淺析軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在優(yōu)化控制方面的探索

張東海

摘 要：本文首先介紹了軌道交通通風(fēng)空調(diào)能耗概況，軌道交通空調(diào)系統(tǒng)的組成，然后分別詳細(xì)闡述了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控策略，包括末端風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，冷凍主機(jī)，循環(huán)水泵，冷卻塔組等主要設(shè)備的優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化控制；焓值；水系統(tǒng)；風(fēng)系統(tǒng)

Abstract：this paper first introduced the general situation of energy consumption of subway ventilation and air conditioning， the composition of subway air conditioning system， and then elaborated the energy-saving control strategy of the air conditioning system in detail， including the optimal control of the terminal fan system， the main engine of refrigeration， circulating water pump， cooling tower group and other main equipment.

Keywords：optimal control， enthalpy， water system， wind system

1 軌道交通空調(diào)能耗概況

21世紀(jì)以來(lái)，具有節(jié)能﹑快捷和大運(yùn)量特征的城市軌道交通建設(shè)越來(lái)越受到眾多城市的關(guān)注，但是軌道交通空間作為典型的地下大空間建筑，其空調(diào)運(yùn)行能耗是軌道交通總能耗的重要組成部分，其中空調(diào)系統(tǒng)耗能約占機(jī)電系統(tǒng)總能耗的40%左右。軌道交通基本上都是城市的能耗大戶，因此，對(duì)于軌道交通機(jī)電系統(tǒng)比如通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化就顯得尤為重要。如何才能使空調(diào)系統(tǒng)更節(jié)能﹑高效的運(yùn)行，除了選用高效的空調(diào)設(shè)備外，控制方法和控制策略的選擇也尤為重要，下文將仔細(xì)描述空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制策略。

2 軌道交通空調(diào)系統(tǒng)的組成

軌道交通空調(diào)系統(tǒng)按功能特點(diǎn)可分為車(chē)站站廳、站臺(tái)公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為大系統(tǒng)；車(chē)站設(shè)備、管理用房空調(diào)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為小系統(tǒng)。為大系統(tǒng)和小系統(tǒng)提供冷源的中央空調(diào)冷凍站稱為水系統(tǒng)。大系統(tǒng)主要在乘客活動(dòng)區(qū)域內(nèi)為乘客提供舒適、衛(wèi)生的過(guò)渡性環(huán)境，小系統(tǒng)則主要為工作人員提供舒適的工作環(huán)境和為車(chē)站設(shè)備提供適宜的運(yùn)行環(huán)境[1]。

大系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷主要由六部分組成，包括人體散熱、散濕負(fù)荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱、散濕負(fù)荷，照明負(fù)荷，新風(fēng)負(fù)荷，空氣滲透負(fù)荷，車(chē)站公共區(qū)設(shè)備發(fā)熱負(fù)荷。

小系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷主要由五部分組成，包括人體散熱、散濕負(fù)荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱、散濕負(fù)荷，照明負(fù)荷，新風(fēng)負(fù)荷，設(shè)備發(fā)熱負(fù)荷。人體散熱、散濕負(fù)荷來(lái)源于車(chē)站工作人員，以及設(shè)備、管理用房?jī)?nèi)相關(guān)人員。

3 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制

3.1 通風(fēng)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能控制

車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖 1 所示。包括：空調(diào)機(jī)組（變頻）﹑回排風(fēng)機(jī)（變頻）﹑回風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥﹑新風(fēng)調(diào)節(jié)閥﹑回排風(fēng)道溫濕度傳感器、送風(fēng)道溫濕度傳感器、車(chē)站公共區(qū)溫濕度、CO2傳感器和壓力傳感器等。

圖1

空氣處理機(jī)上設(shè)新風(fēng)電動(dòng)閥，回風(fēng)電動(dòng)閥﹑混風(fēng)電動(dòng)閥﹑排風(fēng)電動(dòng)閥和單獨(dú)的最小新風(fēng)機(jī)，回風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)二氧化碳的采集，通過(guò)對(duì)回風(fēng)風(fēng)機(jī)﹑混風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及小新風(fēng)機(jī)的控制，來(lái)調(diào)節(jié)混風(fēng)室內(nèi)的的二氧化碳的含量。同時(shí)也通過(guò)調(diào)節(jié)排風(fēng)電動(dòng)閥的開(kāi)度和排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)維持站內(nèi)的空氣質(zhì)量要求，這種方法不僅可以保證站廳內(nèi)的空氣質(zhì)量，還可以在設(shè)計(jì)狀態(tài)下提供足夠的回風(fēng)量。

系統(tǒng)可在上述控制策略的情況下進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，采用焓值控制。焓值控制可以根據(jù)室內(nèi)空氣狀態(tài)（溫度、濕度、二氧化碳等）的允許波動(dòng)范圍，充分利用過(guò)度季節(jié)新風(fēng)的冷卻能力，在保證站廳內(nèi)的空氣質(zhì)量的同時(shí)，擴(kuò)大過(guò)渡季節(jié)不使用冷量的時(shí)間，充分利用免費(fèi)冷源，減少設(shè)備使用時(shí)間，達(dá)到降低系統(tǒng)能耗的目的。

在供冷工況下，若新風(fēng)焓大于回風(fēng)焓，采用最小新風(fēng)新風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度最小，小新風(fēng)機(jī)變風(fēng)量運(yùn)行輸送最低冷量，加大混風(fēng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，并通過(guò)調(diào)節(jié)水閥的水量實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)送風(fēng)控制，由于空調(diào)提供的冷量為室內(nèi)冷負(fù)荷與新風(fēng)負(fù)荷之和，所以當(dāng)新風(fēng)量最小時(shí)，冷量最小。在供冷工況下，若新風(fēng)閥已開(kāi)到最大，且新風(fēng)焓仍小于回風(fēng)焓，但新﹑回風(fēng)焓差不足以抵消冷負(fù)荷，則調(diào)節(jié)水閥對(duì)新風(fēng)進(jìn)行冷卻后送入室內(nèi)，這樣既可以保證站廳對(duì)冷負(fù)荷的需求也可以充分利用新風(fēng)的冷量。

該方法的控制步驟如下：

（1）當(dāng)空氣處理機(jī)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟送風(fēng)機(jī)，同時(shí)開(kāi)啟回風(fēng)機(jī)。

（2）通過(guò)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將回風(fēng)機(jī)出口處的靜壓值維持在設(shè)定值。

（3）開(kāi)啟最小新風(fēng)電動(dòng)閥，然后開(kāi)啟排風(fēng)電動(dòng)閥，根據(jù)出回風(fēng)的二氧化碳的含量，來(lái)對(duì)排風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。從而保證站內(nèi)的空氣質(zhì)量。

（4）當(dāng)室外焓值低于目標(biāo)控制焓值時(shí)，開(kāi)啟新風(fēng)機(jī)和新風(fēng)閥。

3.2 冷凍主機(jī)的控制策略

在中央空調(diào)系統(tǒng)包括：冷凍主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、電動(dòng)閥門(mén)等設(shè)備。在所有的設(shè)備中冷凍主機(jī)是冷源制造設(shè)備，其他所有的設(shè)備都是輔助設(shè)備，都是為冷凍主機(jī)提供服務(wù)的。同時(shí)冷凍主機(jī)的功耗在所有的設(shè)備中也是最大的，所以冷凍主機(jī)無(wú)論是功能的重要性，還是在減少能耗方面的重要性都是至關(guān)重要的。

其具體措施有以下幾點(diǎn)：

（1）在滿足末端需求與冷凍主機(jī)最小做功找到平衡點(diǎn)。

（2）在滿足冷凍主機(jī)冷卻需要與冷卻系統(tǒng)節(jié)能找到平衡點(diǎn)，冷凍主機(jī)高負(fù)荷做功 時(shí)，以滿足冷凍主機(jī)需求為首要。

（3）通過(guò)調(diào)節(jié)流量與做功冷凍主機(jī)的臺(tái)數(shù)，將冷凍主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷控制在高能效比區(qū)間內(nèi)。

3.3 循環(huán)水泵的頻率控制

在現(xiàn)有的中央空調(diào)群控控制系統(tǒng)中，都是把冷凍系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)分開(kāi)來(lái)考慮的，對(duì)于冷凍水泵和冷卻水泵的頻率控制，都是依據(jù)各自的控制條件。而現(xiàn)實(shí)中卻不是這樣的。比如在末端負(fù)荷增加，要求冷凍主機(jī)輸出冷量增加的同時(shí)，冷凍主機(jī)做功也相應(yīng)的增加，這就要求冷卻水量、冷卻塔的排風(fēng)量也相應(yīng)的增加。如果沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)，所有的控制都是滯后的，就不能合理的控制中央空調(diào)系統(tǒng)，就不能有效的提升節(jié)能空間[1]。

對(duì)冷源中的冷凍水泵、冷卻水泵進(jìn)行的智能變頻調(diào)速控制，其主要控制依據(jù)通過(guò)檢測(cè)水溫度、壓力、流量監(jiān)視末端負(fù)荷變化，根據(jù)水溫度、壓力、流量計(jì)算該工況下所需的冷凍水、冷卻水、等流量，從而通過(guò)調(diào)整頻率調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，達(dá)到節(jié)能目的。在水泵調(diào)節(jié)過(guò)程中采用多元參數(shù)采集，根據(jù)參數(shù)變化區(qū)間對(duì)電機(jī)頻率和頻率變化幅度進(jìn)行分段調(diào)整，兼顧各參數(shù)、參量變化的耦合關(guān)系，使調(diào)整結(jié)果最優(yōu)。

水泵變頻優(yōu)化說(shuō)明：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集參數(shù)并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷變化預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)運(yùn)行的主動(dòng)前饋控制，及時(shí)精確控制設(shè)備運(yùn)行，使系統(tǒng)冷量所供即所需，降低部分負(fù)荷能耗，達(dá)到系統(tǒng)舒適、節(jié)能、高效運(yùn)行。優(yōu)化運(yùn)行策略設(shè)定為機(jī)房系統(tǒng)，多臺(tái)水泵變頻、輪換使用，用戶可通過(guò)上位機(jī)界面自行選擇使用任意一臺(tái)水泵，使系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)段，較大幅度節(jié)能并延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

3.4 冷卻塔組的優(yōu)化控制

該控制策略是：以冷凍主機(jī)輸出的熱負(fù)荷為最終控制目標(biāo)，合理的搭配冷卻塔風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)和頻率的變化，從而滿足冷凍主機(jī)對(duì)冷卻水量的要求。根據(jù)冷卻水回水總管的溫度和冷卻水供水總管的溫度、流量，通過(guò)系統(tǒng)智能管理控制器自動(dòng)計(jì)算，調(diào)整冷卻塔運(yùn)行參數(shù)，控制冷卻塔運(yùn)行臺(tái)數(shù)；同時(shí)采集各冷凍水主機(jī)冷卻水進(jìn)出水管道溫度傳感器所測(cè)溫度，控制冷卻水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、頻率；實(shí)現(xiàn)冷卻水側(cè)管路運(yùn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集修正，實(shí)時(shí)調(diào)整冷卻水側(cè)運(yùn)行參數(shù)，使冷卻水側(cè)運(yùn)行平穩(wěn)。

3.5 末端區(qū)域水力平衡的控制

在冷凍站中分水器的作用，是把冷負(fù)荷通過(guò)支管將冷量分配給不同的符合需求區(qū)域。集水器則是把各個(gè)區(qū)域交換后的高溫水集中起來(lái)通過(guò)冷凍水泵進(jìn)入冷凍主機(jī)。 對(duì)于末端多區(qū)域供冷的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于各區(qū)域之間的阻力特性及負(fù)荷需求存在不同，所以在實(shí)際的運(yùn)行中可能就存在著某些區(qū)域的冷量過(guò)剩，而某些區(qū)域的冷量不夠的現(xiàn)象，此現(xiàn)象可以從各區(qū)域的供回水管的監(jiān)測(cè)溫差反映出來(lái)，溫差大說(shuō)明冷量需求較大，溫差小的說(shuō)明冷量需求較小，存在著“大流量，小溫差”的浪費(fèi)現(xiàn)象，所以如何解決好各區(qū)域的冷量平衡對(duì)于整體中央空調(diào)的COP值有著非常大的作用[2]。

末端區(qū)域水力平衡通過(guò)對(duì)相應(yīng)的設(shè)備合理的控制，根據(jù)末端實(shí)際負(fù)荷需要，對(duì)冷量進(jìn)行分配，從而避免了末端的分配不均，不僅提高了末端用戶的舒適性，而且進(jìn)一步提升了節(jié)能空間。

本系統(tǒng)具有基于冷水系統(tǒng)能量分配平衡的動(dòng)態(tài)水力平衡優(yōu)化控制，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)和冷源側(cè)的動(dòng)態(tài)水力平衡。在集水器各個(gè)支管設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從整個(gè)冷凍水系統(tǒng)全局的水力工況出發(fā)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)各環(huán)路所需冷凍水流量的同時(shí)，也會(huì)進(jìn)行各環(huán)路的阻力匹配，有效屏蔽其他支路冷凍水流量變化的影響，保證在總管變流量的情況下，實(shí)現(xiàn)各支路水利平衡。同時(shí)通過(guò)各環(huán)路上的溫度傳感器所采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)區(qū)域的負(fù)荷需求，通過(guò)調(diào)節(jié)閥對(duì)各個(gè)區(qū)域的負(fù)荷進(jìn)行分配，以達(dá)到冷源側(cè)到負(fù)荷側(cè)整個(gè)水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能量平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行。

4 控制依據(jù)的選擇

在以溫度為主要控制參數(shù)的系統(tǒng)中，由于溫度的時(shí)滯性，所以往往控制落后于系統(tǒng)的實(shí)際情況，從而達(dá)不到合理控制系統(tǒng)的要求，而用壓力為主要控制的系統(tǒng)中，雖然壓力沒(méi)有時(shí)滯性，但壓力不能夠真正反映末端的實(shí)際使用需求。本控制系統(tǒng)通過(guò)負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)冷凍回水的溫度變化趨勢(shì)，判斷出末端的符合需求是增加還是減少，得出結(jié)論的同時(shí)對(duì)控制元件作出相應(yīng)的調(diào)整，達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

事實(shí)證明軌道交通空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)節(jié)能優(yōu)化控制以后，在保證末端的溫度﹑濕度和風(fēng)量的基礎(chǔ)上節(jié)能效果明顯，降低了系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，為城市級(jí)節(jié)能降耗做出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉靜紈著.變風(fēng)量空調(diào)模糊控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 李玉街，蔡小兵，郭林.中央空調(diào)系統(tǒng)模糊控制節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.