故障、参数越界、运行异常、通讯中断的集中报警处理。

■数据存储

系统可对所采集的各种数据进行长期存储，如直膨式空调机组COP、平均负荷、直膨式空调机组单位时间制冷量、累计制冷量，设备平均能耗、累计能耗、温度、湿度、压差、流量、水泵及风机频率、阀门开度等等各类信息。

■历史曲线

系统中储存的数据可以曲线、趋势图等形式进行呈现，使得对系统的分析直观便捷。

■数据查询分析

系统提供“数据查询”功能，可查询存储的数据表单中的详细数据，同时可以以EXCEL的方式对查询到的数据进行导出。

系统提供“数据统计分析”功能，可对数据表单中的数据以柱状图、饼状图、列表等方式进行呈现显示，并可按各种统计要求进行分类显示。

■权限管理

系统具有权限管理功能，需提供普通级、操作员级、管理员级三级权限。

■系统开放性

集中管理工作站支持基于工业以太网通讯协议与车站BAS系统进行通讯接口，从而实现集成控制与信息共享。

2.2大系统水冷直膨空调机组节能控制子系统软件功能

■控制功能

直膨式空调机组的制冷系统使用无级调载螺杆压缩机，压缩机容量调节通过调节滑阀执行，无级调载螺杆压缩机设置一个加载滑阀SV1，一个卸载滑阀SV2，控制系统根据受控温度实时值与设定值的偏差，通过PLC内部模糊算法判断当前冷量输出区域：急加载区-加载区-稳定区-卸载区-急卸载区-急停区，控制加载滑阀或卸载滑阀动作，满足冷量加载或卸载要求。

能级调节如下图所示：

出风频率与压缩机负荷特征曲线

控制系统使用恒定冷凝压力调节方式，实时检测制冷系统冷凝压力，并与目标值进行比较，通过控制系统内部PID运算冷却水阀开度需求，当压缩机处于卸载、或外部水温、水流量变化导致系统冷凝压力变化时，通过调节进入冷凝器的水流量（冷凝压力小于设定值，阀门关小，降低水流量；冷凝压力大于设定值阀门开大，增大水流量；冷凝压力与设定值一致，水阀开度不变），保证制冷系统冷凝压力恒定，满足在机组在不同工况下均达到可靠运行的目的，同时在机组冷量需求减少的状态下，减少冷却水的流量，达到节能效果。同时为了保证系统排气压力不高于保护值，控制系统设置冷却水阀最小开度及冷凝压力超限控制策略，及时补偿PID回路的运算结果。

大系统有以下工作模式可切换：正常运行（包括小新风空调工况、全新风空调工况、非空调季节工况、夜间运行工况）、火灾事故运行，以上各个模式可以在本地操作界面手动切换或者由集中管理工作站切换，以实现节能最佳和安全运行的目的。

■调节模式

系统对受控设备提供丰富多样的调节功能，可以满足系统的各种调节要求，调节功能包含本地自动、本地手动、远程控制等模式。

■监视功能

大系统各设备的智能控制柜的人机交互界面上动态地显示各自的运行/停止/故障状态、运行时间、运行能耗、故障信息，各控制柜的输入电压、输入电流、运行频率、输出电压、输出电流，各水阀的当前开度，参与系统控制及调节的各个温度、湿度、CO2浓度、冷媒泄露浓度等参量值。

■计量功能

系统能对各风机的工频运行时间、变频运行时间、工频运行能耗、变频运行能耗、累计运行时间、累计运行能耗、压缩机的运行时间和能耗等进行统计。

■故障报警与保护

控制系统设置完善的故障保护与故障记录功能，报警方式为声光报警及软件画面显示报警提示等。当故障发生后，控制系统采取必要的保护措施，并在人机界面内提供故障报警信息，重要故障还提供声光报警，保证维护人员及时发现与排查故障情况。

■参数设置功能

系统能对各受控设备的运行参数和保护参数进行设置/修改。对参数进行设置/修改时，当参数设置值超出适用范围时，设置无效。

■权限管理

系统具有权限管理功能，提供普通级、操作员级、管理员级三级权限。

■参数备份与恢复功能

控制系统能将已设置好的系统配置参数进行备份，在需要的时候可以用备份好的配置参数覆盖当前的配置参数值，以防止错误操作造成系统配置参数丢失。

2.3小系统水冷直膨空调机组节能控制子系统软件功能

■控制功能

机组正常运行时送风机运转。机组使用多个涡旋压缩机制冷系统对受控温度进行调节，控制系统根据受控温度与设定温度的偏差，使用内部PID回路运行当前制冷需求，控制多级压缩机加卸载。当受控温度发生变化时，通过PID的超前运算，决定增加一台压缩机还是减少一台压缩机的运行。冷却水系统根据机组本体进出水温差，自动调节冷却水阀开度，保证制冷系统冷凝压力恒定，满足在机组在不同工况下均达到可靠运行的目的，同时在机组冷量需求减少的状态下，减少冷却水的流量，达到节能效果。

小系统有以下工作模式可切换：正常运行（包括小新风空调工况、全新风空调工况、非空调季节工况）、火灾事故运行。以上各个模式可以在本地操作界面手动切换或者由集中管理工作站切换，以实现节能最佳和安全运行的目的。

■调节模式

系统对受控设备提供丰富多样的调节功能，可以满足系统的各种调节要求，调节功能包含本地自动、本地手动、远程控制等模式。

■监视功能

小系统各设备的智能控制柜的人机交互界面上动态地显示各自的运行/停止/故障状态、运行时间、运行能耗、故障信息，各控制柜的输入电压、输入电流、各水阀的当前开度和参与系统控制及调节的各个温度参量值。

■计量功能

系统能对各风机的运行时间、实时运行能耗、累计运行能耗、压缩机的运行时间和能耗等进行统计。

■故障报警与保护

控制系统设置完善的故障保护与故障记录功能，报警方式为声光报警及软件画面显示报警提示等。当故障发生后，控制系统采取必要的保护措施，并在人机界面内提供故障报警信息，重要故障还提供声光报警，保证维护人员及时发现与排查故障情况。

■参数设置功能

系统能对各受控设备的运行参数和保护参数进行设置/修改。对参数进行设置/修改时，当参数设置值超出适用范围时，设置无效。

■权限管理

系统具有权限管理功能，提供普通级、操作员级、管理员级三级权限。

■参数备份与恢复功能

控制系统能将已设置好的系统配置参数进行备份，在需要的时候可以用备份好的配置参数覆盖当前的配置参数值，以防止错误操作造成系统配置参数丢失。

2.4冷却水系统节能控制子系统软件功能

■监视功能

能在智能控制柜的人机交互界面上动态地显示水系统各设备的运行/停止/故障状态、水泵的输入电压、输入电流、运行频率、输出电压、输出电流，各支路阀门的当前开度，冷却塔的运行数量，参与系统控制及调节的各个温度、压力（差）、流量等参量值。

■计量功能

系统能对各机电设备的单位时间能耗、累计能耗、累计运行时间数据进行记录。

■故障报警与保护

控制系统设置完善的故障保护与故障记录功能，报警方式为声光报警及软件画面显示报警提示等。当故障发生后，控制系统采取必要的保护措施，并在人机界面内提供故障报警信息，重要故障还提供声光报警，保证维护人员及时发现与排查故障情况。

■参数设置功能

冷却水系统节能控制子系统能对各受控设备的运行参数和保护参数进行设置/修改。对参数进行设置/修改时，当参数设置值超出适用范围时，设置无效。

■权限管理

系统应具有权限管理功能，需提供普通级、操作员级、管理员级三级权限。

■参数备份与恢复功能

控制系统应能将已设置好的系统配置参数进行备份，在需要的时候可以用备份好的配置参数覆盖当前的配置参数值，以防止错误操作造成系统配置参数丢失。

■连锁功能

系统应可灵活配置修改水系统中各设备的开关机逻辑顺序，并在执行过程中自动连锁各关联设备，按预置的逻辑顺序对一组设备执行开关机操作，例如：

开机顺序：冷却塔风机->冷却水阀->冷却水泵

关机顺序：冷却水泵->冷却水阀->冷却塔风机

■控制功能

系统具有启停冷却水泵、冷却塔、电动蝶阀等被控设备的功能，并上传设备运行状态，或接受集中管理工作站的运行指令。

水冷直膨空调机组自带调节冷却水流量比例积分阀的信号，冷量需求的变化会引起冷却水流量发生变化。

冷却水控制系统设置流量计，实时检测冷却水进出水流量。

冷却水泵控制系统设置手动/自动模式，自动模式下，控制系统检测回水、出水温度，并设置回水/出水温差值，根据温差目标值与实际温差值的偏差，通过内部PID回路运算出冷却水泵的运行频率需求，实现冷却水恒温差控制。

控制系统检测冷却塔回水、出水温度，根据冷却水流量和出水温度（即空调设备的回水温度），比较与设定温度的偏差，控制系统计算冷却塔的开启台数，实现冷却塔在机组的合理水温的条件下，尽量的提供最优冷却水温度，进一步提高机组的运行效率，实现运行工况最优为原则，节能耗电的同时大幅延长机组、水泵、冷却塔的累计使用寿命。

■调节模式

系统对受控设备提供丰富多样的调节功能，可以满足系统的各种调节要求，调节功能包含本地自动、本地手动、远程控制等模式。

三、节能控制系统的效果体现

通过集中监控，所有站点内的空调设备根据统一的模式，在统一的管理指令下协调运行，既保证各系统连锁起停的逻辑顺序，同时可以保证设备在最优的模式下运行。同时，通过各设备本地的控制系统，采集本地运行参数，包括温度、湿度、水流量等参数，独立运算压缩机、送风机等的加卸载逻辑，保证设备在最优的参数下运行，达到最大的节能效果。

此节能控制模式已经通过多个项目现场实现得以验证，确实比传统的控制方案达成系统更高效运行的目的。

参考文献:

[1]北京市规划委员会.地铁设计规范：GB50157-2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013119-121

[2]李峰☆郑林涛等直膨式空调系统用于地铁车站的能耗分析，中国设计师网?2017.1.22