地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的逐時優(yōu)化節(jié)能控制策略

楊 昭，余龍清，馬 鋒，邵 敏

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的逐時優(yōu)化節(jié)能控制策略

楊 昭，余龍清，馬 鋒，邵 敏

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

針對地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷特點(diǎn)，提出節(jié)能控制目標(biāo)逐時系統(tǒng)性能系數(shù)HSCOP及逐時優(yōu)化策略．以某新建地鐵車站為例，模擬分析了該優(yōu)化控制策略及其節(jié)能效果．結(jié)果表明，與普通方案相比，采用所提出的逐時優(yōu)化節(jié)能控制方案可使夏季典型日能耗降低9.4%，節(jié)能效果顯著．

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；變頻；自尋優(yōu)；節(jié)能策略；優(yōu)化

1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制關(guān)鍵參數(shù)分析

我國南北地域氣候相差大、地鐵設(shè)計理念不同，導(dǎo)致各地地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)有所差異．筆者以南方某地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為具體研究對象進(jìn)行分析和研究．

1.1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組成及相關(guān)參數(shù)

典型的地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示[4]．此地鐵車站公共區(qū)間采用變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng)，即隨著站內(nèi)熱濕負(fù)荷和站外空氣參數(shù)的變化，通過變頻調(diào)節(jié)空氣處理機(jī)組(AHU)風(fēng)機(jī)、回/排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變送/回風(fēng)量，以滿足站內(nèi)乘客及工作人員的舒適性要求；通過冷水機(jī)組變?nèi)萘俊⑺米冾l變流量來匹配末端負(fù)荷．本系統(tǒng)初擬冷凍水采用一次泵變流量系統(tǒng)，冷卻塔采用直交流式，根據(jù)冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度之差變頻控制冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量[5-8]．由上述系統(tǒng)各部分運(yùn)行方式可知該通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的可變溫度參數(shù)和可變質(zhì)量(體積)流率參數(shù)如表1所示．

圖1 地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of subway station’s HVAC system

表1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中可變參數(shù)Tab.1 Variable parameters of the SVAC system in subway station

1.2 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制關(guān)鍵參數(shù)的確定

AHU是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)站內(nèi)熱濕環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備，相應(yīng)的冷凍水供水溫度和流量、AHU送風(fēng)溫度和風(fēng)量是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的重要參數(shù)．在確定的站內(nèi)負(fù)荷和室外溫度下，冷凍水供回水設(shè)計溫差為5,℃時，由于AHU換熱器和末端二通閥的共同作用，AHU送風(fēng)溫度與冷凍水供水溫度共同決定送風(fēng)量、相對濕度及冷凍水實(shí)際流量．同時，冷凍水供水溫度和流量又決定了冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力．

冷卻水供水溫度tci由室外濕球溫度tas和冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量共同決定．冷卻水進(jìn)出水溫差為5,℃時，在確定的熱負(fù)荷和室外濕球溫度下，冷卻水流量確定，冷卻水供水溫度為

故可通過溫差Δtca控制冷卻塔風(fēng)機(jī)排風(fēng)量來調(diào)節(jié)冷卻塔出水溫度tci．

由上述分析可知，在確定的負(fù)荷及室外條件下，表1中的各參數(shù)均可由tAHU、teo、Δtca三關(guān)鍵參數(shù)確定，從而決定了系統(tǒng)中各設(shè)備的功耗，因此該三參數(shù)為節(jié)能控制關(guān)鍵參數(shù)．

2 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時優(yōu)化節(jié)能控制策略及方案

2.1 地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制普通方案

對系統(tǒng)設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行變頻控制是目前地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見節(jié)能控制方案(普通方案)，此時，tAHU、teo和Δtca三關(guān)鍵參數(shù)為既定常數(shù)．分析可知，當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況，使三關(guān)鍵參數(shù)在合理范圍內(nèi)聯(lián)合波動可減少系統(tǒng)能耗：風(fēng)機(jī)、水泵在變頻允許范圍內(nèi)變化；AHU送風(fēng)溫度在(20±2)℃范圍內(nèi)變化；冷凍水供水溫度在(7±1)℃范圍內(nèi)波動；冷卻水進(jìn)水溫度與環(huán)境空氣濕球溫度間溫差在3～5,℃波動．因此，可以利用合理波動的三關(guān)鍵參數(shù)來優(yōu)化普通方案，提高通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率．

2.2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時優(yōu)化節(jié)能控制方案

三關(guān)鍵參數(shù)的變化對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)有著不同的影響．當(dāng)tAHU降低時，可減少通風(fēng)量，使AHU風(fēng)機(jī)和回排風(fēng)機(jī)能耗降低，也有利于保證AHU有效除濕，但是同時使蒸發(fā)溫度降低、冷水機(jī)組能耗增加．

當(dāng)環(huán)境濕球溫度降低或者車站內(nèi)負(fù)荷較小時，可以通過減少冷卻塔通風(fēng)量使溫差增大來降低冷卻塔能耗．但Δtca的增大使冷卻水供水溫度相對升高，導(dǎo)致冷凝器冷凝溫度升高、冷水機(jī)組能耗增加．

因此，只有合理處理上述矛盾才能真正降低系統(tǒng)能耗，否則適得其反．本文針對地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷特點(diǎn)，著眼于地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)整體，提出了有效解決如上矛盾、實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制優(yōu)化的優(yōu)化目標(biāo)，即逐時車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能效比(HSCOP)為

式中：Q0為某1,h的站內(nèi)熱負(fù)荷，kJ；Nt為該小時通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)總能耗，kJ．

基于以上分析，提出地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制優(yōu)化方案，即地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時優(yōu)化策略逐時關(guān)鍵參數(shù)自尋優(yōu)變頻節(jié)能控制方案：以最大HSCOP值為優(yōu)化目標(biāo)，采用Visual Basic和Matlab混合編程，采集地鐵站內(nèi)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，在線自尋最優(yōu)tAHU、teo、Δtca三關(guān)鍵參數(shù)，并以三關(guān)鍵參數(shù)為設(shè)定溫度(差)，變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)各設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)、水流量控制，減少系統(tǒng)整體能耗．

3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

利用上述的優(yōu)化方案仿真通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)．由于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備之間存在較強(qiáng)耦合性(見圖1)，且優(yōu)化方案需快速在線尋優(yōu)參數(shù)以指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行，本文采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行優(yōu)化并計算節(jié)能效果．仿真計算所需各設(shè)備數(shù)學(xué)模型如下．

3.1 AHU空調(diào)箱模型

AHU空調(diào)箱采用整體串片型表面式換熱器，冷凍水均勻流過肋管，空氣在肋管外流動，假設(shè)空調(diào)箱與環(huán)境無熱交換，則能量方程為

式中：cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；teo、tei分別為冷凍水供水和回水溫度，℃；ρa(bǔ)ir為空氣密度，kg/m3；hair,i、hair,o分別為AHU進(jìn)、出口空氣焓，kJ/kg．

傳熱方程可表示為

式中：KAHU為AHU換熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；AAHU為AHU換熱器的換熱面積，m2；tair,i、tair,o分別為AHU進(jìn)、出口空氣干球溫度，℃．

熱交換效率系數(shù)為

式中：β為傳熱單元數(shù)；γ 為兩流體的水當(dāng)量比．接觸系數(shù)為

式中：αw為AHU換熱器外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；tair,is、tair,os分別為AHU進(jìn)、出口空氣濕球溫度，℃．

3.2 冷水機(jī)組模型

所研究地鐵空調(diào)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)螺桿冷水機(jī)組[9]，主要包括螺桿壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和電子膨脹閥4部分．下面將分別介紹該4部分的數(shù)學(xué)模型．

3.2.1 螺桿壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量可表示為

式中：ηv為壓縮機(jī)容積效率；Vth為壓縮機(jī)理論排氣量，m3/h；νin為壓縮機(jī)進(jìn)口處的制冷劑比容，m3/kg．

壓縮機(jī)出口溫度為

式中：tcom，i為壓縮機(jī)進(jìn)口溫度，℃；pcom,i、pcom,o分別為壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力，Pa；n為多變過程指數(shù)．

壓縮機(jī)電機(jī)功率為

式中：hcom,i、hcom,o分別為壓縮機(jī)進(jìn)、出口的制冷劑焓值，kJ/mol；ηel、ηme分別為電機(jī)效率和機(jī)械傳動效率.

3.2.2 蒸發(fā)器模型

本冷水機(jī)組所選蒸發(fā)器為滿液式．節(jié)流后的兩相制冷劑從底部流入蒸發(fā)器，管外蒸發(fā)后從殼體頂部流出進(jìn)入壓縮機(jī)；冷凍水管內(nèi)流動．假設(shè)殼體保溫效果好，與環(huán)境無熱交換，則能量方程為

式中hei、heo分別為蒸發(fā)器進(jìn)、出口處的制冷劑焓值，kJ/mol．

傳熱方程為

式中：Ke為蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ae為蒸發(fā)器傳熱面積，m2；te為制冷劑蒸發(fā)溫度，℃．

3.2.3 冷凝器模型

本冷水機(jī)組冷凝器為臥式殼管式．壓縮機(jī)排除的高溫高壓制冷劑從頂部進(jìn)入，冷凝后的液態(tài)制冷劑從殼體底部流出；冷卻水管外流動．假設(shè)殼體保溫效果好，與環(huán)境無熱交換，則其能量與傳熱方程與蒸發(fā)器相同．

3.2.4 電子膨脹閥模型

節(jié)流過程一般視為等焓過程，制冷劑制冷流率可表示為

式中：Cval為閥特性常數(shù)；ρin為閥進(jìn)口處的制冷劑密度，kg/m3；val,ip、val,op分別為閥進(jìn)、出口的制冷劑壓力，Pa．

3.3 冷卻塔模型

本通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)選擇了直交流式冷卻塔，冷卻塔冷卻數(shù)為

式中：βχν為散質(zhì)系數(shù)；V為總填料體積，m3；qcw為冷卻水體積流率，m3；h為空氣焓值，kJ/mol；h′為飽和空氣焓值，kJ/mol．冷卻數(shù)計算時采用辛普遜積分法．

3.4 風(fēng)機(jī)與水泵

通過變頻改變風(fēng)機(jī)與水泵的轉(zhuǎn)速時，各參數(shù)按比例定律變化，即

式中：q為水泵(風(fēng)機(jī))的流量，m3/h；H為水泵(風(fēng)機(jī))的揚(yáng)程，m；p為水泵(風(fēng)機(jī))的全壓，Pa；P為水泵(風(fēng)機(jī))的功率，kW；n為水泵(風(fēng)機(jī))的轉(zhuǎn)速，r/min；下標(biāo)p表示變頻，m表示額定．

4 結(jié)果與分析

根據(jù)優(yōu)化方案思路編制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模擬程序，并以夏季典型日為例，計算分析該天工作18,h的優(yōu)化結(jié)果．典型日氣象參數(shù)如圖2所示，空氣干球溫度最低接近29,℃，最高37,℃，濕球溫度也在26,℃以上，全天氣溫較高．

圖2 夏季典型日氣象參數(shù)分布Fig.2 Meteorological parameters′ distribution in the typical summer day

利用所編程序計算得到典型日的三可優(yōu)化參數(shù)如圖3所示，計算所得典型日的HSCOP值如圖4所示，其中7：00至8：00時段為客流早高峰，17：00至18：00時段為客流晚高峰．由圖3可以看出，AHU送風(fēng)溫度tAHU與冷凍水供水溫度teo變化趨勢相同，溫差Δtca恒定為3,℃．

4.1 溫度tAHU和teo

早晚高峰的AHU送風(fēng)溫度和冷凍水供水溫度同時為最小值．此時段車站客流量大，通風(fēng)需求量大，只有適當(dāng)?shù)亟档退惋L(fēng)溫度才能有效減少系統(tǒng)能耗．但為了保證AHU的熱交換效率和除濕效率，必須降低溫度teo．其他時段，站內(nèi)熱負(fù)荷小，在滿足降溫除濕的同時，可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化參數(shù)tAHU和teo之間的匹配，使系統(tǒng)節(jié)能效果最優(yōu)．

圖3和圖4表明，并非溫度tAHU、teo越低，系統(tǒng)優(yōu)化方案的節(jié)能效果越好．早晚高峰時段，優(yōu)化前后系統(tǒng)能效比相差不大，主要原因是此時段站內(nèi)通風(fēng)量大，降低送風(fēng)溫度對通風(fēng)量影響不大，反而增加冷水機(jī)組能耗，使系統(tǒng)整體節(jié)能效果不理想．其他時段，冷凍水供水溫度teo高于設(shè)計溫度7,℃，使蒸發(fā)溫度升高、冷水機(jī)組能耗降低；AHU送風(fēng)溫度低于設(shè)計溫度，雖變化較小，但仍降低風(fēng)機(jī)能耗，從而提高系統(tǒng)能效比．

4.2 溫差Δtca

圖3中，溫差Δtca恒定為3,℃，表明Δtca與環(huán)境溫度、站內(nèi)負(fù)荷均無關(guān)．然而，能耗最大(約占系統(tǒng)總能耗的50%)的冷水機(jī)組受冷卻水供水溫度影響，Δtca決定冷卻水供水溫度．只有Δtca盡量小，即冷卻水供水溫度最低，才能保證冷水機(jī)組功耗最?。瑫r經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，冷卻塔能耗相對較低(小于系統(tǒng)總能耗的3%)，所以小的溫差Δtca可以有效降低系統(tǒng)的總能耗．由于溫差Δtca=3,℃一般是冷卻塔的冷卻極限，且環(huán)境因素的不確定性使冷卻塔變頻變風(fēng)量的可控性較差，所以不對冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻操作，即在額定功率運(yùn)行．冷卻塔風(fēng)機(jī)不變頻運(yùn)行時的實(shí)際溫差Δtca一般是大于3,℃的不確定值．

圖3 夏季典型日三關(guān)鍵參數(shù)分布Fig.3 Three key parameters’ distribution in the typical summer day

圖4 優(yōu)化方案與普通方案HSCOP對比Fig.4 HSCOP comparison of optimization scheme and normal scheme

4.3 逐時系統(tǒng)能效比HSCOP及節(jié)能效果

由圖4可知，夏季典型日優(yōu)化方案和普通方案的最大HSCOP分別為2.72和2.45，最小值分別為2.32和2.18；優(yōu)化方案HSCOP相對于普通方案平均提高了10.9%；優(yōu)化方案節(jié)能量為270,kW·h，節(jié)能率9.4%．典型日里優(yōu)化方案節(jié)能效果明顯優(yōu)于普通方案．

5 結(jié) 論

(1) 在地鐵早晚高峰時段，AHU送風(fēng)溫度和冷凍水供水溫度應(yīng)設(shè)定為最小值；在非高峰時段，AHU送風(fēng)溫度和冷凍水供水溫度可以小范圍調(diào)整．

(2) 冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗占系統(tǒng)總能耗的比例小，且其變頻可控性差，因此不用變頻控制，額定工況運(yùn)行即可，此時溫差Δtca是不確定值．

(3)提出了地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時優(yōu)化節(jié)能控制策略，三關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時動態(tài)優(yōu)化使優(yōu)化方案的節(jié)能效果明顯優(yōu)于普通變頻方案．

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Hourly Optimization of the Energy Saving Control Strategy in Subway Ventilation and Air Conditioning System

YANG Zhao，YU Long-qing，MA Feng，SHAO Min
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The energy saving control target’s hourly coefficient of system performance and hourly optimization strategy were proposed according to the loading characteristics of subway ventilation and air conditioning (SVAC)system. The strategy was used to simulate a new subway station and to analyze the energy saving effect of the optimization scheme. Results show that in a typical summer day，the amount of energy consumption in this scheme decreases by 9.4% compared with the normal scheme，so the optimization scheme has an obvious effect on the saving of energy.

subway ventilation and air conditioning (SVAC)system；frequency conversion；self-optimizing；energy saving strategy；optimization地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)約占地鐵總能耗的40%[1]，其主要原因之一是一般按遠(yuǎn)期最大負(fù)荷設(shè)計并有一定富裕量[2]，而其運(yùn)行特點(diǎn)是滿負(fù)荷運(yùn)行時間很短，一個工作日中負(fù)荷波動劇烈且早晚呈負(fù)荷高峰，長時間的部分負(fù)荷運(yùn)行造成能量浪費(fèi)嚴(yán)重．目前常用的節(jié)能措施是對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流體機(jī)械進(jìn)行變頻控制，但因調(diào)節(jié)范圍有限，所調(diào)參數(shù)相對獨(dú)立，整體節(jié)能效果有待提高[3]．因此，筆者分析了此通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，提出了進(jìn)一步的節(jié)能控制優(yōu)化方案．

TK11

A

0493-2137(2012)07-0599-05

2011-03-09；

2011-05-27.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51076112)；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目．

楊 昭（1960— ），女，教授．

楊 昭，zhaoyang@tju.edu.cn.