CN113834194A - 地铁车站通风空调综合节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地铁车站通风空调综合节能控制系统，包括：现场监测执行层，采集控制层，监控管理层，本发明适用于地铁车站通风空调节能控制技术领域，采用变风量控制与变频调速技术相结合进行控制，不仅可以合理利用能源，还可以改善地铁车站运行工况，将风系统及水系统在正常工况下进行统一的监控，实现整个系统在满足末端负荷需求的情况下，系统效率优化，实现全系统的风水协调联动控制。

Description

地铁车站通风空调综合节能控制系统

技术领域

本发明属于地铁车站通风空调节能控制技术领域，具体是地铁车站通风空调综合节能控制系统。

背景技术

地铁是大运力、高耗能的地下交通工具，地铁车站通风空调系统用电量约占地铁车站用电量的60％，2016年前开通的地铁线路在前期设计规划时只考虑了普通的集中控制技术,没有部署专用的节能控制系统,因此无法做到整个通风空调系统的节能调控，能源浪费情况相当严重。

然而，一般通风空调设备的选型是根据车站最大负荷确定的，而满负荷运行只在早高峰、晚高峰时段发生，高峰时段也就3小时，地铁一般一天运行18小时,故绝大多数时间应处于选型负荷以下运行。在没有部署专用的节能控制系统条件下，车站通风空调设备基本采用恒定转速运行，无论车站空调负荷如何变化，因此能源浪费情况相当严重。

而且，地铁现有车站通风空调系统中，风系统与水系统是分别孤立进行监控，系统负荷的实时变化无法通过风水系统互相有机联系进行调节控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供地铁车站通风空调综合节能控制系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

地铁车站通风空调综合节能控制系统，包括：

现场监测执行层，包括现场检测、执行仪表或设备，具体包括水泵控制装置、冷却塔控制装置、回排风机控制装置、传感器件、阀门及仪表；

采集控制层，包括由一体化工业计算机、交换机、通用控制器、专用控制器等组成的节能管理控制柜或节能管理控制箱，用于采集现场监控设备数据并执行控制指令；

监控管理层，包括系统软件、数据库，用于远程进行监控管理。

优选的，所述现场检测、执行仪表或设备分别与节能管理控制柜或节能管理控制箱之间采用有线连接,节能管理控制柜或节能管理控制箱之间采用光纤环网连接，节能管理控制柜与车站BAS系统采用FAS干接点信号有线连接。

优选的，所述水泵控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，在控制柜从环控电控柜取出动力电源后，水泵的工/变频启停、生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护；

所述冷却塔控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，控制柜从环控电控柜取出动力电源后，用于冷却塔风机的工/变频启停、变频转速自动控制调节,当设备发生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护；

所述回排风机控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，控制柜从环控电控柜取出动力电源后，用于回排风机的工/变频启停、变频转速自动控制调节,当设备发生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护。

优选的，所述监控管理层设备与所述采集控制层设备通过光纤以太网环网连接，用于整个系统的集中监视、系统管理分析，与各采集控制层设备进行数据传输和信息交互。

优选的，还包括用于传感器信号采集的模拟量输入接口，为进行优化控制及执行各类保护策略提供必要的数据。

优选的，使用过程中，在满足车站不同季节、不同时刻、不同负荷系统需求的前提下，采用变风量与变频相结合的控制策略，包括：

将站厅温度、湿度、空气中的C0₂浓度、室外空气温度、湿度信号进行采集并输入到控制器，通过控制程序，输出相应的实时控制信号到监控管理层，控制系统状态及频率；

以站内温度设定值为控制目标，专用控制器根据站内温度与站内温度设定值，采用PID智能算法实时调节运行频率；

当CO2浓度超过设定值时，回排风机频率在原频率基础上进行串级PID调节；

冷冻泵、冷却泵频率根据供回水温差及温差设定值采用PID智能算法进行实时调节。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，采用变风量控制与变频调速技术相结合进行控制，不仅可以合理利用能源，还可以改善地铁车站运行工况。

本发明中，将风系统及水系统在正常工况下进行统一的监控，实现整个系统在满足末端负荷需求的情况下，系统效率优化，实现全系统的风水协调联动控制。

附图说明

图1是本发明地铁车站通风空调综合节能控制系统的连接结构示意图；

图2是本发明地铁车站通风空调综合节能控制系统中整体结构示意图；

图3是本发明地铁车站通风空调综合节能控制系统中综合节能控制流程图；

图4是本发明地铁车站通风空调综合节能控制系统中回排风机变频运行曲线图。

具体实施方式

以下结合附图1-4，进一步说明本发明地铁车站通风空调综合节能控制系统的具体实施方式。本发明地铁车站通风空调综合节能控制系统不限于以下实施例的描述。

实施例1：

本实施例给出地铁车站通风空调综合节能控制系统的具体实施方式，如图1-4所示，包括：

现场监测执行层，包括现场检测、执行仪表或设备，具体包括水泵控制装置、冷却塔控制装置、回排风机控制装置、传感器件、阀门及仪表；

采集控制层，包括由一体化工业计算机、交换机、通用控制器、专用控制器等组成的节能管理控制柜或节能管理控制箱，用于采集现场监控设备数据并执行控制指令；

监控管理层，包括系统软件、数据库，用于远程进行监控管理。

进一步的，现场检测、执行仪表或设备分别与节能管理控制柜或节能管理控制箱之间采用有线连接,节能管理控制柜或节能管理控制箱之间采用光纤环网连接，节能管理控制柜与车站BAS系统采用FAS干接点信号有线连接。

进一步的，水泵控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，在控制柜从环控电控柜取出动力电源后，水泵的工/变频启停、生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护；

冷却塔控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，控制柜从环控电控柜取出动力电源后，用于冷却塔风机的工/变频启停、变频转速自动控制调节,当设备发生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护；

回排风机控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，控制柜从环控电控柜取出动力电源后，用于回排风机的工/变频启停、变频转速自动控制调节,当设备发生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护。

进一步的，监控管理层设备与采集控制层设备通过光纤以太网环网连接，用于整个系统的集中监视、系统管理分析，与各采集控制层设备进行数据传输和信息交互。

进一步的，还包括用于传感器信号采集的模拟量输入接口，为进行优化控制及执行各类保护策略提供必要的数据。

进一步的，使用过程中，在满足车站不同季节、不同时刻、不同负荷系统需求的前提下，采用变风量与变频相结合的控制策略，包括：

将站厅温度、湿度、空气中的C0₂浓度、室外空气温度、湿度信号进行采集并输入到控制器，通过控制程序，输出相应的实时控制信号到监控管理层，控制系统状态及频率；

以站内温度设定值为控制目标，专用控制器根据站内温度与站内温度设定值，采用PID智能算法实时调节运行频率；

当CO2浓度超过设定值时，回排风机频率在原频率基础上进行串级PID调节；

冷冻泵、冷却泵频率根据供回水温差及温差设定值采用PID智能算法进行实时调节。

工作原理：

一、系统组成

如图1和2所示，地铁车站通风空调系统主要分为三个系统，分别为车站公共区空调通风系统(兼排烟系统)，简称大系统；车站设备管理用房空调通风系统(兼排烟系统)，简称小系统；车站制冷空调循环水系统，简称水系统。

因为服务区域不同，小系统因主要服务于设备管理用房，负荷主要为设备机房产生的热量，其负荷较为稳定，因此节能的余地不大。

而大系统主要服务于站厅、站台公共区域，热负荷受客流密度、季节性影响较大，原有地铁车站大系统的回排风机风量、水系统冷量一般按照远期高峰小时运营情况进行选型或设置，在运行初期，客流及行车数量尚未达到远期水平，风机、冷机运行有较大的余量；同样在非高峰时段，也存在风机、冷机运行风量、冷量富余的问题。因此，车站大系统及车站水系统是本系统的主要监控目标。

本系统硬件设备选择具备高可靠性、高容错性、可维护性好的工业级控制设备，控制系统采用可编程逻辑控制器-PLC，具有远程编程与诊断功能，控制器冗余配置，输入输出模块隔离，可带电插拔，全系统具有优质的抗干扰性。网络采用工业级交换设备能够更好地满足高可靠性的实时监控需要。系统遵循标准化、开放性的接口设计原则，能够很好地与原BAS系统进行联接。

地铁车站内负荷变化主要受客流量、行车班次、设备的发热量、新风量等因素影响，车站内的负荷除了随季节变化，在一日之内还会随着时段不同而有所差异。地铁车站通风空调综合节能系统在节能工况下可实现对通风空调系统的节能优化控制，在非节能工况下，通风空调系统由原BAS系统实现控制。

在现有的车站配电室内的合适位置安装1套节能管理控制柜，作为通风空调系统的中央处理器，并有效的对制冷机组、回排风机控制装置、组合式空调箱、各类水泵、各类执行设备进行有效的监测和控制，同时实时监测读取各类传感器及各个设备的工作运行状态，并对车站现有的BAS系统或现有的机组集控系统进行通信，实现整个通风空调系统互联互通的集中优化，达到节能优化控制的目的。

二、系统功能

(1)系统由一体化工业计算机、通风空调节能管理系统软件、数据库、交换机、通用控制器、专用控制器等组成；

(2)系统通过光纤以太网环网与控制层设备进行连接，负责整个受控通风空调系统的集中监视、系统管理分析等功能，实现与各控制层控制柜的数据传输和信息交互。

(3)系统具有专业的通风空调节能策略，完成车站通风空调系统中通风系统、水系统间的协调优化控制，实现系统效率最优。

(4)系统支持基于RS485总线的Modbus RTU协议和基于以太网总线的Modbus TCP协议。

(5)系统可实现对车站通风系统中的大、小系统、水系统的设备进行启停或开关控制及监视，同时可实现对组合式空调机组、回排风机、组合式空调机组冷冻回水管电动两通阀、隧道风机等的频率调节控制和阀门开度调节控制。

(6)系统可采集大、小系统、水系统设备的运行、故障、手/自动等全部运行状态。

(7)系统设置有故障报警蜂鸣器，任何一个受控设备发生故障时，均应触发报警蜂鸣器，给出报警提示，必要时进行联锁保护。

(8)系统提供用于传感器信号采集的模拟量输入接口，为进行优化控制及执行各类保护策略提供必要的数据。

(9)为确保在系统出现故障时，各节能管理控制柜仍能独立运行，每台节能控制柜中配置有独立的PLC控制器(集成了CPU,电源，I/O、通讯等)。

三、系统控制功能

(1)变风量与变频相结合的控制策略

变风量的控制方法随季节的不同而有所变化，因此，我们把一年时间分为夏季酷热期为空调季，春秋季节为过渡季和冬季。

过渡季地铁车站通风空调系统变风量控制方案需满足以下三个条件：即满足人员最小新风量、满足站台最小换气次数要求和保证地铁站台内温度不超过30℃。

空调季和冬季的新风控制方法相对比较复杂，即在满足人员新风量要求的情况下，还必须保证地铁车站的环境温度没有超过设计允许的标准，根据《地铁设计规范-通风空调与采暖》，空调季地铁车站的温度必须小于等于30℃，在冬季地铁车站的温度不能小于12℃；为满足这一点，在空调季主要控制地铁晚高峰时期的站台温度小于等于30℃，另外在冬季，主要控制早高峰时期的站台温度大于12℃。

事故(例如火灾)通风需要的风量要大于日常通风所需要的风量，在地铁车站回排风机的设计中，额定功率可以满足事故通风需要，所以其额定功率大于日常通风所需要的运行功率，故需要对回排风机进行变频控制来实现节能运行,变频控制的依据是站台内、外负荷的变化。

在满足车站不同季节、不同时刻、不同负荷系统需求的前提下，采用变风量与变频相结合的控制策略，从而节约运行能耗，降低运行费用。

将站厅温度、湿度、空气中的C02浓度、室外空气温度、湿度信号进行采集并输入到控制器，通过控制程序，输出相应的实时控制信号到车站通风空调综合节能系统，控制系统状态及频率。以站内温度设定值(设定值为28℃)为控制目标，空调机组根据站内温度与站内温度设定值，采用PID智能算法实时调节运行频率。当CO2浓度超过设定值时，回排风机频率在原频率基础上进行串级PID调节。冷冻泵、冷却泵频率根据供回水温差及温差设定值采用PID智能算法进行实时调节。

按照不同的工况对地铁车站回排风机模式控制策略参见下表：

(2)综合节能控制

地铁车站通风空调综合节能系统将风系统、水系统进行统一的监控，通过系统中的风水系统及综合控制策略进行全局统筹，实现各控制环节的相互协调控制。

地铁车站通风空调综合节能系统是通过负荷计算及系统综合性能系数来确定通风空调系统运行模式。它可以根据室内负荷变化调节车站回排风机的运行频率，并同时对空调水系统设备实际运行参数进行调节。使车站公共区在达到设计环境温度目标值的前提下，车站通风空调系统综合性能系数值达到最大值。

如图3所示，在空调季工况运行下，系统动态调节的策略为：增负荷时，先增大水量后增大风量；减负荷时，先降低风量后降低水量。当检测到的回风温度小于设定的回风温度时，说明车站负荷减少,先利用风机变频器调小风量再关小电动水阀减少空调系统的冷冻水量。当检测到的回风温度大于设定的回风温度时，说明车站负荷增大，先开大电动水阀增加空调系统的冷冻水量再利用风机变频器调大风量。

四、节能效果

以最小节能量为例，按照时间段来控制系统运行的回排风机变频运行曲线如图4所示。

由图可以得出，一天之内，回排风机通过变频可以减少7％左右的风量，根据风机风量与转速的一次方成正比，而所耗功率与转速的三次方成正比的原理可知，在风量减少7％的情况下，相应的电机转速应降低7％，风机功率为原来的(1-0.07)3≈0.8倍，回排风机节电约为20％。由此可见，回排风机采用变频技术后，具有显著的节能效果。

在空调机组和回排风机采用电动机变频调速装置后，节电效果明显。通过将地铁车站风系统、水系统以及变风量和变频控制有机结合进行的综合优化控制，在降低地铁车站电力以及水资源的同时，使系统设备的使用寿命得到了延长，能量转化效率也得到了有效提高，可实现地铁车站通风空调系统综合节能30％-40％左右，有效减少后期运营成本的负担，节能意义重大。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.地铁车站通风空调综合节能控制系统，其特征在于，包括：

现场监测执行层，包括现场检测、执行仪表或设备，具体包括水泵控制装置、冷却塔控制装置、回排风机控制装置、传感器件、阀门及仪表；

采集控制层，包括由一体化工业计算机、交换机、通用控制器、专用控制器等组成的节能管理控制柜或节能管理控制箱，用于采集现场监控设备数据并执行控制指令；

监控管理层，包括系统软件、数据库，用于远程进行监控管理。

2.如权利要求1所述的地铁车站通风空调综合节能控制系统，其特征在于：所述现场检测、执行仪表或设备分别与节能管理控制柜或节能管理控制箱之间采用有线连接,节能管理控制柜或节能管理控制箱之间采用光纤环网连接，节能管理控制柜与车站BAS系统采用FAS干接点信号有线连接。

3.如权利要求1所述的地铁车站通风空调综合节能控制系统，其特征在于：

所述水泵控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，在控制柜从环控电控柜取出动力电源后，水泵的工/变频启停、生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护；

所述冷却塔控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，控制柜从环控电控柜取出动力电源后，用于冷却塔风机的工/变频启停、变频转速自动控制调节,当设备发生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护；

所述回排风机控制装置，包括独立的变频器、输出电抗器、电力监测仪,其控制回路包括工频模式、变频模式两种，启停操作方式包括远程操作、本柜操作，控制柜从环控电控柜取出动力电源后，用于回排风机的工/变频启停、变频转速自动控制调节,当设备发生过载、缺相、堵转、短路、欠压等故障时，可以报警和保护。

4.如权利要求1所述的地铁车站通风空调综合节能控制系统，其特征在于：所述监控管理层设备与所述采集控制层设备通过光纤以太网环网连接，用于整个系统的集中监视、系统管理分析，与各采集控制层设备进行数据传输和信息交互。

5.如权利要求1所述的地铁车站通风空调综合节能控制系统，其特征在于：还包括用于传感器信号采集的模拟量输入接口，为进行优化控制及执行各类保护策略提供必要的数据。

6.如权利要求1所述的地铁车站通风空调综合节能控制系统，其特征在于：使用过程中，在满足车站不同季节、不同时刻、不同负荷系统需求的前提下，采用变风量与变频相结合的控制策略，包括：

将站厅温度、湿度、空气中的C0₂浓度、室外空气温度、湿度信号进行采集并输入到控制器，通过控制程序，输出相应的实时控制信号到监控管理层，控制系统状态及频率；

以站内温度设定值为控制目标，专用控制器根据站内温度与站内温度设定值，采用PID智能算法实时调节运行频率；

当CO2浓度超过设定值时，回排风机频率在原频率基础上进行串级PID调节；

冷冻泵、冷却泵频率根据供回水温差及温差设定值采用PID智能算法进行实时调节。

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