概述
地铁车站内部的空间广、发热量大，为了维持其热环境，环控系统的风机、制冷机、空调机的装机容量都相当大，由此引起大量的设备投资和运行能耗费用增加。在地铁运营初期，环控系统能耗甚至超过总能耗的50%，严重影响到地铁的运营经济性。因此，环控系统的节能是地铁环控系统必须考虑的问题，通过对环控系统采用智能控制，一方面达到节能效果，另一方面提高旅客舒适度。
系统概况
为了实现根据车站公共区的温度变化来控制空调送风量的目的，需要采用自动控制系统来监控车站公共区的温度变化，并及时做出反应，调节空调送风机的供电频率，改变其送入车站公共区的风量，从而改变冷量。
针对车站环境的早晚高峰以及不确定的客流变化，比较了两种常用的控制算法(PID控制算法、模糊控制算法)，优化设计指标和选择控制策略，以选择合适的控制器。
● 设备情况
○ 传感器浦电路车站安装有20个传感器，其中车站公共区有4个温度传感器、4个湿度传感器和4个二氧化碳传感器，隧道内安装有4个温度传感器和4个湿度传感器。
○ 电机
(1)组合式空调机组
(2)回/排风机
(3)排热风机
○ 变频器风机的变频调速控制需要专门的变频器设备。选用的是施耐德电气公司(Schneider Electric)的 ATV71系列高性能变频器。
○ PLC控制器模块
PLC：采用施耐德的Quantum系列可编程逻辑控制器
测试方案
方案简介
地铁环控系统的能源消耗与外界环境气侯条件、列车运行模式、客流量、系统控制方式和风机运行模式等诸多因素有关。通过对现有地铁环控系统采用变频技术的研究，建立系统的热交换和气流动力学模型，以适合旅客的小气候环境为目标，采用先进的智能控制策略，寻找降低地铁通风空调系统运行能耗的算法，建立适合地铁环控变频节能的方式方法，从而达到节能目的。通过开发合适的环控样机系统，研究适用不同环境的控制器，通过试验运行，解决不同地铁的环控系统的能量最优问题，满足顾客舒适度最佳和能量消耗最低，从而达到推广变频节能控制的目的。
考虑到环控系统的季节性，变频控制测试分为通风季节和空调季节两部分，通过车站内温度、湿度、二氧化碳浓度及隧道内温度、湿度等环境参数，适时地控制地铁环控系统中的空调箱送风风机、回排风机和排热风机的转速，并记录环境参数和风机频率数据。通过对记录数据分析，可以提出适合地铁的环控变频节能控制方式，并且可以得到车站环控系统应用变频控制后的实际节能效果。
节能理论计算
我们在环境控制中，利用变频器通过改变输出交流电的频率来控制电动机的转速。对于风机、风扇、泵等流体机械，其转矩大小和转速的平方成比例，负载特性为平方降转矩负载。带动这类负载时，电动机消耗功率P与电动机转速n的关系为P=kn3 (其中k为常数)，即负载所消耗的能量与电机转速的三次方成正比。假设 ne为电动机额定转速，n为应用变频器后电动机的实际转速，则变频器调速系统的节能率 g，可以按下式计算：
式中 Fe表示额定频率50Hz，F 表示实际频率。通过计算可以得到下表。
根据频率计算节能率
测试结果
通风季节
● 通风季节能测试
● 通风季节节能效果
通过计算表3.3、表3.4和表3.5中的有功功率可以得出表3.6。
回排风机和空调风机的频率基本保持在35Hz，那么节能率分别为62.98%和63.35%。回排风机实测工频功率为12.29kW，节省能耗等于12.29*62.98% = 7.74kW;空调风机实测工频功率为27.72kW，节省能耗等于27.72*63.35% = 17.56kW。以此来看，变频情况下回排风机和空调风机每运行一小时可节省能耗25.30kWh，相当于节省63.00%的功耗。
若回排风机、空调风机和排热风机都以最低频率35Hz运行，则节能率分别为62.98%、63.35% 和63.24%。排热风机实测工频功率为53.94kW，那么三台风机节省能耗等于12.29*62.98% + 27.72*63.35% + 53.94*63.24% = 59.41kW。以此来看，变频情况下回排风机、空调风机和排热风机每运行一小时可节省能耗59.41kWh，总共节省了63.00%的功耗。若风机从早上6:00运行到夜晚22:00共 16个小时，那么每天节能可以达到950.56kWh。
空调季节
● 空调季节测试
上图比较了PID、模糊控制算法下频率变化。图左侧应用PID控制算法，图右侧应用模糊控制算法。图中对比可以看出，模糊控制算法速度较PID控制算法快。
● 空调季节节能效果
测试期间，记录了变频柜上智能监测装置中每天消耗的电功度，如表3.11所示，其中每天记录电度时间为18:00。三台风机每天消耗的电度数如表3.12所示。
通过测试，三台风机工频下24h消耗的电度数(kWh)分别为排热风机1171.008、回排风机296.636、空调风机668.104。根据测试期间三台风机的实际开机时间，可以折算得到风机工频下消耗的电度数，如表3.13所示。
通过表3.12、表3.13电度计算，可以得到测试期间的实际节能比例，如表3.14所示。通过表3.11与表 3.6对比可以看出，测试期间排热风机主要运行在30Hz，实际节能率达到75.3%，与表3.7的理论计算差别不大;而回排风机、空调风机主要运行在50Hz，实际节能率很小，分别为10.6%、9.9%。三台风机的总节能率为45.83%。
如果不考虑上海梅雨天气湿度太大的因素，那么回排风机、空调风机也将运行在30Hz，那么节能率将达到78%左右。
测试分析
PLC程序运行稳定、网络通信可靠
施耐德公司的可编程控制器Quantum系列，具有高可靠性、稳定性及无与伦比的网络连接能力，适应于一些恶劣环境下的自动化控制。可编程控制器(PLC)可靠性高，程序设计方便灵活。本次变频控制试验应用模糊、PID控制算法对风机进行变频控制，通过七天的运行数据分析来看，系统运行可靠。
MODBUS网络通信协议是电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。变频试验中单台PLC通过MODBUS总线同时与三台变频器通信控制。通过七天的运行数据分析来看，网络通信可靠。MODBUS总线可保证数据的可靠和有效传输。
控制算法
运行期间对控制算法进行了测试。通风季节中车站内环境参数满足地铁规范要求。
在测试中通过改变设定温度，记录了频率变化的曲线。
1.由于设定温度的手动调整，设定温度与实际温度的差值相当于发生了阶跃性跳变，因此频率输出也发生了阶跃性跳变。
2.由于PID算法的积分作用，而实际上冬季空调送风对温度影响不大，只要实际温度高于设定温度，频率都会增大到极大值;只要实际温度低于设定温度，频率都会减小到极小值。
测试结论
施耐德电气可编程控制器(PLC)可靠性高，程序设计方便灵活。本次变频控制试验应用模糊、PID控制算法对风机进行变频控制，通过运行数据分析来看，系统运行可靠。
施耐德ATV71 变频控制测试期间，通过数据记录车站通风季节及控制季节下温度、湿度、CO2浓度等环境参数，未发现造成不舒适等影响。即使在低频30Hz运行下，测试期间，温度、CO2等主要环境参数没有大的增加，也并未超标。
变频节能效果明显，因功率与频率的三次方成比例，因此频率降低，所节省的功耗显著。在30Hz低频运行下，风机节能可达到78%左右。
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