由圖可知，地鐵空調系統的最終目標在于以室內溫度為控制對象的室內冷量需求，而其源在冷水機組的冷量供應。從系統末端向中心共有6個調節點：送風機、回排風機、二通閥、二次泵、冷水機組、冷卻塔。每個調節點的控制環環相扣，將整個系統有機地整合在一起。室內冷量需求影響著送風機轉速；當送風量達到最大尚不能滿足冷負荷時，就調節二通閥開度；當二通閥開度增大，空調末端冷凍水流量增大，為了保證系統最壞回路的壓差，就要調節二次泵轉速；若一臺二次泵不夠則啟動多臺；當由供回水溫差和流量決定的冷量負荷超過單臺冷水機組負荷時，啟動多臺冷水機組；當所有二次泵轉速及冷水機組負荷都達到極限（極限指設備運行最佳效率的區間范圍）時，就只能降低冷水機組出水溫度來滿足極限負荷要求；伴隨冷水機組制冷量的變化及外界氣候的變化，還需調節冷卻塔風機的轉速及臺數，以保證冷水機組的制冷效率。

    基于以上分析，空調系統全局控制的思路為：從末端開始，逐環保證調節點設備始終運行在最高效率區域。所以，調節方法為：首先保證送風機最高效率，并且滿足所供即所需；為了空調區域壓力恒定，回排風機應與送風機隨動；接著保證二通閥開度在高效區之間，且送風溫度在允許的范圍內；然后調節二次泵，既要保證管網最不利末端壓差，又要運行在水泵高效區；最后通過調節冷水機組臺數及出水溫度，提高冷機制冷效率，實現相對所產即所需；為保證冷水機組的高效運行，調節冷卻塔風機轉速或臺數使冷卻水回水溫度控制在允許范圍內。由此可見，整個空調系統不但了滿足所有空調區域的負荷要求，實現環境狀態最優，而且實現了所有工藝設備的最佳運行狀態，達到了節能的目的。

    從末端溯源依次分析每個調節點的特性與功能，將整個空調系統分解為7個控制環節，每個環節調節不同的過程參數，在系統中起不同的作用，采取不同的節能措施，見表 1。
表1  地鐵空調系統控制環節

    3.1 室內溫度控制環節

    送風機的無級調速實際實現了送風量的無級變化。送風量的變化使車站的放熱量與空調的吸熱趨于平衡，從而使室內溫度控制在一定的范圍內。室溫控制環節實質是空調送風機定風溫變風量控制系統，采用一個室內溫度閉環PID調節回路。

    3.2 室內壓力控制環節

    當送風機改變送風量時，應維持一定的室內正壓。通過對回排風機變頻調速，使回排風量變化與送風量相匹配，保證空調區域空氣壓力基本不變。本控制環節實質是回排風機隨動控制系統，采用一個PID閉環調節回路。

    3.3 送風溫度控制環節

    控制送風溫度體現了系統空氣調節的水平與能力，是實現室溫控制的基礎。控制送風溫度的目的是：減少室外空氣變化對室內溫度的干擾，使室內溫度比較容易控制；避免過大送風溫差，但要利用允許的送風溫差來節能。
送風溫度控制環節實質是空調末端二通閥在定壓差下的變流量控制系統。為了獲得較好的控制品質，引入串級控制方式。其中，主回路（外環）為送風溫度控制回路，控制量為送風溫度，室外新風溫度的變化作為回路的前置擾動；副回路（內環）為水量控制回路，控制量為二通閥開度。依靠副回路使得控制系統本身具有一定的自適應和抗干擾能力，消除系統的慣性和延遲，實現快速跟蹤。閥門開度應在閥門高效區之間變化。

    對于地鐵舒適性空調，允許溫度有適當浮動，這有利于防止頻繁調節振蕩。另外，當空調區域負荷很小時，若能適當升高送風溫度，還可節能。所以，送風溫度設定值實際上是個范圍，可以在保證送風機高效運行的前提下，在允許的范圍內調整送風溫度設定，以達到節能目的。

    3.4 冷水壓差控制環節

    當末端由于負荷變化引起二通閥開關調節，使末端冷凍水流量變化，造成供回水總管壓差變化，此時必須通過對二次泵的單泵變頻調速及多泵臺數控制調整總供水量，以維持系統最不利回路的空調末端壓差基本不變。這就是二次泵變水量系統基于需求的控制策略，也是最節能的控制方法。冷凍水壓差控制環節實質是二次泵在一定壓差下的變流量控制系統。

    二次泵變水量系統以保證管網上最不利回路的空調末端壓差為控制目標。一般選擇系統最不利（最遠端或最重要）空調末端回路的壓差作為控制設定值。然而，這個最不利的壓差點是隨著各車站及車站各處負荷的變化而變化的。雖然遠端比較近端更容易處于最不利狀態，但是當近端負荷很大，遠端負荷很小時，最不利壓差點就不一定是在管路的最遠端。這就產生了變壓差控制，即檢測所有空調末端的二通閥開度和負荷率水平，不斷尋找最壞末端回路，以最壞點壓差重新調整壓差設定值，使系統壓力維持在剛好滿足負荷需求的水平上，即系統內相對負荷率最大的空調末端的二通閥剛好處于全開狀態。

    3.5 冷源流量控制環節

    用冷量來控制冷水機組的運行臺數，是目前最合理和節能的控制方式。臺數控制的基本原則是：讓設備盡可能處于高效運行；讓相同型號的設備的運行時間盡量接近以保持其同樣的運行壽命（通常優先啟動累計運行小時數最少的設備）；滿足用戶側低負荷運行的需求。控制的關鍵在于調試中找出最佳的啟停切換點；還有就是運行臺數控制程序中，應使冷水機組處于最佳工作效率點周圍。

    3.6 冷源溫度控制環節

    冷水機組出水溫度通常都設為定值，取制冷高效范圍的中間值，在上述所有控制環節均不能滿足負荷要求時，方可降低此參數。根據冷水機組允許的冷凍水出水溫度的可變化范圍、冷凍水回水溫差的可變化范圍、空調末端二通閥開度及其供回水溫差，對冷機出水溫度設定進行優化控制。

    3.7 冷卻水溫度控制環節

    冷水機組制冷產生的熱量需要通過冷卻水循環系統在冷卻塔中與室外大氣進行熱交換而帶走。室外氣候的變化會使冷卻塔出水溫度（即冷水機組冷卻水回水溫度）發生變化。將冷卻塔風機采用變頻調速，根據冷卻塔出水溫度自動調節風機轉速和臺數，保持出水溫度基本不變。這樣既節能又保證冷水機組運行在制冷效率高效區。若冷卻塔風機為定速風機，可對其進行臺數控制以保證冷卻塔出水溫度同時節能。

4 結束語

    本文分析和研究了地鐵環境控制需求、地鐵環控系統工藝過程及地鐵熱環境變化規律，運用模型抽象與解耦的研究方法，以既保證恰如其分地滿足地鐵負荷需求，又使所有設備高效運行，同時還盡量節能為基本思想，設計出一套地鐵空調系統全面控制與節能方案。方案根據地鐵空調系統結構，抽象出地鐵環境控制網絡，分解為7大控制環節，提出了各環節的控制方法，并大量應用風機變頻、水泵變頻、變風溫、變臺數等節能措施。經多條地鐵工程應用證明，本方案能很好地跟蹤系統負荷的動態變化，恰如其分地滿足系統負荷需求，把能源消耗控制在較低的水平，同時又提高了地鐵自動化和運營管理水平，對今后地鐵建設和發展具有工程實踐意義和應用指導價值。

參考文獻：

    [1] 魏曉東．城市軌道交通自動化系統與技術[M]．北京：電子工業出版社，2004.

    [2] 北京城建設計研究院．2000-2002年度北京城建設計研究院優秀論文集．2002.

    [3] 薛殿華．空氣調節[M]．北京：清華大學出版社,1991.

    [4] 涂植英．過程控制系統[M]．北京：機械工業出版社,1983.