概述

　　地鐵車站內部的空間廣、發(fā)熱量大，為了維持其熱環(huán)境，環(huán)控系統(tǒng)的風機、制冷機、空調機的裝機容量都相當大，由此引起大量的設備投資和運行能耗費用增加。在地鐵運營初期，環(huán)控系統(tǒng)能耗甚至超過總能耗的50%，嚴重影響到地鐵的運營經濟性。因此，環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能是地鐵環(huán)控系統(tǒng)必須考慮的問題，通過對環(huán)控系統(tǒng)采用智能控制，一方面達到節(jié)能效果，另一方面提高旅客舒適度。

　　系統(tǒng)概況

　　為了實現根據車站公共區(qū)的溫度變化來控制空調送風量的目的，需要采用自動控制系統(tǒng)來監(jiān)控車站公共區(qū)的溫度變化，并及時做出反應，調節(jié)空調送風機的供電頻率，改變其送入車站公共區(qū)的風量，從而改變冷量。

　　針對車站環(huán)境的早晚高峰以及不確定的客流變化，比較了兩種常用的控制算法(PID控制算法、模糊控制算法)，優(yōu)化設計指標和選擇控制策略，以選擇合適的控制器。

　　● 設備情況

　　○ 傳感器浦電路車站安裝有20個傳感器，其中車站公共區(qū)有4個溫度傳感器、4個濕度傳感器和4個二氧化碳傳感器，隧道內安裝有4個溫度傳感器和4個濕度傳感器。

　　○ 電機

　　(1)組合式空調機組

　　(2)回/排風機

　　(3)排熱風機

　　○ 變頻器風機的變頻調速控制需要專門的變頻器設備。選用的是施耐德電氣公司(Schneider Electric)的 ATV71系列高性能變頻器。

　　○ PLC控制器模塊

　　PLC：采用施耐德的Quantum系列可編程邏輯控制器

　　測試方案

　　方案簡介

　　地鐵環(huán)控系統(tǒng)的能源消耗與外界環(huán)境氣侯條件、列車運行模式、客流量、系統(tǒng)控制方式和風機運行模式等諸多因素有關。通過對現有地鐵環(huán)控系統(tǒng)采用變頻技術的研究，建立系統(tǒng)的熱交換和氣流動力學模型，以適合旅客的小氣候環(huán)境為目標，采用先進的智能控制策略，尋找降低地鐵通風空調系統(tǒng)運行能耗的算法，建立適合地鐵環(huán)控變頻節(jié)能的方式方法，從而達到節(jié)能目的。通過開發(fā)合適的環(huán)控樣機系統(tǒng)，研究適用不同環(huán)境的控制器，通過試驗運行，解決不同地鐵的環(huán)控系統(tǒng)的能量最優(yōu)問題，滿足顧客舒適度最佳和能量消耗最低，從而達到推廣變頻節(jié)能控制的目的。

　　考慮到環(huán)控系統(tǒng)的季節(jié)性，變頻控制測試分為通風季節(jié)和空調季節(jié)兩部分，通過車站內溫度、濕度、二氧化碳濃度及隧道內溫度、濕度等環(huán)境參數，適時地控制地鐵環(huán)控系統(tǒng)中的空調箱送風風機、回排風機和排熱風機的轉速，并記錄環(huán)境參數和風機頻率數據。通過對記錄數據分析，可以提出適合地鐵的環(huán)控變頻節(jié)能控制方式，并且可以得到車站環(huán)控系統(tǒng)應用變頻控制后的實際節(jié)能效果。

　　節(jié)能理論計算

　　我們在環(huán)境控制中，利用變頻器通過改變輸出交流電的頻率來控制電動機的轉速。對于風機、風扇、泵等流體機械，其轉矩大小和轉速的平方成比例，負載特性為平方降轉矩負載。帶動這類負載時，電動機消耗功率P與電動機轉速n的關系為P=kn3 (其中k為常數)，即負載所消耗的能量與電機轉速的三次方成正比。假設 ne為電動機額定轉速，n為應用變頻器后電動機的實際轉速，則變頻器調速系統(tǒng)的節(jié)能率 g，可以按下式計算：

　　式中 Fe表示額定頻率50Hz，F 表示實際頻率。通過計算可以得到下表。

　　根據頻率計算節(jié)能率

　　測試結果

　　通風季節(jié)

　　● 通風季節(jié)能測試

　　● 通風季節(jié)節(jié)能效果

　　通過計算表3.3、表3.4和表3.5中的有功功率可以得出表3.6。

　　回排風機和空調風機的頻率基本保持在35Hz，那么節(jié)能率分別為62.98%和63.35%?；嘏棚L機實測工頻功率為12.29kW，節(jié)省能耗等于12.29*62.98% = 7.74kW;空調風機實測工頻功率為27.72kW，節(jié)省能耗等于27.72*63.35% = 17.56kW。以此來看，變頻情況下回排風機和空調風機每運行一小時可節(jié)省能耗25.30kWh，相當于節(jié)省63.00%的功耗。

　　若回排風機、空調風機和排熱風機都以最低頻率35Hz運行，則節(jié)能率分別為62.98%、63.35% 和63.24%。排熱風機實測工頻功率為53.94kW，那么三臺風機節(jié)省能耗等于12.29*62.98% + 27.72*63.35% + 53.94*63.24% = 59.41kW。以此來看，變頻情況下回排風機、空調風機和排熱風機每運行一小時可節(jié)省能耗59.41kWh，總共節(jié)省了63.00%的功耗。若風機從早上6:00運行到夜晚22:00共 16個小時，那么每天節(jié)能可以達到950.56kWh。

　　空調季節(jié)

　　● 空調季節(jié)測試

　　上圖比較了PID、模糊控制算法下頻率變化。圖左側應用PID控制算法，圖右側應用模糊控制算法。圖中對比可以看出，模糊控制算法速度較PID控制算法快。

　　● 空調季節(jié)節(jié)能效果

　　測試期間，記錄了變頻柜上智能監(jiān)測裝置中每天消耗的電功度，如表3.11所示，其中每天記錄電度時間為18:00。三臺風機每天消耗的電度數如表3.12所示。

　　通過測試，三臺風機工頻下24h消耗的電度數(kWh)分別為排熱風機1171.008、回排風機296.636、空調風機668.104。根據測試期間三臺風機的實際開機時間，可以折算得到風機工頻下消耗的電度數，如表3.13所示。

　　通過表3.12、表3.13電度計算，可以得到測試期間的實際節(jié)能比例，如表3.14所示。通過表3.11與表 3.6對比可以看出，測試期間排熱風機主要運行在30Hz，實際節(jié)能率達到75.3%，與表3.7的理論計算差別不大;而回排風機、空調風機主要運行在50Hz，實際節(jié)能率很小，分別為10.6%、9.9%。三臺風機的總節(jié)能率為45.83%。

　　如果不考慮上海梅雨天氣濕度太大的因素，那么回排風機、空調風機也將運行在30Hz，那么節(jié)能率將達到78%左右。

　　測試分析

　　PLC程序運行穩(wěn)定、網絡通信可靠

　　施耐德公司的可編程控制器Quantum系列，具有高可靠性、穩(wěn)定性及無與倫比的網絡連接能力，適應于一些惡劣環(huán)境下的自動化控制?？删幊炭刂破?PLC)可靠性高，程序設計方便靈活。本次變頻控制試驗應用模糊、PID控制算法對風機進行變頻控制，通過七天的運行數據分析來看，系統(tǒng)運行可靠。

　　MODBUS網絡通信協(xié)議是電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信。變頻試驗中單臺PLC通過MODBUS總線同時與三臺變頻器通信控制。通過七天的運行數據分析來看，網絡通信可靠。MODBUS總線可保證數據的可靠和有效傳輸。

　　控制算法

　　運行期間對控制算法進行了測試。通風季節(jié)中車站內環(huán)境參數滿足地鐵規(guī)范要求。

　　在測試中通過改變設定溫度，記錄了頻率變化的曲線。

　　1.由于設定溫度的手動調整，設定溫度與實際溫度的差值相當于發(fā)生了階躍性跳變，因此頻率輸出也發(fā)生了階躍性跳變。

　　2.由于PID算法的積分作用，而實際上冬季空調送風對溫度影響不大，只要實際溫度高于設定溫度，頻率都會增大到極大值;只要實際溫度低于設定溫度，頻率都會減小到極小值。

　　測試結論

　　施耐德電氣可編程控制器(PLC)可靠性高，程序設計方便靈活。本次變頻控制試驗應用模糊、PID控制算法對風機進行變頻控制，通過運行數據分析來看，系統(tǒng)運行可靠。

　　施耐德ATV71 變頻控制測試期間，通過數據記錄車站通風季節(jié)及控制季節(jié)下溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數，未發(fā)現造成不舒適等影響。即使在低頻30Hz運行下，測試期間，溫度、CO2等主要環(huán)境參數沒有大的增加，也并未超標。

　　變頻節(jié)能效果明顯，因功率與頻率的三次方成比例，因此頻率降低，所節(jié)省的功耗顯著。在30Hz低頻運行下，風機節(jié)能可達到78%左右。

（轉載）