地铁环控系统是指通过对空调、风机等的使用和控制,实现控制地铁空间内空气的温度、湿度、空气质量和流速，主要分为隧道通风系统和车站通风系统。环控系统是地铁用电大户,其中车站通风系统占环控系统耗能的80%以上，国内多家地铁公司已经开始对车站通风系统的节能优化进行研究,主要采用风水联动控制的方式，即以末端设定温度为基准，通过系统的负荷运算来控制末端设备的变频运行，使车站温度向目标温度趋近，虽然相比单控较为节能，但未形成系统性的节能策略，节能的局限性很大，以下将对车站通风系统的节能高效运行进行进一步探讨。

一、设备组成

环控系统由隧道通风系统和车站通风空调系统组成。隧道通风系统的作用是地铁隧道内的气流组织及灾害应急，包含事故风机、排热风机、射流风机、组合风阀等设备；车站通风空调系统包含公共区通风空调系统（以下称大系统）、设备管理用房通风空调系统（以下称小系统）和水系统3个子系统，在地铁运行正常模式下，车站通风空调系统中大、小系统的作用是送风和排风，水系统的作用是输送一定的冷量，冷量通过表冷器在空调机组内部进行热交换，由空调机组将冷量通过送风的方式输送到车站的各个部位。

大系统包含组合式空调机组、回排风机、电动风量调节阀、防火阀、风口等设备；小系统包含柜式空调机组、小回排风机、电动风量调节阀、防火阀、风口等设备；水系统包含冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、水处理、电动二通阀、电动蝶阀等设备。

二、智能环控系统

 智能环控系统应从系统运行的全方位考虑，包括系统的设计、节能控制方式、设备选型、管道安装等等，如果仅从单方面去考虑，很难实现节能最大化。智能环控系统应具备这几个要素，一是可以实现系统的自动节能控制，智能化高，尽量减少人为的控制和干预；二是设备选型应进一步优化，在满足设计要求的基础上，应选择效率高、能耗低的设备；三是设备安装优化，尽量减少设备现场安装的数量，提高安装效率；四是系统阻力优化，降低阻力能耗；五是控制模式的优化，根据不同季节运行相应的模式。

三、车站通风系统节能探索

车站通风空调系统能耗占比达到80%以上，以车站通风系统节能为例，对智能环控系统各要素进行分析、对比。

（一）设计建设阶段

1、设计图纸优化

（1）调整机房设备布局，由原来的冷水机组与水泵、全程水处理器平行设置，调整为直线布置，相较于原设计减少弯头8处，水系统管道阻力得到优化；

（2）冷冻水取消分集水器，使用总管进行布水，减小管道阻力。

2、BIM建模优化

采用BIM建模（如图1、图2），模拟计算系统管道水阻，进一步优化设备安装位置，采用低水阻的设备和管件，优化系统水阻力；将机房内设备分解成不同的模块，使设备安装模块化，缩短安装工期，模块化安装单站24小时内可完成。

         图1 BIM主视图               图2 BIM俯视图

（1）根据机房建筑形状，冷水机组灵活选用卧式或者立式；

（2）取消最不利端静态平衡阀，较少水管阻力；

（3）取消90°直角弯头，改为顺水弯头；

（4）采用135°顺水弯头，减小水阻；

（5）采用低阻力过滤器，阻力小于0.5米；

（6）采用低阻力橡胶瓣止回阀，阻力小于0.3米；

（7）冷却水采用平进平出式低阻力全程水处理器，冷冻水采用旁流水处理器。

3、温差优化

冷冻水供回水温度由7/12℃调整为10/17℃，采用7℃大温差，从冷量计算的基本公式Q=Cp*r*Vs*Δt可以看出，在冷量不变的条件下，流量与温差是成反比的。大温差冷水系统可以减少系统的循环水量，相应减少水泵的功率，减少管道的尺寸，节约系统的初投资。

经过上述优化后，水系统阻力有效降低，降低效果如表1所示，冷冻水泵扬程下降23%，，冷却水泵扬程下降32%，带来的直接结果是，冷冻水泵功率下降50%，冷却水泵下降32%。

表1    优化后前后对比

4、节能控制策略优化

优化后，节能控制策略不再是简单的风水联动控制，而是围绕机器算法，基于大数据主动寻优，由四大工艺组成，包括供冷模式智能优化、冷源全局效率最优化、大系统风机控制优化、通风模式智能优化。具体包含以下几点：

（1）预测冷量负荷变换趋势，超前控制；

（2）控制设备变频运行，精准高效；

（3）风水联动控制，实现负荷按需分配

通过大量的数据测试，发现风水联动控制中，优先调节水泵频率比调节风机频率更节能；2台冷却塔低频运转比1台冷却塔高频运转更节能。因此在节能控制工艺中选择更节能的控制策略。

（4）压缩机智能加减载，节能高效运行

根据车站负荷变化情况，实时调整冷水机组压缩机的加减载，通过主动寻优策略确保冷水机组负荷率在高效区运行。也可采用蓄冷的方式，在压缩机停机后，冷冻水泵继续保持运行，利用剩余冷量来满足末端需求。

（5）基于焓湿图分析的多工况、多模式自动控制

1）最小新风量的降温除湿工况模式

当室外空气湿球温度大于或等于回风湿球温度，且室外空气露点温度大于或等于空调箱表冷器出风露点温度时，节能控制系统运行最小新风量降温除湿工况，用最小新风加一次回风运行。

利用大数据分析控制技术对目标地铁站客流进行规律分析整理，结合站厅和站台的舒适度及 CO2 指标，自动优化控制新风量。

2）全新风降温除湿工况模式

当室外空气湿球温度小于回风湿球温度，但室外空气露点温度大于空调箱表冷器出风露点温度时，运行全新风降温除湿工况模式。

3）全新风等湿降温工况模式

当室外空气干球温度大于或等于空调机组送风温度，但室外空气露点温度小于空调箱表冷器出风露点温度时，采用全新风等湿降温工况,优化空调潜冷量供应，大幅度提升主机能效。

4）全新风通风工况

当室外空气干球温度小于空调机组送风温度时，此时站外空气焓值小于空调送风焓值，系统运行通风工况。

5）夜间工况

夜间收车后停止车站大系统的运行，根据车站实际情况控制小系统的运行。

5、设备选型优化

（1）磁悬浮冷水机组

磁悬浮冷水机组的核心在于磁悬浮压缩机，优点为无摩擦、无润滑、寿命长、噪音低、能效高、维护少，尤其是在低负荷状态下，依然有较高的COP。

（2）EC风机

组合式空调机组风机段采用EC风机组成的风机墙进行供冷，代替了传统电机通过皮带拖拽离心风机进行送风的工艺。整体效率非常高；优化的出风特性，实现理想的流量控制；无级调速，调速方便,EC风机在部分负荷情况下运行效率更高。

（3）高效冷却塔

冷却塔选型按照湿球温度28℃， 进水35.5℃， 出水30.5℃选型(逼近度2.5℃，常规冷却塔逼近度4℃)，冷却塔采用湿球温度逼近度控制策略，长期稳定将冷却水逼近度控制在2.5℃左右。

（二）运营管理阶段

由于各季节的地铁热湿负荷有所不同以及地铁站台内控制温度的不同,(例如在冬季寒冷季节，要求地铁站台内部气温不低于12℃，而在其它季节则不能高于30℃)所以变风量的控制方法随季节的不同而有所变化。我们把一年时间分为二个部分，夏季酷热期(傍晚高峰时刻室外空气焓值大于地下车站空气焓值的那段日子，以下简称空调季)、其它时间(以下简称过通风季)。

二个控制季节划分的依据主要是宁波市室外气象资料，通过对宁波市近20年来各个月份的最高温度、最低温度以及平均温度的统计（如表2所示）与分析，将6月-10月划分为空调季，将11月-5月划分为通风季，针对不同的季节采用相应的节能措施，尽可能地提升节能水平。

表2 空调季平均湿球温度值（℃）

1、空调季节能措施优化

（1）按需开、关机

制定冷水机组开、关机条件要求，下发开、关机指令，按需开、关机。

（2）空调运行模式管理

按照节能控制系统内置时间表（根据各站开关站时间进行定制）执行，采用小新风通风模式，开站前30分钟开启大系统，夜间停运前30分钟关闭大系统。

（3）公共区温度管控

根据地铁通风空调系统设计原则，地下车站：站厅夏季空调计算干球温度≤30℃、相对湿度40~70%；站台夏季空调计算干球温度≤28℃、相对湿度40~70%，合理制定夏季站厅、站台空调温度目标值，对于湿度较高的车站，可适当调低站厅、站台温度目标值，避免凝露。

2、通风季节能措施优化

根据室内外焓值、车站温度、CO₂浓度的不同，选择不同的通风工况，结合地铁初期、近期以及远期客流数据，计算出公共区热湿负荷、乘客所需新风量以及新风负荷，初期可执行高峰时段开启大系统，平峰时段关闭大系统的模式，近期执行只排不送及初期模式，远期执行通风模式，在满足车站温度、CO₂浓度的前提下，最大限度做到节能通风。

四、结语

随着科技的进步及制造业的发展，冷水机组的年运行能耗从之前的70%已降为总能耗的60%，以边界原理的理念来看，目前冷水机组的节能潜力已经不是很大，更应该从系统的角度去考虑降低系统的能耗，以兴庄路站为例，从整个系统进行节能设计，全年机房平均COP为6.93，即将迈入7.0时代，空调能效比有了质的飞跃，因此，地铁环控系统的节能方向一定是从初始设计、设备选型、节能策略、运营管理等多方面入手，系统性的去考虑。

参考文献

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