CN113446705A - 一种地铁高效机房节能控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁高效机房节能控制系统及控制方法，包括控制器，以及分别与控制器相连接的空调水系统冷水机组通讯模块、空调水系统温度采集模块、空调水系统压力采集模块、空调水系统流量采集模块、室外气象采集模块、电动蝶阀控制模块、电动调节阀控制模块、空调水泵及冷却塔变频驱动模块、智能电表采集模块，针对地铁内各个单体设备的控制，采用整体分析，以提高空调系统整体运行能效为出发点，设计对各个单体设备控制的主动寻优策略，充分避免了设备之间控制效果出现此消彼长的问题，充分发挥了每种设备的节能效果，在达到地铁空调环境指标的情况下，有效提高了地铁空调系统整体运行能效。

Description

一种地铁高效机房节能控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种地铁高效机房节能控制系统及控制方法，属于地铁通风空调技术领域。

背景技术

据相关统计，城市轨道交通地下车站通风空调系统的运行能耗达到车站总能耗的约40％～50％左右，甚至更高的比例。随着技术水平的不断提高和产品制造水平的提升，越来越多的关于节能技术(高能效等级的产品、节能设计控制技术等)被应用到实际工程中，但当项目落地实际运行后，发现仍然存在能耗高的问题。

传统方案将所有地铁车站通风空调系统设备、传感器等均纳入BAS系统监控，BAS系统供货商依托车站环控专业设计提供的环控工艺控制图，进行程序的编写和模式判定的执行。传统方案目前对于地铁通风空调系统只能做到简单的工艺控制，如启停控制与联锁保护，冷水主机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔往往采用独立调节控制，冷水机组的加减机并未考虑机组的部分负荷性能情况，距离高效节能运行尚有差距。

地铁通风空调系统包含空调风系统和空调水系统，风系统和水系统各设备之间互相影响、互相耦合。空调风系统与空调水系统均存在波动性大、时滞性大、多因素互相制约的问题。传统控制方案并不侧重于解决以上问题，而是对各个设备采用简单的独立控制，并组合成一套系统，只局限于对单体设备的控制进行优化，风系统与水系统独立控制，冷水泵、冷却水泵、冷却塔风机的控制策略只关注设备本身节能，忽略了对冷水机组能效的负面影响，缺乏对系统整体能效的优化控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用整体协同优化控制设计，具有能耗低，能够实现高效工作效率控制的地铁高效机房节能控制系统。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种地铁高效机房节能控制系统，包括控制器，以及分别与控制器相连接的空调水系统冷水机组通讯模块、空调水系统温度采集模块、空调水系统压力采集模块、空调水系统流量采集模块、室外气象采集模块、电动蝶阀控制模块、电动调节阀控制模块、空调水泵及冷却塔变频驱动模块、智能电表采集模块；

其中，冷水机房中的各台冷水机组分别对接空调水系统冷水机组通讯模块；

冷水机房冷冻水总管供水位置、冷水机房冷冻水总管回水位置、冷水机房冷却水总管进水位置、冷水机房冷却水总管出水位置、冷水机房中各冷水机组冷冻水出水位置、冷水机房中各冷水机组冷冻水进水位置、冷水机房中各冷水机组冷却水出水位置、冷水机房中各冷水机组冷却水进水位置分别设置温度传感器，各个温度传感器分别电气连接至空调水系统温度采集模块；

冷水机房冷冻水总管供水位置、冷水机房冷冻水总管回水位置分别设置压力传感器，各压力传感器分别电气连接空调水系统压力采集模块；

冷水机房中各冷水机组的冷冻水侧位置、冷却水侧位置分别安装电磁流量计，各个电磁流量计分别电气连接到空调水系统流量采集模块；

地铁区域中各新风井位置分别设置室外气象传感器，各室外气象传感器分别电气连接到室外气象采集模块；

冷水机房中各冷水机组的冷冻水侧位置、冷却水侧位置，以及各冷却塔的进水侧位置、出水侧位置，分别设置电动蝶阀，各个电动蝶阀分别电气连接到电动蝶阀控制模块；

冷水机房分集水器之间位置设置电动压差旁通阀，组合式空调机组表冷盘管侧位置设置电动二通调节阀，电动压差旁通阀与电动二通调节阀分别电气连接到电动调节阀控制模块；

各空调冷冻水泵、各空调冷却水泵、以及各冷却塔风机分别电气连接到空调水泵及冷却塔变频驱动模块；

冷水机房中各冷水机组、各空调冷冻水泵、各空调冷却水泵、各冷却塔风机、组合式空调送风机、组合式空调回排风机、以及各新风机，分别安装智能电表，各个智能电表分别电气连接到智能电表采集模块。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括分别与控制器相连接的空调风系统温湿度采集模块、站厅和站台温湿度采集模块、站厅和站台CO2浓度采集模块、空调风机变频驱动模块；

其中，组合式空调机组送风管位置、组合式空调机组回风管位置、组合式空调机组新风管位置分别设置温湿度传感器，该各个温湿度传感器分别电气连接到空调风系统温湿度采集模块；

站厅和站台的各个指定位置分别设置温湿度传感器，该各个温湿度传感器分别电气连接到站厅和站台温湿度采集模块；

站厅和站台的各个指定位置分别设置CO2浓度传感器，该各个CO2浓度传感器分别电气连接到站厅和站台CO2浓度采集模块；

组合式空调送风机、组合式空调回排风机、以及各新风机分别电气连接到空调风机变频驱动模块。

与上述相对应，本发明所要解决的技术问题是提供一种地铁高效机房节能控制系统的控制方法，采用整体协同优化控制设计，具有能耗低，能够实现高效工作效率控制。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种地铁高效机房节能控制系统的控制方法，控制器根据来自空调水系统温度采集模块的冷水机房冷冻水总管供水温度值，控制冷水机房中冷水机组的开启数量、以及控制所开启冷水机组中压缩机的开启数量；

控制器针对来自空调水系统温度采集模块的冷水机房中各开启冷水机组的冷却水出水温度值与冷却水进水温度值，根据冷却水进出水温度差，通过空调水泵及冷却塔变频驱动模块控制相应空调冷却水泵的工作频率；

控制器针对来自空调水系统压力采集模块的冷水机房冷冻水总管供水压力值、冷水机房冷冻水总管回水压力值，以及来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷冻水流量值，根据冷水机房冷冻水供回水压力差与各冷水机组冷冻水流量值，控制冷水机房分集水器之间所设电动压差旁通阀的开度。

作为本发明的一种优选技术方案：基于两台冷却塔，控制器针对来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷却水流量值，根据各冷水机组冷却水流量值之和，按如下规则，控制冷却塔风机的开启数量；

若各冷水机组冷却水流量值之和<单台冷却塔额度流量的80％，则控制开启一台冷却塔；

若各冷水机组冷却水流量值之和>两台冷却塔额度流量和的40％，则控制开启两台冷却塔；

并且控制开启相应各冷却塔风机的同时，控制所开启各冷却塔风机进水侧位置与出水侧位置的电动蝶阀同步开启。

作为本发明的一种优选技术方案：控制器针对来自室外气象采集模块的室外湿球温度，根据冷水机房冷却水总管进水温度与室外湿球温度，计算冷却塔逼近度，并通过冷却塔逼近度，经空调水泵及冷却塔变频驱动模块控制所开启冷却塔风机的工作频率。

作为本发明的一种优选技术方案：控制器针对来自空调水系统温度采集模块的冷水机房中各冷水机组冷冻水出水温度、各冷水机组冷冻水进水温度，以及来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷冻水流量值，按如下公式：

Qe＝Cp*ρG1*(T1in-T1out)

分别计算获得各冷水机组的输出冷量Qe；其中Cp表示水的比热容；ρ表示水的密度；G1表示冷水机组冷冻水流量；T1in表示冷水机组冷冻水进水温度；T1out表示冷水机组冷冻水出水温度。

并进一步，按如下公式：

Qc＝Cp*ρG2*(T2out-T2in)

分别计算获得各冷水机组的冷凝器输出热量Qc；其中Cp表示水的比热容；ρ表示水的密度；G2表示冷水机组冷却水流量；T2in表示冷水机组冷却水进水温度；T2out表示冷水机组冷却水出水温度。

更进一步，按如下公式：

MEBC1＝(Qc1-(Qe1+W1))/Qc1*100％

MEBC2＝(Qc2-(Qe2+W2))/Qc1*100％

MEBC＝(Qc1+Qc2-(Qe1+W1)-(Qe2+W2))/(Qc1+Qc2)*100％

分别计算获得各冷水机组的热平衡系数(MEBC1、MEBC2)及冷水机房热平衡系数MEBC1，其中MEBC1表示1号冷水机组热平衡系数；MEBC2表示2号冷水机组热平衡系数；MEBC表示冷水机房热平衡系数；Qc1表示1号冷水机组的输出冷量；Qc2表示2号冷水机组的输出冷量；Qe1表示1号冷水机组的冷凝器输出热量；Qe2表示2号冷水机组的冷凝器输出热量；W1表示1号冷水机组的瞬时功率；W2表示2号冷水机组的瞬时功率；

高效机房节能控制系统实时监控每台冷水机组的热平衡系数及冷水机房热平衡系数，一旦监测到冷水机组的热平衡系数或冷水机房热平衡系数≥5％立即产生报警提示。

并进一步基于两台冷水机组，控制器针对来自智能电表采集模块的各冷水机组功率、各空调冷冻水泵功率、各空调冷却水泵功率、各冷却塔风机功率，结合各冷水机组的输出冷量，按如下公式：

COP＝Q1+Q2/(P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8)

计算获得冷水机房瞬时COP；其中Q1、Q2分别表示各台冷水机组的输出冷量，P1表示1号冷水机组功率；P2表示2号冷水机组功率；P3表示1号空调冷冻水泵功率；P4表示2号空调冷冻水泵功率；P5表示1号空调冷却水泵功率；P6表示2号空调冷却水泵功率；P7代表1号冷却塔功率；P8代表2号冷却塔功率。

同时按如下公式：

COP1＝Q1/P1

COP2＝Q2/P2

计算获得1号冷水机组瞬时COP和2号冷水机组瞬时COP；其中Q1、Q2分别表示各台冷水机组的输出冷量；P1表示1号冷水机组功率；P2表示2号冷水机组功率。

作为本发明的一种优选技术方案：基于冷水机房中两台冷水机组、以及各台冷水机组分别对应两台压缩机，通过两台冷水机组输出冷量之和除以两台冷水机组额定冷量之和的计算，获得空调系统负荷率，并进一步按如下规则进行控制；

当空调系统负荷率减小，且空调系统负荷率<10％时，以及冷水机房冷冻水总管供水温度小于总管供水温度设定值，则控制器关闭所有冷水机组、空调冷却水泵、以及冷却塔风机，仅保留空调冷冻水泵以预设较低频率运行；

当空调系统负荷率增加，且冷水机房冷冻水总管供水温度大于冷水机组开机复归温度，以及17％>空调系统负荷率≥10％，则控制器重新开启2号冷水机组的2号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机；

当空调系统负荷率继续增加，且25.4％>空调系统负荷率≥17％，则控制器开启2号冷水机组的1号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且34.5％>空调系统负荷率≥25.4％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机、以及1号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且42.4％>空调系统负荷率≥34.5％，则控制器开启2号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且57.6％>空调系统负荷率≥42.4％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机、以及1号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且83％>空调系统负荷率≥57.6％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，以及控制开启2号冷水机组的1号压缩机，并控制开启两台冷水机组分别所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且空调系统负荷率≥83％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，以及控制开启2号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，同时控制开启两台冷水机组分别所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭。

作为本发明的一种优选技术方案：所述控制器经空调水泵及冷却塔变频驱动模块针对各空调冷却水泵的变频控制，按如下步骤，周期执行主动寻优控制策略，优化冷水机组冷却水进出水温差设定值；

步骤A.当1号冷水机组负荷平稳后，保持该冷水机组所对应的空调冷冻水泵、以及冷却塔的工作频率不变，并根据如下公式：

COP1＝Qe1/(P1+P5)

计算该冷水机组的本次能效COP1；其中Qe1表示各1号冷水机组的输出冷量，P1表示1号冷水机组功率；P5表示1号空调冷却水泵功率；

步骤B.当该冷水机组所对应空调冷冻水泵、以及冷却塔频率保持不变，则针对冷水机组冷却水进出水温差设定值+0.2℃，然后根据步骤A中公式的方法，计算该冷水机组本次能效情况COP2；

步骤C.如果(COP1-COP2)/COP1*100％>0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值+0.2℃；

如果(COP1-COP2)/COP1*100％<-0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值-0.2℃；

如果0.5％>(COP1-COP2)/COP1*100％>-0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值保持不变。

作为本发明的一种优选技术方案：控制器针对来自站厅和站台温湿度采集模块的站厅干球温度、站台干球温度，根据站厅及站台干球温度平均值，按如下优先级规则：

若站厅及站台干球温度平均值高于预设干球温度阈值，则优先针对组合式空调机组表冷盘管侧电动二通调节阀，控制其开大开度；

若站厅及站台干球温度平均值低于预设干球温度阈值，则优先控制降低组合式空调机组送风机频率；

实现组合式空调机组送风机频率、以及组合式空调机组表冷盘管侧电动二通调节阀开度的控制。

作为本发明的一种优选技术方案：控制器针对来自站厅和站台CO2浓度采集模块的对应于站厅和站台各个指定位置的CO2浓度值，根据CO2浓度平均值，控制各新风机的工作频率。

本发明所述一种地铁高效机房节能控制系统及控制方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计地铁高效机房节能控制系统及控制方法，针对地铁内各个单体设备的控制，采用整体分析，以提高空调系统整体运行能效为出发点，设计对各个单体设备控制的主动寻优策略，充分避免了设备之间控制效果出现此消彼长的问题，充分发挥了每种设备的节能效果，在达到地铁空调环境指标的情况下，有效提高了地铁空调系统整体运行能效。

附图说明

图1为本发明设计地铁高效机房节能控制系统的架构示意图；

图2是本发明设计中空调水系统整体结构示意图；

图3是本发明设计中空调风系统整体结构示意图。

其中，1、冷水机组，2、空调冷冻水泵，3、空调冷却水泵，4、冷却塔，5、冷水机组冷冻侧电动蝶阀，6、冷水机组冷却侧电动蝶阀，7、冷却塔进水侧电动蝶阀，8、冷却塔出水侧电动蝶阀，9、电动压差旁通阀，10、冷水机组冷冻水进水温度传感器，11、冷水机组冷冻水出水温度传感器，12、冷水机组冷冻水电磁流量计，13、冷水机组冷却水进水温度传感器，14、冷水机组冷却水出水温度传感器，15、冷水机组冷却水电磁流量计，16、冷却水总管出水温度传感器，17、冷却水总管进水温度传感器，18、冷冻水总管供水温度传感器，19、冷冻水总管回水温度传感器，20、冷冻水总管供水压力传感器，21、冷冻水总管回水压力传感器，22、组合式空调机组，23、回排风机，24、新风机，25、电动二通调节阀，26、送风温湿度传感器，27、回风温湿度传感器，28、新风温湿度传感器，29、混风室温湿度传感器，30、站厅、站台温湿度传感器，31、站厅、站台CO2浓度传感器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种地铁高效机房节能控制系统，实际应用当中，如图1所示，具体包括控制器，以及分别与控制器相连接的空调水系统冷水机组通讯模块、空调水系统温度采集模块、空调水系统压力采集模块、空调水系统流量采集模块、室外气象采集模块、电动蝶阀控制模块、电动调节阀控制模块、空调水泵及冷却塔变频驱动模块、智能电表采集模块、空调风系统温湿度采集模块、站厅和站台温湿度采集模块、站厅和站台CO2浓度采集模块、空调风机变频驱动模块。

其中，冷水机房中的各台冷水机组分别对接空调水系统冷水机组通讯模块，通讯协议为MODBUS-RTU。

如图2所示，冷水机房冷冻水总管供水位置、冷水机房冷冻水总管回水位置、冷水机房冷却水总管进水位置、冷水机房冷却水总管出水位置、冷水机房中各冷水机组冷冻水出水位置、冷水机房中各冷水机组冷冻水进水位置、冷水机房中各冷水机组冷却水出水位置、冷水机房中各冷水机组冷却水进水位置分别设置温度传感器，各个温度传感器分别电气连接至空调水系统温度采集模块。

如图2所示，冷水机房冷冻水总管供水位置、冷水机房冷冻水总管回水位置分别设置压力传感器，各压力传感器分别电气连接空调水系统压力采集模块。

如图2所示，冷水机房中各冷水机组的冷冻水侧位置、冷却水侧位置分别安装电磁流量计，各个电磁流量计分别电气连接到空调水系统流量采集模块。

如图2所示，地铁区域中各新风井位置分别设置室外气象传感器，各室外气象传感器分别电气连接到室外气象采集模块。

如图2所示，冷水机房中各冷水机组的冷冻水侧位置、冷却水侧位置，以及各冷却塔的进水侧位置、出水侧位置，分别设置电动蝶阀，各个电动蝶阀分别电气连接到电动蝶阀控制模块。

如图2所示，冷水机房分集水器之间位置设置电动压差旁通阀，组合式空调机组表冷盘管侧位置设置电动二通调节阀，电动压差旁通阀与电动二通调节阀分别电气连接到电动调节阀控制模块。

如图2所示，各空调冷冻水泵、各空调冷却水泵、以及各冷却塔风机分别电气连接到空调水泵及冷却塔变频驱动模块。

冷水机房中各冷水机组、各空调冷冻水泵、各空调冷却水泵、各冷却塔风机、组合式空调送风机、组合式空调回排风机、以及各新风机，分别安装智能电表，各个智能电表分别电气连接到智能电表采集模块。

如图3所示，组合式空调机组送风管位置、组合式空调机组回风管位置、组合式空调机组新风管位置分别设置温湿度传感器，该各个温湿度传感器分别电气连接到空调风系统温湿度采集模块。

如图3所示，站厅和站台的各个指定位置分别设置温湿度传感器，该各个温湿度传感器分别电气连接到站厅和站台温湿度采集模块。

如图3所示，站厅和站台的各个指定位置分别设置CO2浓度传感器，该各个CO2浓度传感器分别电气连接到站厅和站台CO2浓度采集模块。

如图3所示，组合式空调送风机、组合式空调回排风机、以及各新风机分别电气连接到空调风机变频驱动模块。

上述所设计地铁高效机房节能控制系统，在实际应用当中，如图1所示，还包括现场工业控制计算机，现场工业控制计算机与控制器相对接，经控制器分别对接各个空调水系统冷水机组通讯模块、空调水系统温度采集模块、空调水系统压力采集模块、空调水系统流量采集模块、室外气象采集模块、电动蝶阀控制模块、电动调节阀控制模块、空调水泵及冷却塔变频驱动模块、智能电表采集模块、空调风系统温湿度采集模块、站厅和站台温湿度采集模块、站厅和站台CO2浓度采集模块、空调风机变频驱动模块；具体应用中，控制系统参数调整及数据存盘均通过现场工业控制计算机完成。

并且在实际应用中，冷水机房设置两台冷水机组，两台冷水机组额定冷量为4：6关系，每台冷水机组有2台定频螺杆式压缩机，两台螺杆式压缩机额定冷量为4：6关系。

基于上述所设计地铁高效机房节能控制系统，本发明进一步设计了针对此系统的控制方法，其中，控制器根据来自空调水系统温度采集模块的冷水机房冷冻水总管供水温度值，控制冷水机房中冷水机组的开启数量、以及控制所开启冷水机组中压缩机的开启数量。

空调冷却水泵变频控制，根据图2所示，控制器针对来自空调水系统温度采集模块的冷水机房中各开启冷水机组的冷却水出水温度值与冷却水进水温度值，根据冷却水进出水温度差，通过空调水泵及冷却塔变频驱动模块控制相应空调冷却水泵的工作频率。

电动压差旁通阀控制，根据图2所示，控制器针对来自空调水系统压力采集模块的冷水机房冷冻水总管供水压力值、冷水机房冷冻水总管回水压力值，以及来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷冻水流量值，根据冷水机房冷冻水供回水压力差与各冷水机组冷冻水流量值，控制冷水机房分集水器之间所设电动压差旁通阀的开度。其中，当冷水机房冷冻水供回水压力差高于设定值，控制电动压差旁通阀开度增加。当各冷水机组冷冻水流量值低于设定值，控制电动压差旁通阀开度增加。两种控制同时输出时，输出较大的计算结果生效。

冷却塔风机开启数量及冷却塔进出水蝶阀控制，根据图2所示，基于两台冷却塔，控制器针对来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷却水流量值，根据各冷水机组冷却水流量值之和，按如下规则，控制冷却塔风机的开启数量。

若各冷水机组冷却水流量值之和<单台冷却塔额度流量的80％，则控制开启一台冷却塔；

若各冷水机组冷却水流量值之和>两台冷却塔额度流量和的40％，则控制开启两台冷却塔。

并且控制开启相应各冷却塔风机的同时，控制所开启各冷却塔风机进水侧位置与出水侧位置的电动蝶阀同步开启。

冷却塔风机变频控制，根据图2所示，控制器针对来自室外气象采集模块的室外湿球温度，根据冷水机房冷却水总管进水温度与室外湿球温度，计算冷却塔逼近度，并通过冷却塔逼近度，经空调水泵及冷却塔变频驱动模块控制所开启冷却塔风机的工作频率。其中，当冷却塔逼近度高于设定值，控制所开启冷却塔风机的工作频率降低，当冷却塔逼近度低于设定值，控制所开启冷却塔风机的工作频率升高。

控制器针对来自空调水系统温度采集模块的冷水机房中各冷水机组冷冻水出水温度、各冷水机组冷冻水进水温度，以及来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷冻水流量值，按如下公式：

Qe＝Cp*ρG1*(T1in-T1out)

分别计算获得各冷水机组的输出冷量Qe；其中Cp表示水的比热容；ρ表示水的密度；G1表示冷水机组冷冻水流量；T1in表示冷水机组冷冻水进水温度；T1out表示冷水机组冷冻水出水温度。

并进一步，按如下公式：

Qc＝Cp*ρG2*(T2out-T2in)

分别计算获得各冷水机组的冷凝器输出热量Qc；其中Cp表示水的比热容；ρ表示水的密度；G2表示冷水机组冷却水流量；T2in表示冷水机组冷却水进水温度；T2out表示冷水机组冷却水出水温度。

更进一步，按如下公式：

MEBC1＝(Qc1-(Qe1+W1))/Qc1*100％

MEBC2＝(Qc2-(Qe2+W2))/Qc1*100％

MEBC＝(Qc1+Qc2-(Qe1+W1)-(Qe2+W2))/(Qc1+Qc2)*100％

分别计算获得各冷水机组的热平衡系数(MEBC1、MEBC2)及冷水机房热平衡系数MEBC1，其中MEBC1表示1号冷水机组热平衡系数；MEBC2表示2号冷水机组热平衡系数；MEBC表示冷水机房热平衡系数；Qc1表示1号冷水机组的输出冷量；Qc2表示2号冷水机组的输出冷量；Qe1表示1号冷水机组的冷凝器输出热量；Qe2表示2号冷水机组的冷凝器输出热量；W1表示1号冷水机组的瞬时功率；W2表示2号冷水机组的瞬时功率；

高效机房节能控制系统实时监控每台冷水机组的热平衡系数及冷水机房热平衡系数，一旦监测到冷水机组的热平衡系数或冷水机房热平衡系数≥5％立即产生报警提示。

并进一步基于两台冷水机组，控制器针对来自智能电表采集模块的各冷水机组功率、各空调冷冻水泵功率、各空调冷却水泵功率、各冷却塔风机功率，结合各冷水机组的输出冷量，按如下公式：

COP＝Q1+Q2/(P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8)

计算获得冷水机房瞬时COP；其中Q1、Q2分别表示各台冷水机组的输出冷量，P1表示1号冷水机组功率；P2表示2号冷水机组功率；P3表示1号空调冷冻水泵功率；P4表示2号空调冷冻水泵功率；P5表示1号空调冷却水泵功率；P6表示2号空调冷却水泵功率；P7代表1号冷却塔功率；P8代表2号冷却塔功率。

同时按如下公式：

COP1＝Q1/P1

COP2＝Q2/P2

计算获得1号冷水机组瞬时COP和2号冷水机组瞬时COP；其中Q1、Q2分别表示各台冷水机组的输出冷量；P1表示1号冷水机组功率；P2表示2号冷水机组功率。

冷水机组及压缩机控制，根据图2所示，控制器根据冷水机房冷冻水总管供水温度、以及空调系统负荷率，控制冷水机组数量加减、以及压缩机的开启数量。实际应用中，本发明所设计系统中冷水机房内设两台冷水机组，两台冷水机组额定冷量为4：6关系，其中1号冷水机组额定冷量较大；每台冷水机组有2台定频螺杆式压缩机，两台螺杆式压缩机额定冷量为4：6关系，其中1号压缩机额定冷量较大；采用最优排列组合方式，充分利用定频螺杆式冷水机组高负荷及满负荷状态下能效比较高的特点，控制各机组及各台压缩机的启停，达到运行状态下压缩机平均负荷率最高的目标。

即基于上述设计冷水机房中两台冷水机组、以及各台冷水机组分别对应两台压缩机，通过两台冷水机组输出冷量之和除以两台冷水机组额定冷量之和的计算，获得空调系统负荷率，并进一步按如下表1规则进行控制。

表1

按上表1所示，当空调系统负荷率减小，且空调系统负荷率<10％时，以及冷水机房冷冻水总管供水温度小于总管供水温度设定值，则控制器关闭所有冷水机组、空调冷却水泵、以及冷却塔风机，仅保留空调冷冻水泵以预设较低频率运行；

当空调系统负荷率增加，且冷水机房冷冻水总管供水温度大于冷水机组开机复归温度，以及17％>空调系统负荷率≥10％，则控制器重新开启2号冷水机组的2号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机；

当空调系统负荷率继续增加，且25.4％>空调系统负荷率≥17％，则控制器开启2号冷水机组的1号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且34.5％>空调系统负荷率≥25.4％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机、以及1号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且42.4％>空调系统负荷率≥34.5％，则控制器开启2号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且57.6％>空调系统负荷率≥42.4％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机、以及1号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且83％>空调系统负荷率≥57.6％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，以及控制开启2号冷水机组的1号压缩机，并控制开启两台冷水机组分别所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且空调系统负荷率≥83％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，以及控制开启2号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，同时控制开启两台冷水机组分别所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭。

所述控制器经空调水泵及冷却塔变频驱动模块针对各空调冷却水泵的变频控制，按如下步骤，周期执行主动寻优控制策略，优化冷水机组冷却水进出水温差设定值。

步骤A.当1号冷水机组负荷平稳后，保持该冷水机组所对应的空调冷冻水泵、以及冷却塔的工作频率不变，并根据如下公式：

COP1＝Qe1/(P1+P5)

计算该冷水机组的本次能效COP1；其中Qe1表示各1号冷水机组的输出冷量，P1表示1号冷水机组功率；P5表示1号空调冷却水泵功率；

步骤B.当该冷水机组所对应空调冷冻水泵、以及冷却塔频率保持不变，则针对冷水机组冷却水进出水温差设定值+0.2℃，然后根据步骤A中公式的方法，计算该冷水机组本次能效情况COP2。

步骤C.如果(COP1-COP2)/COP1*100％>0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值+0.2℃；

如果(COP1-COP2)/COP1*100％<-0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值-0.2℃；

如果0.5％>(COP1-COP2)/COP1*100％>-0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值保持不变。

组合式空调送风机及二通调节阀控制，根据图3所示，控制器针对来自站厅和站台温湿度采集模块的站厅干球温度、站台干球温度，根据站厅及站台干球温度平均值，按如下优先级规则：

若站厅及站台干球温度平均值高于预设干球温度阈值，则优先针对组合式空调机组表冷盘管侧电动二通调节阀，控制其开大开度，具体诸如控制电动二通调节阀的开度达到90％以上时，再提高组合式空调机组送风机的频率；

若站厅及站台干球温度平均值低于预设干球温度阈值，则优先控制降低组合式空调机组送风机频率，具体诸如控制组合式空调机组送风机的频率降到30HZ时，再减小二通调节阀的开度。

如此实现组合式空调机组送风机频率、以及组合式空调机组表冷盘管侧电动二通调节阀开度的控制。

空调新风机控制，根据图3所示，控制器针对来自站厅和站台CO2浓度采集模块的对应于站厅和站台各个指定位置的CO2浓度值，根据CO2浓度平均值，控制各新风机的工作频率。

实际应用中，本发明所设计系统根据末端空调风机运行状态、电动二通阀开度、车站平均温度或回风温度，结合当前系统负荷率预测负荷变化趋势，调节冷水机组及压缩机的组合开启方式，如果预测负荷低于最小冷水机组中最小压缩机单独开启的最低符合率，则系统连锁关闭所有冷水机组、冷却水泵和冷却塔风机，只维持冷冻水泵以低频率运行，并持续预测负荷变化趋势，如果预测负荷高于最小冷水机组最小压缩机单独开启的最低符合率，则高效机房节能控制系统会连锁开启该机组。

综上，本发明所设计地铁高效机房节能控制系统及控制方法，针对地铁内各个单体设备的控制，采用整体分析，以提高空调系统整体运行能效为出发点，设计对各个单体设备控制的主动寻优策略，充分避免了设备之间控制效果出现此消彼长的问题，充分发挥了每种设备的节能效果，在达到地铁空调环境指标的情况下，有效提高了地铁空调系统整体运行能效。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种地铁高效机房节能控制系统，其特征在于：包括控制器，以及分别与控制器相连接的空调水系统冷水机组通讯模块、空调水系统温度采集模块、空调水系统压力采集模块、空调水系统流量采集模块、室外气象采集模块、电动蝶阀控制模块、电动调节阀控制模块、空调水泵及冷却塔变频驱动模块、智能电表采集模块；

其中，冷水机房中的各台冷水机组分别对接空调水系统冷水机组通讯模块；

冷水机房冷冻水总管供水位置、冷水机房冷冻水总管回水位置、冷水机房冷却水总管进水位置、冷水机房冷却水总管出水位置、冷水机房中各冷水机组冷冻水出水位置、冷水机房中各冷水机组冷冻水进水位置、冷水机房中各冷水机组冷却水出水位置、冷水机房中各冷水机组冷却水进水位置分别设置温度传感器，各个温度传感器分别电气连接至空调水系统温度采集模块；

冷水机房冷冻水总管供水位置、冷水机房冷冻水总管回水位置分别设置压力传感器，各压力传感器分别电气连接空调水系统压力采集模块；

冷水机房中各冷水机组的冷冻水侧位置、冷却水侧位置分别安装电磁流量计，各个电磁流量计分别电气连接到空调水系统流量采集模块；

地铁区域中各新风井位置分别设置室外气象传感器，各室外气象传感器分别电气连接到室外气象采集模块；

冷水机房中各冷水机组的冷冻水侧位置、冷却水侧位置，以及各冷却塔的进水侧位置、出水侧位置，分别设置电动蝶阀，各个电动蝶阀分别电气连接到电动蝶阀控制模块；

冷水机房分集水器之间位置设置电动压差旁通阀，组合式空调机组表冷盘管侧位置设置电动二通调节阀，电动压差旁通阀与电动二通调节阀分别电气连接到电动调节阀控制模块；

各空调冷冻水泵、各空调冷却水泵、以及各冷却塔风机分别电气连接到空调水泵及冷却塔变频驱动模块；

冷水机房中各冷水机组、各空调冷冻水泵、各空调冷却水泵、各冷却塔风机、组合式空调送风机、组合式空调回排风机、以及各新风机，分别安装智能电表，各个智能电表分别电气连接到智能电表采集模块。

2.根据权利要求1所述一种地铁高效机房节能控制系统，其特征在于：还包括分别与控制器相连接的空调风系统温湿度采集模块、站厅和站台温湿度采集模块、站厅和站台CO2浓度采集模块、空调风机变频驱动模块；

其中，组合式空调机组送风管位置、组合式空调机组回风管位置、组合式空调机组新风管位置分别设置温湿度传感器，该各个温湿度传感器分别电气连接到空调风系统温湿度采集模块；

站厅和站台的各个指定位置分别设置温湿度传感器，该各个温湿度传感器分别电气连接到站厅和站台温湿度采集模块；

站厅和站台的各个指定位置分别设置CO2浓度传感器，该各个CO2浓度传感器分别电气连接到站厅和站台CO2浓度采集模块；

组合式空调送风机、组合式空调回排风机、以及各新风机分别电气连接到空调风机变频驱动模块。

3.一种针对权利要求2所述一种地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：控制器根据来自空调水系统温度采集模块的冷水机房冷冻水总管供水温度值，控制冷水机房中冷水机组的开启数量、以及控制所开启冷水机组中压缩机的开启数量；

控制器针对来自空调水系统温度采集模块的冷水机房中各开启冷水机组的冷却水出水温度值与冷却水进水温度值，根据冷却水进出水温度差，通过空调水泵及冷却塔变频驱动模块控制相应空调冷却水泵的工作频率；

控制器针对来自空调水系统压力采集模块的冷水机房冷冻水总管供水压力值、冷水机房冷冻水总管回水压力值，以及来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷冻水流量值，根据冷水机房冷冻水供回水压力差与各冷水机组冷冻水流量值，控制冷水机房分集水器之间所设电动压差旁通阀的开度。

4.根据权利要求3所述一种针对地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：基于两台冷却塔，控制器针对来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷却水流量值，根据各冷水机组冷却水流量值之和，按如下规则，控制冷却塔风机的开启数量；

若各冷水机组冷却水流量值之和<单台冷却塔额度流量的80％，则控制开启一台冷却塔；

若各冷水机组冷却水流量值之和>两台冷却塔额度流量和的40％，则控制开启两台冷却塔；并且控制开启相应各冷却塔风机的同时，控制所开启各冷却塔风机进水侧位置与出水侧位置的电动蝶阀同步开启。

5.根据权利要求4所述一种针对地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：控制器针对来自室外气象采集模块的室外湿球温度，根据冷水机房冷却水总管进水温度与室外湿球温度，计算冷却塔逼近度，并通过冷却塔逼近度，经空调水泵及冷却塔变频驱动模块控制所开启冷却塔风机的工作频率。

6.根据权利要求5所述一种针对地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：控制器针对来自空调水系统温度采集模块的冷水机房中各冷水机组冷冻水出水温度、各冷水机组冷冻水进水温度，以及来自空调水系统流量采集模块的冷水机房中各冷水机组的冷冻水流量值，按如下公式：

Qe＝Cp*ρG1*(T1in-T1out)

分别计算获得各冷水机组的输出冷量Qe；其中Cp表示水的比热容；ρ表示水的密度；G1表示冷水机组冷冻水流量；T1in表示冷水机组冷冻水进水温度；T1out表示冷水机组冷冻水出水温度。

并进一步，按如下公式：

Qc＝Cp*ρG2*(T2out-T2in)

分别计算获得各冷水机组的冷凝器输出热量Qc；其中Cp表示水的比热容；ρ表示水的密度；G2表示冷水机组冷却水流量；T2in表示冷水机组冷却水进水温度；T2out表示冷水机组冷却水出水温度。

更进一步，按如下公式：

MEBC1＝(Qc1-(Qe1+W1))/Qc1*100％

MEBC2＝(Qc2-(Qe2+W2))/Qc1*100％

MEBC＝(Qc1+Qc2-(Qe1+W1)-(Qe2+W2))/(Qc1+Qc2)*100％

分别计算获得各冷水机组的热平衡系数(MEBC1、MEBC2)及冷水机房热平衡系数MEBC1；其中MEBC1表示1号冷水机组热平衡系数；MEBC2表示2号冷水机组热平衡系数；MEBC表示冷水机房热平衡系数；Qc1表示1号冷水机组的输出冷量；Qc2表示2号冷水机组的输出冷量；Qe1表示1号冷水机组的冷凝器输出热量；Qe2表示2号冷水机组的冷凝器输出热量；W1表示1号冷水机组的瞬时功率；W2表示2号冷水机组的瞬时功率；

高效机房节能控制系统实时监控每台冷水机组的热平衡系数及冷水机房热平衡系数，一旦监测到冷水机组的热平衡系数或冷水机房热平衡系数≥5％立即产生报警提示。

并进一步基于两台冷水机组，控制器针对来自智能电表采集模块的各冷水机组功率、各空调冷冻水泵功率、各空调冷却水泵功率、各冷却塔风机功率，结合各冷水机组的输出冷量，按如下公式：

COP＝Q1+Q2/(P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8)

计算获得冷水机房瞬时COP；其中Q1、Q2分别表示各台冷水机组的输出冷量，P1表示1号冷水机组功率；P2表示2号冷水机组功率；P3表示1号空调冷冻水泵功率；P4表示2号空调冷冻水泵功率；P5表示1号空调冷却水泵功率；P6表示2号空调冷却水泵功率；P7代表1号冷却塔功率；P8代表2号冷却塔功率。

同时按如下公式：

COP1＝Q1/P1

COP2＝Q2/P2

计算获得1号冷水机组瞬时COP和2号冷水机组瞬时COP；其中Q1、Q2分别表示各台冷水机组的输出冷量；P1表示1号冷水机组功率；P2表示2号冷水机组功率。

7.根据权利要求6所述一种针对地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：基于冷水机房中两台冷水机组、以及各台冷水机组分别对应两台压缩机，通过两台冷水机组输出冷量之和除以两台冷水机组额定冷量之和的计算，获得空调系统负荷率，并进一步按如下规则进行控制；

当空调系统负荷率减小，且空调系统负荷率<10％时，以及冷水机房冷冻水总管供水温度小于总管供水温度设定值，则控制器关闭所有冷水机组、空调冷却水泵、以及冷却塔风机，仅保留空调冷冻水泵以预设较低频率运行；

当空调系统负荷率增加，且冷水机房冷冻水总管供水温度大于冷水机组开机复归温度，以及17％>空调系统负荷率≥10％，则控制器重新开启2号冷水机组的2号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机；

当空调系统负荷率继续增加，且25.4％>空调系统负荷率≥17％，则控制器开启2号冷水机组的1号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且34.5％>空调系统负荷率≥25.4％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机、以及1号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且42.4％>空调系统负荷率≥34.5％，则控制器开启2号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机、以及2号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且57.6％>空调系统负荷率≥42.4％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机、以及1号冷水机组所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且83％>空调系统负荷率≥57.6％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，以及控制开启2号冷水机组的1号压缩机，并控制开启两台冷水机组分别所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭；

当空调系统负荷率继续增加，且空调系统负荷率≥83％，则控制器开启1号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，以及控制开启2号冷水机组的1号压缩机和2号压缩机，同时控制开启两台冷水机组分别所对应的空调冷却水泵、冷却塔风机，其余压缩机均关闭。

8.根据权利要求6或7所述一种针对地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：所述控制器经空调水泵及冷却塔变频驱动模块针对各空调冷却水泵的变频控制，按如下步骤，周期执行主动寻优控制策略，优化冷水机组冷却水进出水温差设定值；

步骤A.当1号冷水机组负荷平稳后，保持该冷水机组所对应的空调冷冻水泵、以及冷却塔的工作频率不变，并根据如下公式：

COP1＝Qe1/(P1+P5)

计算该冷水机组的本次能效COP1；其中Qe1表示各1号冷水机组的输出冷量，P1表示1号冷水机组功率；P5表示1号空调冷却水泵功率；

步骤B.当该冷水机组所对应空调冷冻水泵、以及冷却塔频率保持不变，则针对冷水机组冷却水进出水温差设定值+0.2℃，然后根据步骤A中公式的方法，计算该冷水机组本次能效情况COP2；

步骤C.如果(COP1-COP2)/COP1*100％>0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值+0.2℃；

如果(COP1-COP2)/COP1*100％<-0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值-0.2℃；

如果0.5％>(COP1-COP2)/COP1*100％>-0.5％，则在下一个调节周期主动寻优策略将冷水机组冷却水进出水温差设定值保持不变。

9.根据权利要求3所述一种针对地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：控制器针对来自站厅和站台温湿度采集模块的站厅干球温度、站台干球温度，根据站厅及站台干球温度平均值，按如下优先级规则：

若站厅及站台干球温度平均值高于预设干球温度阈值，则优先针对组合式空调机组表冷盘管侧电动二通调节阀，控制其开大开度；

若站厅及站台干球温度平均值低于预设干球温度阈值，则优先控制降低组合式空调机组送风机频率；

实现组合式空调机组送风机频率、以及组合式空调机组表冷盘管侧电动二通调节阀开度的控制。

10.根据权利要求3所述一种针对地铁高效机房节能控制系统的控制方法，其特征在于：控制器针对来自站厅和站台CO2浓度采集模块的对应于站厅和站台各个指定位置的CO2浓度值，根据CO2浓度平均值，控制各新风机的工作频率。

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