典型地铁站通风空调控制系统节能改造分析

3060 · 公众号 · · 2025-02-15 11:29

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地铁作为城市交通的大动脉，其日常运营中消耗的能源数量巨大，其中通风与空调系统尤为关键，因为它们为乘客提供舒适环境的同时，也会产生较高的能源费用。 能源浪费和效率低下的问题导致城市轨道交通系统的经济和环境压力不断增大。

作为都市中连续运作的重要场所，地铁站以其庞大的人流量和复杂的内部结构，对能源使用有更高要求，往往需要依靠庞大的动力系统来保证服务品质。 而对地铁站通风空调系统的节能改造与优化，不仅直接关系到能源消耗的降低和运营成本的控制，还影响到地铁站的生态环境和城市的可持续发展。 因此，面对全球能源危机和环境污染的严峻挑战，迫切需要通过技术创新实现地铁站空调系统的高效节能管理。

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地铁站通风空调系统基本概况

某地铁站的通风空调系统由两大主要区域组成：公共区域与设备区域。 两者共同依赖于一套水冷式集中空调系统，主要由水冷螺杆式冷水机组提供冷源，以及来自冷却塔的冷却水。

公共区域的空调系统，也称大系统，拥有两台冷水机组，每台机组的额定制冷量为422 kW。还包括两个冷水泵、冷却水泵及冷却塔。冷水通过分集水器进行供给，而冷却水则通过通廊与地面冷却塔完成循环。相对而言，设备区空调系统，即小系统，结构与大系统相似，但其单台机组的额定制冷量为387 kW。小系统的冷却水系统服务于不同设备用房。在末端设备方面，由组合式空调机组及风机承担送风、回排风与排烟的工作。

为进一步了解此系统运行状况，实施了现场测试。测试结果指出，大系统与小系统均采用双机运行模式，冷水出水温度设定为7℃，水泵、冷却塔风机及末端风机以工频运行。

大系统的冷水流量为138 m³/h，冷却水流量为164 m³/h；小系统则分别为47 m³/h与116 m³/h。大系统的冷水供回水温差平均值为2.5℃，小系统为3.8℃。然而，这一低值使得机组能效比降低，为达到所需要的冷负荷，系统需要使用较大水流量，从而导致水泵的能源消耗上升。计算结果表现为，大系统冷水机组COP为3.1，整个冷源系统COP为4.3，总系统COP为2.5；小系统冷水机组COP为4.9，总系统COP为2.3。 这些参数综合体现了该地铁站通风空调系统的能效水平及能源使用状况。

通风空调系统节能改造方案

针对提升地铁站空调系统节能效率的问题，拟实施一项以需求响应为基础的节能技术改进计划。 该计划涉及应用变频技术调节冷水机组运行效率，确保冷水泵仅在供回水温差达到特定值时启动，以实现满足冷却需求；冷却塔风机应响应系统热负荷变化，通过调节其运转频率以适时送风；通过对冷水机组温控策略进行改善，依据地铁站内不同区域的特性设定新的温度标准；在温度控制上，依据湿球温度与机组负载情况，精准调控冷却水出口温度；有计划地对主要机电设备执行启停控制以节约能源，并利用创新的风水一体化技术调整风流，以达到风温与系统效能的设定目标。

为实现对空调系统关键设备运行的高效监管，建议引入集散式控制系统架构。该架构汇集了各设备连接的分散式控制单元与具备远程监控和数据交互功能的核心服务器。其 核心目标在于集中管理这些关键装置的行为，以最大化地铁站空调系统的整体运行效率，尽可能降低能耗，实现系统运作优化。

车站空调水系统节能优化的关键在于智能控制系统的应用。 在制冷机房，智能控制柜通过集成温湿度传感器在智能控制柜中，系统能够对冷水泵和冷却水泵进行变频调节，并对冷却塔风机执行精准的频率控制。智能控制柜直接控制冷水机组的启停和出水温度，并对手动控制的分集水器压差旁通阀进行精细调整。在风系统节能优化方面，车站运用智能控制柜和节能控制柜来监测风系统运行状况，并执行相关设备控制。

系统与集中管理平台对接，实现了水系统与风系统的协调控制。 以大型系统为例，通过智能控制柜对风系统进行改造，增加温湿度传感器，并调整控制策略，以期达到风量和水量的最优配置。小型系统的改造方案与大型系统类似，也实施了相当的控制方法，有效提升了系统的整体节能效果。

节能改造方案实施

为了实现中央空调系统的综合节能改造，一系列现场升级工程同步开展，这些改进举措横跨水系统、风系统、通信接口和电能计量等多个关键部分，并扩展至车站集中管理平台。改造期间，特别关注了制冷机房的节能优化，主要包括配置智能控制柜一台及六台节能控制柜。智能化控制柜负责接收各种传感器传递的信号，对冷水机组和相关设施实施远程控制，使得水泵及冷却塔风机的操作更加智能化。 整个系统充分利用RS485通信协议，实现数据的高效传输。

系统中安装了四个超声波流量计 ，分别位于冷水和冷却水的供、回水管干线上，这些流量计负责监测并提供实时流量数据。此外，还配备了26个贴片式水温传感器，它们分布在包括冷水机组进出水口、分集水器和供回水管等关键位置。这些温度传感器可以将模拟量信号直接传递给控制柜内的可编程逻辑控制器（PLC），并经过PLC处理后，相关信息将显示在控制屏幕上，或参与智能算法的计算。

在当前的环控电控室内，已经安置了一台智能控制柜及小系统控制器来管理包括大系统在内的能效提升计划。与此同时，在B端环控电控室中，系统被进一步优化，配置了两台节能控制柜和一台小系统控制器，共同负责调节风机运行频率，以此达到减少能源消耗的目标。涉及的数据采集工作主要依赖于风管内已安装的温湿度传感器。位于整个车站范围内的五个主要风系统—KT-A1、KT-A2、XK-B1、XK-B2和XK-A1，每一个都采用了分布在送风、回风和新风管道上的温湿度传感器。 这些传感器实时监控空气中的温湿度，并将采集到的模拟信号传输给相关风系统智能控制柜。

在完成智能控制柜安装工作后，必须确保其与现有建筑自动化系统（BAS）之间能进行有效信号传输，同时需要升级传感器、变频器及执行器等部件的通信系统，以便进行数据交换。控制柜会基于所收集数据进行必要计算，并以此发出相应的运行频率控制信号，进而实现对整个车站空调系统风机的变频调节，以及对空调器水阀信号的精准调控。为了达到信息互联互通的目的，配备的BCU边缘计算单元需与 BAS系统完成对接，并通过与PLC系统进行通信连接。最终，这些BCU单元经由网络连接到位于制冷机房的智能控制柜交换机，从而实现了从车站级集中管理平台到BCU边缘计算单元的互联互通，并通过空调节能控制系统平台实现了分散与集中相结合的管理目标。

系统节能效果分析

集散式系统架构和智能化算法的引入，使地铁站空调系统能根据室外气候和客流规律精准调节关键参数，有效提升运行效率。水系统通过优化设备运行策略和水量供应调整，实现节能降耗；风系统采用变风量控制技术及按需供应冷量算法，提高了能源利用效率。系统根据不同设备状态进行调整，实现能耗降低。 与传统模式相比，节能模式能动态调整冷水机组出水温度，让水泵和风机等关键设备变频运行，从而降低了整体运行能耗，显著提升能效。

▌不同运行模式下空调系统能效

在对车站空调系统于现行及改进节能模式下进行全面监测的研究中，观察覆盖了选定重要日子的全时段温度变化，所得数据显示，温度在室外全天监测周期内呈现出相似的波动模式，并成功将站内温度维持在不超过26℃的标准之下。在既有运行模式下，空调输出的冷却能力设置较为充裕，致使站内温度处于较低水平；而在节能模式下，凭借对水温调节技术的精细控制，以及水泵和冷却系统的智能化整合管理，站点的能耗效率得到显著提升。

研究也采用系统能效比这一核心指标，对全系统及小系统效能进行深入分析比较。 在对大型系统进行全面评估的基础上，发现传统运营模式的系统能效比约为2.3，节能模式下这一数字显著攀升至3.7，体现了更为优异的能源效率。能效比的显著提升得归因于对冷水机组出水温度的智能控制，以及水泵、冷却塔风机与末端装置的综合优化操作策略。分析结果表明，节能模式相较于传统模式，能效比提升了60.8%。对小系统而言，在节能模式下能效比也有显著提升，从2.0增长至3.3，这些数据揭示了车站空调系统节能的潜力及效能改善的可能性，为系统优化提供了理论和实践的支撑。

▌节能效果分析

经过研究节能模式和传统模式下空调系统能耗的对比，研究结果表明，节能模式使得总用电量明显下降。 节能模式运作状态下，整个系统的能耗降低到2737 kW·h，与传统模式相比，节省了高达64.5%的能源。在分项能耗分析中，空调风系统运转时功率减小，节能效果达到50.5%，归功于末端风水平台采用的风机变频控制策略。更在整个系统中，冷水机组在节能模式下能实现间歇性运行，水泵运行经过变频调节，根据供回水温差进行优化， 分别实现了68.8%和74.0%的节能效果。 观察到的冷却塔在节能模式的运用下，节能率达到37.2%，这些数据共同揭示了节能运行模式在实际运用中对空调系统各个部分的显著节能潜力。

结束语

在针对某一城市标准地铁站通风空调系统的能耗情况所展开的研究中，发现了系统运行效率不佳的问题，表现为能效偏低、耗能较多。为此，对这一系统实施了技术升级，特别集成了需求响应型的节能技术。在对冷水机组、泵、冷却塔风机及末端空调设备进行节能控制策略优化配置后，系统的整体能效比显著提升，其COP值增加至3.7；在整个改造过程中，典型工作日节能效果显著，每日可节约用电达到4738 kW·h，节能率高达66.7%。在各项节能控制细致分析中，冷水机组和泵设备的节能效果尤为明显，其中节能率分别达到69%和74%。本次进行的通风空调系统节能升级案例，不仅证明了节能措施带来的能效提升，还验证了其实际应用价值及在未来推广的潜力。（文/王良、段智文）

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