王 艷,李焱池,籃 杰,夏三縣,嚴(yán) 清,余偉之,肖云婷,嚴(yán) 天,徐新華
(1.中原工學(xué)院,鄭州 450000; 2.長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司,長沙 410021; 3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430064; 4.鄭州地鐵集團(tuán)有限公司,鄭州 450000; 5.華中科技大學(xué),武漢 430074)
隨著我國城市的不斷發(fā)展,中心城市的人口逐漸攀升,地鐵已成為大多數(shù)人所依賴的交通工具。由于地鐵站內(nèi)存在設(shè)備、電子屏、照明裝置等熱源,且列車運(yùn)行和乘客往來都會(huì)使站內(nèi)產(chǎn)生大量余熱,地鐵空調(diào)系統(tǒng)不可或缺,系統(tǒng)巨大運(yùn)行能耗問題也備受關(guān)注[1]。調(diào)查顯示,我國北方城市地鐵的空調(diào)系統(tǒng)能耗占運(yùn)營總能耗的1/3,而在南方城市其占比高達(dá)1/2[2]。因此,如何實(shí)現(xiàn)地鐵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能變得至關(guān)重要。
地鐵空調(diào)系統(tǒng)主要可分為3個(gè)部分,分別為:隧道通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、地鐵站公共區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)和地鐵設(shè)備管理用房空調(diào)系統(tǒng)。對(duì)于地鐵設(shè)備管理用房,其空調(diào)形式多為全空氣定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),但由于各房間使用功能不同、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間不同,定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)常常出現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)量過大、供冷過度、系統(tǒng)運(yùn)行不節(jié)能等問題[3]。此時(shí),變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)由于其節(jié)能、舒適和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)逐漸被應(yīng)用到實(shí)際工程中[4]。
變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)起源于20世紀(jì)60年代的美國,于20世紀(jì)80年代開始在歐美、日本等地迅速發(fā)展。現(xiàn)如今,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在美國高層建筑的使用率已達(dá)到90 %以上,成為美國空調(diào)系統(tǒng)的主流[5]。上世紀(jì)末,隨著我國技術(shù)水平的提升,VAV系統(tǒng)也開始進(jìn)入國內(nèi)研究人員的視野。文獻(xiàn)[6]對(duì)變風(fēng)量系統(tǒng)定靜壓控制策略進(jìn)行了優(yōu)化,使其在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上最大限度地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于末端風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的總風(fēng)量優(yōu)化控制方法,使得室內(nèi)溫度及房間送風(fēng)量的調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定,超調(diào)量小,同時(shí)縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。隨著智能控制的逐漸成熟,又涌現(xiàn)出模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、分級(jí)階梯控制等控制策略[8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種最佳送風(fēng)溫度和最小區(qū)域氣流重置策略,提高了典型VAV系統(tǒng)的效率。對(duì)于變風(fēng)量的舒適性問題,文獻(xiàn)[10]提出采用動(dòng)態(tài)PMV控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的舒適性更加突出。
在實(shí)際應(yīng)用中,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)仍然存在難以控制、能源浪費(fèi)等問題。VAV系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多變量、強(qiáng)耦合、大滯后、不確定性大等特點(diǎn),在運(yùn)行過程中需要更加有效地控制[11-12]。文獻(xiàn)[13]考慮了由多區(qū)域VAV組成的集總參數(shù)模型,并設(shè)計(jì)了滑??刂?,通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥來控制房間的室內(nèi)溫度,使用滑??刂频慕Y(jié)果確保了參數(shù)不確定時(shí)VAV系統(tǒng)的穩(wěn)健運(yùn)行。文獻(xiàn)[14]建立了一種新的室溫動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型,該模型是一種多輸入單輸出的模型,可以清晰地描述出變風(fēng)量系統(tǒng)的室溫動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)變風(fēng)量系統(tǒng)服務(wù)于多個(gè)區(qū)域時(shí),由于無法在部分負(fù)荷要求下實(shí)現(xiàn)有效的通風(fēng)需求,常常出現(xiàn)能源浪費(fèi)的問題。文獻(xiàn)[15-16]提出了變風(fēng)量系統(tǒng)的送風(fēng)靜壓和送風(fēng)溫度優(yōu)化控制方法以及多區(qū)域新風(fēng)量優(yōu)化控制方法,并在VAV空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試以評(píng)估其動(dòng)態(tài)控制性能及空氣品質(zhì)特性。文獻(xiàn)[17]進(jìn)一步針對(duì)多區(qū)域變風(fēng)量系統(tǒng),提出關(guān)鍵區(qū)溫度重設(shè)定的自適應(yīng)按需新風(fēng)控制策略,以最少的能耗滿足各區(qū)的室內(nèi)空氣品質(zhì)要求,并進(jìn)行了模擬分析。文獻(xiàn)[18]提出了3種基于占用率的重疊運(yùn)營策略,根據(jù)3種不同的房間占用率來確定不同的最低要求風(fēng)量,從而優(yōu)化送風(fēng)流量。文獻(xiàn)[19]將VAV系統(tǒng)改造成VAV-DOAS系統(tǒng),并通過實(shí)驗(yàn)證明改造后的系統(tǒng)在大連地區(qū)冬、夏工況下分別可節(jié)能16 %和21 %。類似的,地鐵設(shè)備管理用房主要負(fù)荷來源于設(shè)備發(fā)熱,其負(fù)荷變化與設(shè)備運(yùn)行時(shí)間密切相關(guān),房間需求風(fēng)量也會(huì)有所差異。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)需根據(jù)房間負(fù)荷的不同而調(diào)節(jié)送風(fēng)量的多少,實(shí)現(xiàn)按需通風(fēng),以避免能量的浪費(fèi)。
針對(duì)鄭州某地鐵站設(shè)備管理用房全空氣變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究,基于Flowmaster模擬平臺(tái)建立變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)模型及其控制策略模型,模擬在不同的負(fù)荷條件及風(fēng)量需求下,通過控制變風(fēng)量風(fēng)閥開度從而調(diào)節(jié)送風(fēng)量以控制室內(nèi)溫度,并進(jìn)行其控制特性分析。
車站共設(shè)置4個(gè)環(huán)控機(jī)房小系統(tǒng),位于車站站廳兩端設(shè)備管理用房區(qū)。各小系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置送回風(fēng)管。送回風(fēng)管設(shè)置支管,并在送風(fēng)支管上均設(shè)置變風(fēng)量末端裝置。本次以其中一個(gè)小系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行研究,該系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)共含7個(gè)通風(fēng)空調(diào)房間,分別為0.4 kV開關(guān)柜室、控制室、35 kV開關(guān)柜室、直流開關(guān)柜室、再生裝置控制室、整流變壓器室1及整流變壓器室2。
圖1 某地鐵車站小系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)原理
地鐵設(shè)備用房變風(fēng)量系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)不同房間需求,合理送風(fēng)以滿足其不同的溫度控制要求。不同的設(shè)備用房有不同的工作時(shí)間,0.4 kV開關(guān)柜室、35 kV開關(guān)柜室、再生裝置室中設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間為6:00至23:00;2個(gè)整流變壓器室中設(shè)備在6:00至23:00內(nèi)全部運(yùn)行,23:00至次日6:00內(nèi)部分運(yùn)行;控制室和直流開關(guān)柜室中設(shè)備全天運(yùn)行。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間與發(fā)熱量可得到各房間的設(shè)備得熱量,如圖2所示。
圖2 地鐵設(shè)備用房各房間得熱量變化曲線
地鐵設(shè)備用房VAV系統(tǒng)按需送風(fēng)是根據(jù)房間負(fù)荷的變化合理控制系統(tǒng)的實(shí)際送風(fēng)量。地鐵設(shè)備用房圍護(hù)結(jié)構(gòu)外環(huán)境為地下空間,傳熱負(fù)荷較小,房間負(fù)荷主要取決于設(shè)備的運(yùn)行發(fā)熱量。VAV變風(fēng)量系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行開啟與關(guān)閉,即在設(shè)備不運(yùn)行的夜間,系統(tǒng)不送風(fēng);設(shè)備開始工作時(shí),系統(tǒng)按需送風(fēng)。
變風(fēng)量系統(tǒng)按需控制原理如圖3所示。首先,根據(jù)上述地鐵設(shè)備用房的建筑特點(diǎn)在TRNSYS軟件平臺(tái)上建立各個(gè)房間的負(fù)荷模型,通過輸入設(shè)備發(fā)熱量、土壤溫度等邊界條件,模擬得到各個(gè)房間的空調(diào)負(fù)荷及需求風(fēng)量。其次,在Flowmaster軟件上建立上述地鐵設(shè)備用房變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)模擬平臺(tái),模擬該變風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)量特性。進(jìn)一步將各個(gè)房間需求風(fēng)量作為變風(fēng)量系統(tǒng)的控制目標(biāo),利用PI控制器調(diào)節(jié)變風(fēng)量箱風(fēng)閥開度,控制房間風(fēng)量的按需供給。在本文研究中房間送風(fēng)溫度設(shè)置為18 ℃,變風(fēng)量系統(tǒng)可根據(jù)房間負(fù)荷的變化進(jìn)行風(fēng)量按需控制運(yùn)行,在滿足房間溫度需求的同時(shí),避免冷量浪費(fèi)。
圖3 變風(fēng)量系統(tǒng)按需控制原理
風(fēng)機(jī)為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)提供動(dòng)力,變速風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下的性能可以表示為
Pf=A0+A1Q+A2Q2
(1)
式中,Pf為風(fēng)機(jī)的總壓頭,Pa;Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量,m3/h;A0、A1、A2為性能系數(shù),選取風(fēng)機(jī)系數(shù)分別為621.13,-10-16,-2×10-7。
VAV變風(fēng)量系統(tǒng)中送風(fēng)機(jī)與回風(fēng)機(jī)為動(dòng)力設(shè)備,系統(tǒng)中的其他元件,如過濾器、盤管、風(fēng)管、風(fēng)閥末端等可作為阻力元件來考慮。
在通風(fēng)系統(tǒng)中,支路與干路可設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥以調(diào)試阻力,給定開度下,閥門的阻力特性模型可表示為
ΔP=SvQ2
(2)
式中,Sv為阻抗系數(shù),Pa/(m3/h)2;Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量,m3/h。
VAVbox是可變的阻力元件,在不同閥門開度下,其阻力特性也不同,其中風(fēng)閥開度與風(fēng)量比(在某一壓力下,末端閥門在末開度下風(fēng)量與閥門全開時(shí)風(fēng)量的比值)的關(guān)系式為
F=(1-c)×a+c×e0.789(c-1)
(3)
式中,F(xiàn)為風(fēng)量比;c為閥門開度;a為泄漏系數(shù),取0.01。
結(jié)合上述公式,可以計(jì)算出各閥門在任意開度下的阻抗系數(shù)Sv,同時(shí)也可以計(jì)算出各閥門在給定壓差下,在任意開度下的送風(fēng)量。
系統(tǒng)管網(wǎng)的主要組成元件包括閥門、管段、三通、彎頭、風(fēng)機(jī)及末端設(shè)備,這些設(shè)備與部件的阻力特性可根據(jù)幾何特征及物理特性來建立。管網(wǎng)特性曲線數(shù)學(xué)模型如下
H=B+SQ2
(4)
式中,H為風(fēng)機(jī)全壓,Pa;B為入口壓力;S為管路阻抗系數(shù),Pa/(cm3/h)2;Q為風(fēng)量,m3/h。
基于Flowmaster仿真平臺(tái)搭建系統(tǒng)模型,模型中主要部件(如風(fēng)機(jī)、閥門、彎頭、散流器等)的流阻特性均由設(shè)計(jì)選型手冊(cè)確定。為簡(jiǎn)化系統(tǒng),模型省略了所有排煙防火閥,管路附件阻力采用局部阻力件代替,其余元件均按實(shí)際情況設(shè)置。系統(tǒng)共7個(gè)末端支路,每條支路設(shè)置1個(gè)VAVbox。具體模擬模型如圖4所示。
圖4 Flowmaster變風(fēng)量系統(tǒng)模型
變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷及室內(nèi)調(diào)控參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)量,既能滿足室內(nèi)環(huán)境的控制要求又達(dá)到節(jié)約能源的目的。為保證系統(tǒng)模擬平臺(tái)與實(shí)際系統(tǒng)匹配,首先需要對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行水力平衡調(diào)試。
變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試前進(jìn)行靜態(tài)平衡調(diào)試,啟動(dòng)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī),通過調(diào)節(jié)送風(fēng)干管、送風(fēng)支管、VAVbox的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,實(shí)現(xiàn)整個(gè)變風(fēng)量風(fēng)管系統(tǒng)的初平衡。使通過空調(diào)機(jī)組處理后的空氣能夠按照設(shè)計(jì)風(fēng)量送入各房間的調(diào)試,即為空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的調(diào)初平衡過程。由流體力學(xué)可知,系統(tǒng)任一管段的阻力ΔP與風(fēng)量Q的平方成正比,各管段風(fēng)量Qi的比值與管段的阻抗系數(shù)Si比值關(guān)系如式(5)所示,對(duì)于同一管路系統(tǒng),各支路管段阻抗基本不變,其風(fēng)量的比例也基本恒定[20]。因此,變風(fēng)量系統(tǒng)模擬平臺(tái)調(diào)試即通過調(diào)節(jié)各支路阻抗使得各支路風(fēng)量比與設(shè)計(jì)風(fēng)量比值保持一致,并進(jìn)一步調(diào)整主管段的阻抗使得系統(tǒng)風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量一致。
(5)
為方便水力平衡調(diào)試,在支管及總管上設(shè)置手動(dòng)風(fēng)閥閥門,調(diào)試后送回風(fēng)管路的平衡工況如表1、表2所示,可以看到,系統(tǒng)調(diào)試后,各支路運(yùn)行風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量不平衡率均小于10%,系統(tǒng)模擬平臺(tái)調(diào)試完成。
表1 送風(fēng)系統(tǒng)
表2 回風(fēng)系統(tǒng)
以典型年鄭州室外氣象參數(shù)為邊界,模擬了上述地鐵設(shè)備用房(7個(gè)房間)的負(fù)荷特性及其VAV變風(fēng)量系統(tǒng)的控制特性??紤]篇幅限制,僅展示了0.4 kV開關(guān)柜室在夏季典型日(7月31日)與冬季典型日(1月31日)兩天的模擬結(jié)果。
圖5為基于TRNSYS模擬平臺(tái)所得的0.4 kV開關(guān)柜室夏季典型日7月31日的負(fù)荷及需求風(fēng)量變化曲線,可見在室內(nèi)溫度設(shè)定在36 ℃、送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí),在夜間設(shè)備不運(yùn)行時(shí)房間負(fù)荷為零,此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)不工作;在白天設(shè)備運(yùn)行時(shí),房間的模擬結(jié)果顯示室內(nèi)負(fù)荷變化趨勢(shì)與給定室內(nèi)得熱量變化趨勢(shì)相同,室內(nèi)需求風(fēng)量也隨之改變。全天最大負(fù)荷可達(dá)到38.73 kW,最大需求風(fēng)量可達(dá)到5 597 m3/h。
圖5 開關(guān)柜室夏季典型日負(fù)荷及需求風(fēng)量
在模擬得到室內(nèi)送風(fēng)量的變化曲線后,將其作為變風(fēng)量系統(tǒng)控制的控制目標(biāo),通過PI控制的算法輸出VAVbox的閥門開度,并進(jìn)行閥門調(diào)節(jié),閥門調(diào)節(jié)后送入室內(nèi)的實(shí)際送風(fēng)量也隨之變化,從而實(shí)現(xiàn)按需送風(fēng)的目的。圖6為VAVbox的閥門開度及實(shí)際送風(fēng)量變化曲線,可以看到,該房間實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量與房間需求風(fēng)量基本重合,與房間需求風(fēng)量偏差不超過1 %,控制效果較好。隨著設(shè)備的開啟,房間負(fù)荷于6:00開始逐步上升,此時(shí)需求風(fēng)量增加,閥門開度變大,以保證房間的風(fēng)量需求。夏季工況下房間最大風(fēng)量可達(dá)5 597 m3/h。23:00后隨著設(shè)備關(guān)閉,房間負(fù)荷減小,需求風(fēng)量也隨之減小,該支路的實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量也逐漸減小到0。
圖6 夏季典型日VAVbox閥門開度及實(shí)際風(fēng)量變化曲線
雖然冬季室外溫度較低,但由于室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量大,所以仍需供冷。圖7為基于TRNSYS模擬平臺(tái)所得的冬季典型日1月31日0.4 kV開關(guān)柜室的負(fù)荷及需求風(fēng)量變化曲線,室內(nèi)設(shè)定溫度為36 ℃,送風(fēng)溫度為18 ℃,同樣的室內(nèi)風(fēng)量需求隨室內(nèi)負(fù)荷變化而變化。7:00前因設(shè)備不工作房間負(fù)荷為0,7:00點(diǎn)后隨著設(shè)備的開啟,負(fù)荷增加的同時(shí),需求風(fēng)量也隨之增加,全天最大負(fù)荷可達(dá)到29.05 kW,最大需求風(fēng)量為4 160 m3/h。冬季土壤溫度較低,外界環(huán)境與室內(nèi)設(shè)定溫度溫差較大,可通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)排除一部分熱量,房間負(fù)荷的變化相較于室內(nèi)得熱量的變化會(huì)有一定程度的延遲,室內(nèi)風(fēng)量需求響應(yīng)有所改變。
圖7 開關(guān)柜室冬季典型日負(fù)荷及需求風(fēng)量
圖8為閥門開度及實(shí)際送風(fēng)量的變化曲線,與夏季工況結(jié)果類似,該房間支路實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量與房間的需求風(fēng)量基本吻合,與房間需求風(fēng)量偏差不超過1 %,控制效果較好。隨著設(shè)備開啟,房間負(fù)荷于7:00出現(xiàn)明顯上升,此時(shí),需求風(fēng)量增加,閥門開度變大,以保證房間的風(fēng)量需求。房間最大風(fēng)量達(dá)到4 160 m3/h。隨著設(shè)備關(guān)閉,房間負(fù)荷及需求風(fēng)量減小,該支路實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量隨之下降。
圖8 冬季典型日VAVbox閥門開度及實(shí)際風(fēng)量變化曲線
圖9 兩種不同空調(diào)系統(tǒng)下房間溫度變化曲線
進(jìn)一步比較了夏季典型日采用傳統(tǒng)定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)房間的溫度變化,圖9為定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)及變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)下的室內(nèi)溫度曲線??梢钥闯觯?dāng)房間送風(fēng)量一定時(shí),室內(nèi)溫度為20.9 ~34.2 ℃,明顯低于設(shè)計(jì)溫度(36 ℃),造成了較大的冷量浪費(fèi)。而當(dāng)按需送風(fēng)時(shí),房間溫度被很好地控制在設(shè)計(jì)值,既給設(shè)備運(yùn)行提供了所需的環(huán)境,又避免造成冷量的浪費(fèi)。
對(duì)于其他房間,采用按需控制送風(fēng)后,各房間實(shí)際送風(fēng)與房間需求風(fēng)量也基本吻合,房間溫度均滿足設(shè)計(jì)需求。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明了本文提出的按需通風(fēng)控制方式的可行性。
以鄭州某地鐵車站小系統(tǒng)VAV變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立該地鐵車站設(shè)備用房負(fù)荷模擬平臺(tái)與變風(fēng)量系統(tǒng)模擬平臺(tái),提出了房間按需通風(fēng)控制原理,并通過模擬對(duì)地鐵設(shè)備管理用房在按需送風(fēng)控制運(yùn)行下的風(fēng)量特性及其控制特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,由于地鐵車站設(shè)備管理用房使用性質(zhì)和運(yùn)行時(shí)間相互各異的特點(diǎn),房間負(fù)荷差異性明顯,需求風(fēng)量會(huì)隨著設(shè)備啟停(得熱量)而變化。采用VAV變風(fēng)量系統(tǒng)按需控制運(yùn)行可以對(duì)每個(gè)房間溫度的獨(dú)立靈活控制,將負(fù)荷模擬平臺(tái)得到的房間需求風(fēng)量作為VAV變風(fēng)量系統(tǒng)的目標(biāo)風(fēng)量,通過PI控制器調(diào)節(jié)VAV末端閥門開度,使房間送風(fēng)量可以依照室內(nèi)負(fù)荷的變化而變化,實(shí)現(xiàn)按需送風(fēng),在保證室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度的同時(shí),避免了系統(tǒng)冷量浪費(fèi)。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明,采用按需通風(fēng)控制后,VAV變風(fēng)量系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量與需求風(fēng)量基本吻合,偏差率小于1%,房間溫度滿足設(shè)計(jì)需求。研究結(jié)果為地鐵設(shè)備用房VAV變風(fēng)量系統(tǒng)控制運(yùn)行提供參考。