薛婷婷

（上海申通地鐵集團有限公司，上海200000）

1 概述

根據(jù)現(xiàn)有軌道交通運營線路的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，牽引用電及通風空調(diào)動力用電是軌道交通機電各系統(tǒng)中的主要能耗單元，其中牽引用電約占機電總能耗44.39%，通風空調(diào)動力用電也占到30.29%左右，而其他系統(tǒng)能耗均不足10%。特別地，在車站常規(guī)機電系統(tǒng)能耗中，通風空調(diào)動力用電更是主要能耗單元，占到常規(guī)機電系統(tǒng)總能耗的60%左右。由此可見通風空調(diào)是軌道交通中的用電大戶。

在車站通風空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計中，冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風機、送排風機的設(shè)備選擇通常是按照地鐵運行遠期最大負荷選擇的。在空調(diào)季節(jié)中，系統(tǒng)長期在固定的最大水流量和最大風量下工作，由于季節(jié)、晝夜、客流量不同情況下負荷的不斷變化，通風空調(diào)最大冷負荷的出現(xiàn)時間較短，絕大部分時間車站通風空調(diào)系統(tǒng)都是在部分負荷條件下運行[1]。

隨著地鐵運營線路的增加，地鐵的能耗也隨之增加。面臨車站每天巨大的電力能耗，地鐵系統(tǒng)節(jié)能降耗勢在必行。那么如何在保證滿足站廳和站臺的舒適度要求的前提下，盡可能的節(jié)約能耗，降低運行費用，是地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)必須要研究的問題[2]。

2 地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

上海新建線路地下車站采用站臺設(shè)置屏蔽門的通風空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由5 個子系統(tǒng)組成：（1）車站站廳和站臺公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)，原則上兼排煙系統(tǒng)（簡稱大系統(tǒng)）；（2）車站設(shè)備管理用房通風空調(diào)兼排煙系統(tǒng)（簡稱小系統(tǒng)）；（3）空調(diào)冷源及水系統(tǒng)（簡稱水系統(tǒng)）；（4）區(qū)間隧道（含輔助線）通風系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)（簡稱區(qū)間隧道通風系統(tǒng)）；（5）車站車軌區(qū)排熱兼排煙系統(tǒng)（簡稱車軌區(qū)通風系統(tǒng)）[3]。5 個子系統(tǒng)既相互獨立又密切關(guān)聯(lián)，子系統(tǒng)存在兼顧2 種功能要求的情況，這些兼用設(shè)備如何在最佳工況點運行并且不影響突發(fā)情況（如火災(zāi)工況）下的功能實現(xiàn)至關(guān)重要，這也是地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運營的前提。

目前樓宇中的群控技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以實現(xiàn)風和水的變頻控制策略有多種，都可以實現(xiàn)節(jié)能控制[4]?，F(xiàn)在在地鐵建設(shè)工程實施過程中，存在的問題主要集中在如何將風水聯(lián)動控制系統(tǒng)融入到傳統(tǒng)的地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（EMCS）的架構(gòu)中。

3 風水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)的分析

地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)中，變頻運行的節(jié)能技術(shù)措施主要使用于大系統(tǒng)，大系統(tǒng)、水系統(tǒng)。實施變頻運行的設(shè)備包括大系統(tǒng)的排熱風機、組合式空調(diào)箱、回排風機、空調(diào)新風機；小系統(tǒng)的空調(diào)箱、回排風機；水系統(tǒng)的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵；還包括各類調(diào)節(jié)閥和溫度、流量、壓差等現(xiàn)場傳感[5]。

在筆者參與的項目中，考慮將風水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)納入地鐵設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（EMCS）,作為其一個子系統(tǒng)設(shè)置，本文針對如何將風水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)納入到設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)中，進行了三種方案的對比分析，討論各個方案的優(yōu)缺點，并提出優(yōu)化方案。

3.1 方案一：風水聯(lián)動系統(tǒng)控制路徑最簡方案

3.1.1 風水聯(lián)動系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1.1 風系統(tǒng)：環(huán)控電控室設(shè)智能控制箱，與風系統(tǒng)各終端設(shè)備連接采集設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，各智能控制箱通過網(wǎng)絡(luò)連接至車站風水聯(lián)動集中控制柜，集中控制柜通過計算分析下發(fā)控制策略，智能控制箱接收控制策略進行參數(shù)計算并將指令下發(fā)至各終端設(shè)備。

3.1.1.2 水系統(tǒng)：環(huán)控電控室設(shè)水系統(tǒng)智能控制柜，與水系統(tǒng)各終端設(shè)備連接采集設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，各智能控制箱通過網(wǎng)絡(luò)連接至水系統(tǒng)中央控制柜，同時，現(xiàn)場設(shè)有控制箱，接入各類傳感器及水閥，采集溫度、濕度、水流量等參數(shù)匯聚至水系統(tǒng)中央控制柜，水系統(tǒng)中央控制柜與車站集中控制柜通信連接，便于整個控制策略的完善，從而起到車站整體節(jié)能。

3.1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

EMCS 系統(tǒng)PLC 與風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)通過RS485 通信線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、信息互通功能。風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)進行節(jié)能控制。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 方案一系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.3 各工況下系統(tǒng)運行關(guān)系

3.1.3.1 在正常工況下，EMCS 下發(fā)節(jié)能控制指令，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)獨立運行，各智能控制箱及現(xiàn)場控制柜采集數(shù)據(jù)，通過風水聯(lián)動控制系統(tǒng)設(shè)置的總線傳至車站集中控制柜，車站集中控制柜下發(fā)控制策略，相關(guān)風系統(tǒng)、水系統(tǒng)接收指令動作，在需要調(diào)節(jié)風閥的情況下，EMCS 接收風水聯(lián)動控制系統(tǒng)指令，對閥門進行操作。

3.1.3.2 當火災(zāi)工況觸發(fā)時，F(xiàn)AS 系統(tǒng)按原有方式向EMCS 系統(tǒng)發(fā)送模式指令，由EMCS 系統(tǒng)將模式指令傳送給“風- 水”聯(lián)動智能控制系統(tǒng)，“風- 水”聯(lián)動智能控制系統(tǒng)再傳送指令至水系統(tǒng)變頻控制柜或配電控制柜進行執(zhí)行。

在EMCS 系統(tǒng)故障或通訊故障時，車控室的IBP 盤可直接對受控設(shè)備的變頻控制柜或配電控制柜發(fā)送硬件指令，此時火災(zāi)指令不經(jīng)過“風- 水”聯(lián)動智能控制系統(tǒng)。

3.1.4 系統(tǒng)分析

3.1.4.1 優(yōu)點。風水聯(lián)動系統(tǒng)能夠直接與參與變頻節(jié)能控制的設(shè)備、現(xiàn)場傳感器進行連接，以便保證節(jié)能變頻控制精度，該方案風水聯(lián)動系統(tǒng)控制路徑比較直接簡單，工程界面劃分較為清晰，工程實施及調(diào)試也相對簡單易行。在EMCS 確定運行工況模式并允許的情況下，風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)可獨立實現(xiàn)全部的空調(diào)節(jié)能控制功能。

3.1.4.2 缺點。火災(zāi)工況下，EMCS 需要通過風水聯(lián)動節(jié)能系統(tǒng)將火災(zāi)指令傳至風機終端，中間多出一個環(huán)節(jié)，控制故障點增多。

3.2 方案二：優(yōu)化架構(gòu)方案

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

風水聯(lián)動控制水系統(tǒng)部分不參與火災(zāi)工況，因此，水系統(tǒng)變頻還是由風水聯(lián)動直接控制。風系統(tǒng)的終端設(shè)備均接入EMCS 的遠程模塊箱中，見圖2。

3.2.1.1 公共區(qū)通風空調(diào)設(shè)備。公共區(qū)通風空調(diào)設(shè)備包括大系統(tǒng)組合空調(diào)機組、回/排風機。節(jié)能運行時，由EMCS 確定運行工況，風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)進行策略運算，并通過與EMCS 的通信接口，將運算接口需進行的操作發(fā)送給EMCS，由EMCS 最終實施控制。

3.2.1.2 軌行區(qū)排熱風機。排熱風機與公共區(qū)通風空調(diào)設(shè)備類似由EMCS 確定運行工況，風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)進行策略運算，并通過與EMCS 的通信接口，將運算接口需進行的操作發(fā)送給EMCS，由EMCS 最終實施控制。

3.2.1.3 設(shè)備及管理用房通風空調(diào)設(shè)備。設(shè)備及管理用房通風空調(diào)設(shè)備包括小系統(tǒng)空調(diào)送風機、排風機，本方案風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)不對其進行直接控制，而是通過EMCS 實現(xiàn)控制。正常情況下，由EMCS 確定運行工況，風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)進行策略運算，并通過與EMCS 的通信接口，將運算接口需進行的操作發(fā)送給EMCS，由EMCS 最終實施控制。

3.2.1.4 水系統(tǒng)。水系統(tǒng)主要設(shè)備包括冷水機組、冷凍、冷卻水泵、冷卻塔等，接口位置在冷水機組通信接口、冷凍、冷卻水泵變頻柜、冷卻塔環(huán)控柜處，均接入風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)。正常情況下，由風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)進行監(jiān)控與節(jié)能調(diào)節(jié)；火災(zāi)情況下，由于水系統(tǒng)設(shè)備均為三類負荷，可由車站FAS 實現(xiàn)電源的切除。

3.2.2 各工況下系統(tǒng)運行關(guān)系

3.2.2.1 正常工況下，風系統(tǒng)變頻是RIO 模塊箱采集各設(shè)備數(shù)據(jù)，通過與EMCS 的通信口，實現(xiàn)通信傳輸，EMCS 通過總線連接至風水聯(lián)動節(jié)能控制模塊，風水聯(lián)動系統(tǒng)通過設(shè)備的數(shù)據(jù)及自己采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行計算，將控制策略下發(fā)至EMCS 系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備調(diào)控。

常規(guī)水系統(tǒng)設(shè)備冷凍水泵、冷卻水泵變頻柜、冷卻塔馬達保護器均為通信接口，并由智能低壓PLC 整合后統(tǒng)一提供給EMCS。該方案中，水系統(tǒng)設(shè)備均接入風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)，上述設(shè)備無需智能低壓PLC 進行整合，由風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)直接接入。

圖2 方案二系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 方案三系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2.2.2 火災(zāi)工況下，F(xiàn)AS 系統(tǒng)下發(fā)模式指令，通過EMCS 系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動。風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)不參與火災(zāi)工況。

3.2.3 系統(tǒng)分析

3.2.3.1 優(yōu)點?；馂?zāi)工況下，F(xiàn)AS 下發(fā)火災(zāi)指令，EMCS 可直接控制參與火災(zāi)運行的終端設(shè)備，安全可靠性較高。

本方案中EMCS 與風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)功能適度融合，可減少部分風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)模塊數(shù)量，可相應(yīng)節(jié)省部分投資。

3.2.3.2 缺點。節(jié)能控制功能的實現(xiàn)需EMCS 與風- 水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)協(xié)同完成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流較復雜，控制環(huán)節(jié)相對較多。

由于EMCS 與風- 水智能控制系統(tǒng)部分功能融合，兩個系統(tǒng)的調(diào)試、驗收以及后期維護的責任界面劃分較困難。對施工管理要求較高，后期施工需加強該環(huán)節(jié)的管理。

3.3 方案三：理想方案

3.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)作為EMCS 系統(tǒng)的子系統(tǒng)，所有參與風水聯(lián)動的終端設(shè)備均接入EMCS 的遠程模塊箱中，在環(huán)控電控室的PLC 柜內(nèi)增設(shè)一套風水聯(lián)動算法服務(wù)器，通過通信口與EMCS 系統(tǒng)PLC相連，所有設(shè)備參數(shù)均由EMCS 采集后交由算法服務(wù)器計算并提供控制策略，再交由EMCS 系統(tǒng)下發(fā)指令實現(xiàn)節(jié)能。

EMCS 系統(tǒng)PLC 與風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)算法服務(wù)器通過RS485 通信線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

所有車站設(shè)備均接入EMCS 系統(tǒng)中，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)與現(xiàn)場終端設(shè)備無直接接口。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

3.3.2 各工況下系統(tǒng)運行關(guān)系

3.3.2.1 正常工況下，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)運行，EMCS 系統(tǒng)RIO 采集設(shè)備數(shù)據(jù)，通過EMCS光纖環(huán)網(wǎng)上傳至冗余PLC，通過與風水聯(lián)動控制系統(tǒng)通信接口傳至算法服務(wù)器，算法服務(wù)器進行計算并下發(fā)控制策略，EMCS 接收指令，下發(fā)至相關(guān)風系統(tǒng)、水系統(tǒng)設(shè)備及閥門，同時EMCS 接收反饋信號，返至風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)，相關(guān)的溫度傳感器、水流指示器等均與EMCS 相接，由EMCS 提供給風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)。

3.3.2.2 火災(zāi)工況下，F(xiàn)AS 系統(tǒng)下發(fā)模式指令，通過EMCS 系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動，風水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)不參與火災(zāi)工況。

3.3.3 系統(tǒng)架構(gòu)分析

該方案是EMCS 系統(tǒng)可以直接進行計算后，進行變頻調(diào)節(jié)，相較于現(xiàn)有的地鐵EMCS 系統(tǒng)，無需新增機柜設(shè)備，算法服務(wù)器安裝在環(huán)控電控室PLC 柜內(nèi)，硬件方面僅是增加了一些傳感器及水閥。

理想的方案架構(gòu)簡單，不僅節(jié)省了設(shè)備投資及設(shè)備用房的房間面積，而且在火災(zāi)工況下的兼用風機不存在兩個控制主體的危險，更加安全可靠。

4 結(jié)論

本文對比了三種風水聯(lián)動系統(tǒng)的架構(gòu)方案，從運營安全可靠性方面，方案一欠佳，方案二和方案三較為安全可靠。從工程可實施性方面，方案一和方案二目前可實施性強一些，方案三牽涉到學科交叉，需要EMCS 和風水控制算法深度集成，目前工程案例較少。從節(jié)省投資方面，方案三優(yōu)于方案二，方案二優(yōu)于方案一。

綜上分析，方案二在可實施性和投資方面綜合較優(yōu)，目前工程實施考慮采用方案二。希望往后工程在不斷總結(jié)工程經(jīng)驗及實踐的過程中實現(xiàn)方案三。