优质文档-广州21号线苏元站“风水联动”节能控制系统设计方案

广州21号地铁线苏元站“风水联动”
节能控制系统设计方案
1.苏元站项目概况
目前，苏元站水系统主要设备概况如下：
传感器配置如下：
苏元站小系统主要设备概况如下：
2.“风水联动”节能控制系统技术原理
地铁车站通风空调系统是一个复杂的系统，风系统与水系统之间存在相互影响，如果将风系统和水系统完全独立进行控制，系统难以稳定，通过控制各末端空调箱的冷冻水电动二通阀和送风机将两者有机结合起来，既可实现风系统与水系统协调工作，又可实现基于冷量分配平衡的动态水力平衡控制。

全局协调控制功能实现方法如下图所示：
通过全局控制策略，一方面保证各末端空气处理机组送风温度在一个循环周期内相对恒定，另一方面，能有效地将风系统变风量控制与水系统变流量控制关联起来，使整个系统的各个环节能协调工作。

基于冷量分配平衡的管网水力平衡控制实现方法如下图所示。

图水力平衡调节控制原理图
风系统（含大、小系统）负荷变化直接影响空调机组换热量，同时也会影响对冷冻水供冷量的需求，而这一变化可快速通过送风温度直接表现出来，在进行水力平衡控制时，可从EMCS系统获得各末端空调机组的送风温度作为被控量输入。

在具体调节时，将各末端送风温度的设定流量值与实际流量值进行比较，根据偏差大小动态平衡调节各空调箱冷冻水电动二通阀的开度，使各空调机组送风温度趋近设定值。

电动二通阀平衡调节后，系统跟踪检测各个末端送风温度的变化，待水系统稳定运行一定时间，系统再次动态巡检各个末端二通阀开度，最大限度的打开最不利环路二通阀开度，从而降低对冷冻水量及扬程的需求，为进一步降低系统能耗创造条件。

“风水联动”智能控制系统根据全面监测空调系统工艺参数（如末端环境、新风、回风、混风等温、湿度），在满足负荷区域环境温度要求的前提下，经自适应控制使车站通风空调系统达到能效最优的状态。

工作流程如下图所示。

图水系统部分流程图
2.1水系统节能技术原理
1）水系统节能控制方式
“风水联动”智能化节能控制系统的核心技术是基于神经网络的自组织模糊控制（NNSOC）。

由于神经网络与模糊逻辑是互补的技术，神经网络是通过其结构的可变性，逐步适应外部环境的各种因素的作用，不断地挖掘出研究对象之间的因果关系，以达到最终解决问题的目的。

这种因果关系不是表现为一种精确的数学模型，而是直接表现出一种不精确的输入输出值描述。

而模糊控制在处理和解决问题时所依据的也不是精确的数学模型，他是依据一些由人们总结出来的描述各种因素之间相互关系的模糊性语言经验规则，并将这些经验规则上升为简单的数值运算，以便让机器代替人在相应问题面前具体地实现这些规则。

这些经验规则的形成，往往不是基于对各种因素之间的关系作定量而严格的数学分析，而是基于对它所进行的定性的、大致精确的观察和总结。

模糊控制和神经网络各自具备对方恰恰不具备的优缺点，具有互补性。

因为将二者结合起来，使模糊控制具备学习功能，使神经网络具备处理模糊信息功能。

因此解决了传统模糊控制存在的无法达到最优控制的缺陷，通过利用径向基神经网络改善模糊控制的不良特性，使控制器的参数修正过程变得更简单、省略解模糊过程、避免模糊控制在修正规则的过程中，出现规则增加过多的情况。

“风水联动”智能化节能控制系统实现了水系统冷媒流量系统运行的智能控制，科学地解决了空调能量供应按末端负荷需要提供，在保障空调效果舒适性的
前提下，最大限度地减少了空调系统的能源浪费，为空调节能控制提供了先进的技术手段。

2 ) 水系统节能控制工作原理
空调水系统系统是一个多变量的、复杂的、时变的系统，其过程要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系。

对这样的系统，无论用经典的PID控制，还是现代控制理论的各种算法，都很难实现较好的控制效果。

“风水联动”智能化节能控制系统可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。

➢空调输配管网系统控制采用管网智能平衡算法
当空调末端负荷发生变化时，由于流动的连续性，用户之间相互影响，将会出现动态水力失调和热力失调的现象，此时末端组合式空调机组的动态平衡阀将实时采集到的温度、流量或压力信息，通过内嵌的管网智能平衡算法，与各支路设定的最佳运行流量进行比较，计算出各动态平衡阀在当前工况下的开度。

通过改变各支路管网阻尼实现按需分配和新的平衡，防止出现动态水力失调和热力失调。

满足终端用户需求时不同平衡方案
➢空调的冷冻水系统控制采用泵阀一体智能控制
当空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至智能主控柜。

智能主控柜依据所采集的实时数据，与智能主控柜计算出的冷冻水的优化运行工况点进行比较，然后通过泵阀一体的智能变频技术，在保证管网动态平衡的基础上，使阀门开度尽可能开大，将管网阻尼降到最低，并配合对应的变频策略，控制冷冻水泵的转速。

通过改变冷冻水系统的流量和压差，使冷冻水系统运行在优化工况点，电耗最低。

水泵运行曲线图
如上图所示，没有采用泵阀一体化智能节能技术前，此时的管路阻力曲线与水泵变频后PQ曲线的交点A就是当前水泵的运行工况点，但此时水泵的运行效率依然偏低；通过末端空调箱动态平衡阀的开度调节，改变后的管路阻力曲线，与PQ曲线重新交于点B，使得水泵的运行效率得到显著提高。

泵阀一体策略基于两大原则实现：1、所有末端满足现有控制流量要求；2、阀门的调节与冷冻水泵的变频协调运行，保证泵阀工作同步，并且控制系统不产生滞后震荡。

➢空调冷却水系统控制采用集成气候补偿的冷却效率极大化控制
当空调末端负荷发生变化时，冷却水供回水温度、温差和流量亦随之变化，流量计和温度传感器将检测到的这些参数送至智能主控柜。

智能主控柜依据所采集的实时数据，与智能主控柜计算出的冷却水的优化运行工况点进行比较，动态调节冷却水流量和冷却塔风量，通过协同改变冷却水系统的流量和风量使冷却水系统运行在优化工况点，电耗最低。

集成气候补偿的冷却效率极大化控制是基于神经网络的自组织模糊控制，针对冷却水系统（包括制冷主机、冷却水泵、冷却塔等设备）能效最优的方向进行控制。

首先，应用最佳冷凝温度算法。

在不同的空调系统负荷和室外湿球温度下，不同的冷凝温度对应不同冷却水系统功率值；因而存在一个最佳冷凝温度，使冷却水系统的运行功率达到最低，用下式计算冷却水系统功率：
N=f(tc，Q，ts)，
式中，N为运行的制冷机组功率N1、冷却水泵功率N2、冷却塔风机功率N3的和，单位符号为kW；tc为冷凝温度，单位符号为℃；Q为中央空调系统负荷值，单位符号为kW；ts为室外湿球温度，单位符号为℃；
当室外湿球温度ts和中央空调系统负荷值Q已知时，偏导计算出最低冷却水系统功率N对应的最佳冷凝温度；然后，基于神经网络的自组织模糊控制，计算出对应的冷却水泵和冷却塔风机的频率控制量。

通过根据不同负荷、不同室外湿球温度下的最佳的冷凝温度对冷却水系统进行动态调节，且基于神经网络的自组织模糊控制方式与单纯的模糊控制相比，改善了动态性能，更能紧跟目标值。

确保当前工况下，冷却水系统消耗的功率最低，从而实现冷却效率极大化的目标。

➢冷源负荷匹配控制
空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至智能主控柜，智能主控柜依据所采集的实时数据实时计算出末端空调负荷所需的制冷量、以及
主机之间冷量分配的最优值，并以此调节各台主机的冷冻水流量分配，改变不同主机的负荷率，使主机在当前负荷下，所消耗的功率最小。

冷水机组负荷匹配
2.2风系统节能技术原理
在地铁车站中，末端能耗往往占了三分之一以上，因而对末端设备（组合式空调箱、回排风机）提供高效化和智慧节能集成控制，可有效降低末端能耗，提升空气品质。

还可以进一步提升冷水机组和冷水的输配效率。

变风量智能控制子系统基于风、水系统联动优化控制，寻找送风温差和风量之间的一个最优值，解决空调机组变风量调节温控、水力平衡控制和能效检测实时监控等需求，通过集成控制，改善风侧和水侧的运行状态，提高空调机组的设备运行能效。

1) 风系统节能控制工作原理
当空调系统末端负荷发生变化时，即设定温度与实际回风温度发生偏差时，所有实时数据（新风、回风、送风的温湿度，风机频率，表冷器水量和进回水温度，风机能耗值）反馈至变风量智能控制子系统，变风量智能控制子系统进行自适应调节控制，基于能效分析与优化运行（EAOC）算法，计算出适宜的送风温差下，最佳的送风量和冷冻水流量。

最后通过风机变频调节风量、智慧阀门开度变化调节冷冻水流量，并按需分配给各个空调末端最佳风量。

从而实现AHU的全反馈自适应闭环控制，并进一步分析AHU运行能效，提供优化控制策略，实现集成控制。

大系统组合式空调机组控制：
➢每次开机时，由于室温较高，给定最大送风量，根据回风温度调节智慧阀门开度，使得车站环境温度迅速降低到设定温度，同时实时检测送风温度，防止送风温度过低。

➢实时检测风机功率，检测智慧阀门流量、阀门压降和末端压降、终端冷冻水供回水温差，计算冷量；计算末端能效COP。

末端能效COP：在实际工况下，末端空调设备消耗的制冷量Q与其终端动力消耗N之比。

末端的动力消耗，N=Nw+Nf
Nw：水动力=折算水泵能耗和制冷能耗；
Nf：风动力=风机输入功率；
➢环境温度达到设定值后，根据当前末端消耗冷量和消耗风机动力、水动力，依据内嵌的冷量/流量、能耗、能效曲线数据库，计算最优的送风温差和送风量的匹配，达到能效最优。

➢实时输出风机频率和智慧阀门流量控制目标，并实时校核修正最优能效控制值。

➢同时满足最小风量和最大送风温差的控制限值。

并依据外界气温和设定值，修正控制限值（该条控制算法可选）。

➢检测室外气温，对车站环境温度设定值进行节能优化，即高温天气，提高环境温度，减少室内外温差带来的不舒适感。

另外对过低的环境温度设定值进行限制。

（该条控制算法可选）
➢依据运行历史数据，对冷量/流量、能耗提前预测，同时对能效曲线数据库的自适应调整。

具体工作原理如下：
1）通过将空调末端可获取的参数（包括历史负荷、温度、湿度等）进行相关性分析，获取负荷影响因素。

2）基于径向基神经网络（RBF）负荷预测模型，负荷影响因素为自变量输入层，输出层即为t时刻的负荷。

（与传统负荷预测办法相比，准确度大大
提升）。

3）根据预测负荷，提前修正实时能效曲线，确保空调箱的末端能效一直处于节能状态。

图超级智慧末端-空调机组界面
小系统柜式空调箱控制：
根据对区域负荷的分析，计算出单位时间需送入的风量和水量，再结合风机的额定风量，可得到在单位时间内，风机运行与停止时间的占空比（保证设备管理用房区域的温湿度不超过上限的时间占空比），并以该占空比来控制风机的运行和停止（联锁电动二通阀控制），以实现降低风机能耗和冷冻水泵流量的目的。

3.“风水联动”节能控制系统设计方案
3.1负荷分析
空调系统负荷主要由大、小系统负荷组成。

大系统空调负荷主要由6部分组成：
1)人体散热负荷、散湿负荷（受客流影响）；
2)围护结构散热、散湿负荷；
3)照明负荷（不具明显时变性）；
4)新风负荷（受气候、客流影响）；
5)出入口空气渗透负荷（受气候影响）；
6)车站公共区设备发热负荷（不具明显时变性）。

小系统空调负荷主要由5部分组成，相对稳定：
1)人体散热、散湿负荷；
2)围护结构散热、散湿负荷；
3)照明负荷；
4)新风负荷；
5)设备发热负荷。

大系统空调制冷量占系统总冷量的55.36%，约978.8kW，其运行时间与苏元站的运营时间相关；而小系统空调制冷量占系统总冷量的44.64%，约789.24kW,运行时间为全天开启。

而该系统总冷量是远期负荷设计值，因而，在初期、中期运行时，系统每日的最高负荷也是处于部分负荷状态。

所以，水系统采用变流量、风系统采用变风量设计可使通风空调系统在低负荷运行时，依然处于较高效率。

3.2配置优化建议
3.2.1冷水机组配置优化建议
设计采用2台相同冷量（884kW）的螺杆冷水机组，建议更换为2台大小冷量不同的变频直驱离心机组。

这是由于在水系统的全运行周期内，空调冷负荷随着室外气象、站内客流的变化而变化，且空调设备均为远期负荷选择，在运行的初期及近期，空调设备一般部分负荷运行。

苏元站设计小系统负荷和大系统负荷的比例约为45%：55%。

在夜间时段，由于列车基本停用，空调大系统停用，而小系统的负荷率也较低。

因此，为了确保水系统全运行周期内，不同负荷率下，所有制冷机组均可处于高效运行状态，将相同冷量搭配的2台螺杆机组更换为2台大小冷量搭配的变频直驱离心冷水机组，可以使冷水机组运行获得高效的制冷效率，平均年运行效率可从5.46上升至6.4（提高17.2%）。

3.2.2水系统变流量控制优化建议
水系统设计采用冷冻水泵变频控制、冷却水泵及冷却塔工频运行控制，建议水系统采用变流量、变风量控制。

即冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风机变频运行。

冷冻水泵变频控制采用泵阀一体优化控制，依据末端的负荷变化，进行变流量变压差控制；而冷却水系统依据冷却效率最大化控制技术，在不同的室外温湿度及室内负荷下，进行冷水机组、冷却水泵和冷却塔的全变频控制，确保消耗的能耗为当前的最低能耗，使水系统运行效率提升7.3%。

3.3“风水联动”节能控制系统集成方案
3.3.1概述
广州21号线苏元站“风水联动”智能化节能控制系统的监视/控制对象包括以下设备：
（1）车站通风空调系统设备（组合式空调箱、柜式空调箱、回排风机等）（2）空调水系统设备（冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等）
（3）车站各类传感器（水温传感器、室外温湿度传感器、压力传感器等）（4）车站各类流量计及水阀等
3.3.2系统架构
地下车站”风水联动”节能控制系统的设计应体现“集中管理、分散控制”的控制思想。

系统根据被控对象或区域的划分不同，分为3个功能子系统：（1）空调水系统的变流量智能控制子系统；
（2）公共区通风空调系统（简称大系统）的变风量智能控制子系统；
（3）设备房通风空调系统（简称小系统）的智能控制子系统；
图1 系统总体结构图
“风水联动”节能控制系统通过通信接口与EMCS系统进行连接，实现数据共享及EMCS对节能控制系统的集成。

通过网络可实现“风水联动”节能控制系统智能主控柜（集中监控平台）与变流量智能控制子系统、变风量智能控制子系统等之间的通信连接，实现对车站通风空调设备的全局协调控制和节能管理功能，并将车站通风空调系统中的主要过程参数、各子系统中设备的运行状态在统一的软件监视界面ACEC上分别显示出来，进行集中监视，为系统的运行管理提供便利。

同时，各控制子系统运行相对独立，每个控制子系统均含独立PLC控制器，内置有专用的系统控制策略；通过控制器与子系统内各智能控制柜（箱）之间的通信连接或通过控制器自身独立完成对通风空调系统相关设备的节能控制、调节、保护及监视等功能。

各子系统的每个智能控制柜（箱）内均内置有智能控制单元，可在智能控制柜（箱）上实现本地逻辑联锁及保护控制，控制动作的执行分散到各个智能控制柜（箱）上执行，有效避免因通信中断、管理平台失效等因素而造成系统控制失效的问题。

3.3.3智能主控柜构成
智能主控柜主要由工控机、PLC、集中监控平台系统软件ACEC及网络设备等构成。

在“风-水联动”智能化节能控制系统作为主系统通过以太网与各子系统连接，实现信息的集成、集中监视、联动控制。

3.3.4集中监控平台主要功能
集中监控平台（可与SIOS平台整合，也可独立设置）用于实现对车站通风空调设备的全局协调控制和管理功能，提高系统的管理水平、自控水平，降低工作人员的劳动强度及对专业技术能力的要求。

集中监控平台主要将车站通风空调大系统、小系统和水系统的相关设备监控功能集成在一个统一的管理平台上，使得每个控制子系统的监视界面与系统实际工艺流程相同，同时使用数字、图形、动画等方式形象生动的反映设备运行状态和各项参数。

集中监控平台实时显示各个测点的温度、湿度、流量以及设备的运行状态、故障状态、电机运行频率、功耗，同时提供数据存储、历史曲线、用户管理、能耗统计、数据查询等管理功能。

系统提供标准的接口，便于车站机电设备监控系统（EMCS）对其实现集成，达到信息的交互和资源共享。

3.3.5变流量智能控制子系统架构
根据空调水系统（冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等）设备情况，车站变流量智能控制子系统主要由以下设备组成：
（1）变流量智能控制子系统控制器（智能主控柜）
（2）变流量智能控制柜（冷冻水泵智能控制柜、冷却水泵智能控制柜、冷却塔智能控制柜）
（3）现场执行设备(各类电动水阀)
（4）现场数据采集设备（各类传感器、流量计）
空调水系统变流量智能控制系统构成图
变流量智能控制子系统设备与安装于环控电控室的智能主控柜（集中监控平台）通过以太网连接并进行数据传输。

根据广州21号线苏元站空调水系统（冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等）设备情况，车站空调水系统变流量智能控制系统硬件配置如下：表广州21号线苏元站“风水联动”节能控制系统-变流量系统硬件表
它适用于空调水系统中的冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风机等设备的运行控制。

通过全面采集影响空调水系统设备运行时的各种变量参数，传送至智能主控柜，智能主控柜依据节能优化控制算法及系统的历史运行数据，推算出系统所需要的冷量及系统的优化运行参数，利用变频技术，自动控制水泵的转速，二通调节阀开度，以调节空调水系统的循环流量和扬程，使空调冷水机组处于最高转换效率，保证空调水系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而实现综合优化节能。

3.3.6变风量智能控制子系统架构
该子系统主要针对车站内通风空调的风系统设备进行控制，控制对象主要为大系统中的部分设备，主要由以下设备组成：
（1）变风量智能控制子系统控制器（智能主控柜）
（2）大系统组合空调机组/回排风机智能控制柜
（3）现场数据采集设备（各类传感器、电动水阀）
变风量智能控制子系统设备与安装于环控电控室的智能主控柜（集中监控平台）通过以太网连接并进行数据传输。

3.3.7小系统智能控制子系统架构
该子系统主要针对车站内通风空调的风系统设备进行控制，控制对象主要为小系统中的部分设备，主要由以下设备组成：
（1）小系统智能控制子系统控制器（智能主控柜）
（2）小系统柜式空调箱/回排风机智能控制箱
（3）现场数据采集设备（各类传感器、电动水阀）
变风量智能控制子系统设备与安装于环控电控室的智能主控柜（集中监控平台）通过以太网连接并进行数据传输。

3.4“风水联动”节能控制系统与EMCS系统的接口
EMCS系统与“风水联动”智能化节能控制系统间采用通信接口进行联接，实现对“风水联动”智能化节能控制系统的集成，即EMCS系统可通过接口对“风水联动”智能化节能控制系统进行全面的监视、控制以及各类传感器的数据共享。

各控制子系统与EMCS系统的数据交互均通过集中监控平台统一实现，具体接口功能如下：
1.水系统变流量智能控制子系统
（1）根据EMCS需要，将设备运行状态及传感器数据等上传至EMCS系统；
（2）水系统变流量智能控制子系统接受EMCS的控制。

2.大、小系统智能控制子系统
（1）根据EMCS需要，将组合式空调箱/回排风机变频器的运行及控制信号、传感器、阀门数据等上传至EMCS系统。

（2）大、小系统智能控制子系统接受EMCS的控制。

1.1.1.1变流量智能控制子系统与相关专业的接口
1.与动照专业接口
1）水系统变流量智能控制子系统接收冷却/冷冻水泵/冷却塔风机的运行参数信号，并向受控设备发送工频启停控制、变频启停控制及频率设定等指令，接口类型为硬线接口，接口位置位于环控电控室冷却/冷冻水泵/冷却塔风机控制柜；
2）水系统变流量智能控制子系统接收冷水机组/冷冻水泵/冷却水泵/冷却塔风机电能表数据，接口类型为通信口或脉冲信号，接口位置位于环控电控室。

3）动照为水系统变流量智能控制子系统提供单独AC220V电源。

2.与通风空调专业接口
1）变流量智能控制子系统接收冷水机组运行状态、故障状态、控制模式等信息，接口类型为通信口，接口位置位于冷水机组自带控制箱。

2）冷水机组接收变流量智能控制子系统的启停控制指令并进行反馈，接口类型为无源干接点，接口位置位于冷水机组自带控制箱/动照专业冷水机组配电箱。

3）通风空调专业根据变流量智能控制子系统需求提供电动二通调节阀，并完成设备安装。

4）通风空调专业根据变流量智能控制子系统需求配合完成各类传感器、流量计的设备安装。

3.与给排水专业接口
1）给排水专业根据变流量智能控制子系统需求提供冷却塔电动蝶阀，并完成设备安装。

2）给排水专业根据变流量智能控制子系统需求完成各类传感器、流量计（冷却水系统）的设备安装。