地鐵變風量空調風系統控制方法研究

劉俊 劉健 車輪飛

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

地鐵變風量空調風系統控制方法研究

劉俊 劉健 車輪飛

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

對地鐵站變風量空調風系統提出三種控制方法，即送回風溫度控制法、優先控制水閥法和優先控制風機法。以武漢地鐵2號線螃蟹甲站的空調系統作為模擬研究對象，建立了房間、風機、水閥、盤管和控制器等數學模型，以TRNSYS為仿真平臺，搭建了地鐵站變風量系統的模型，比較三種控制方法與定風量控制下系統在制冷季節的運行情況。模擬結果表明，送回風溫度控制法能較好地控制室內溫度，且在適當的出風溫度設定值下，功耗能達到最小。在不考慮送風結露和考慮送風結露的情況下，節能率分別達到67.0%和55.9%。

地鐵環控變風量系統控制方法能耗TRNSYS

0前言

地鐵車站公共區的空調系統常采用定風量控制方法運行[1]。由于系統大部分時間運行在部分負荷工況下，定風量控制方法通過采用風閥節流勢必造成較大的能源浪費。變風量系統作為一種通過改變送入房間的風量來適應房間負荷變化的全空氣系統，具有良好的節能性[2]。

嚴格意義上的變風量系統由變風量空調機組和變風量末端兩部分組成。變風量末端通常為變風量箱，該末端可以根據室內要求控制其送風量[3]。這種空調形式由于需要變風量末端，成本和技術要求較高。目前在國內應用并不是很廣泛。

目前對于沒有變風量末端的全空氣系統也可以只通過改變空氣處理機的風量來達到變風量的目的。這種系統也稱為變風量系統，其弊端是末端的風口不能自行調節風量，因而室內的氣流組織及室內的舒適度比不上帶有變風量末端的空調系統，但是室內熱舒適性也基本可以接受，因而這種系統在實際工程中應用也十分廣泛[4]。

本文針對沒有變風量末端的全空氣系統，提出三種控制方法，通過模擬計算，將其能耗和運行效果與定風量控制進行比較分析。

1控制方法

1.1優先控制風機法

優先控制風機法控制流程圖如圖1所示。系統開始運行時，水閥全開，由室內溫度決定送風機的送風量F，如式（1）所示：

式中：Fmin為風機運行最低頻率，Hz；Fmax為工頻，Hz；Tmax為室內允許最大溫度，℃；Tmin為室內允許最低溫度，℃；Tin為室內溫度，℃。

圖1優先控制風機法控制流程圖

如Tin＞Tmax，則F=Fmax，如Tin＜Tmax，F=Fmin。當出現風機運行頻率為Fmin且室內溫度小于Tmin的情況時，系統繼續運行一段時間（比如5分鐘），如果還是溫度小于Tmin，說明水閥開度大，使得送風溫度太低。此時風機以最低頻率運行，由PID控制器輸出控制信號調節水閥開度，PID控制器的控制變量為室內溫度。

當風機最低頻率運行出現水閥開度為1且室內溫度大于Tmax時，系統也是繼續運行一段時間（比如5分鐘），如果還是溫度大于Tmax，說明風機送風量小，使得室內溫度高于設定最大值，此時風機頻率按式（1）運行，水閥開度為1，回到系統剛開始運行時控制方式。

1.2優先控制水閥法

優先控制水閥法控制流程圖如圖2所示。系統開始運行時，風機以最低頻率運行，水閥開度由PID控制器控制，PID控制器控制變量為室內空氣溫度，當水閥開度為1，室內溫度大于室內允許最高溫度Tmax，時，系統繼續運行一段時間（如5分鐘），如果還是出現室內溫度大于Tmax，的情況，則說明送風量少，此時水閥開度為1，風機運行頻率由式（1）求得。

圖2優先控制水閥法控制流程圖

當出現風機頻率以最低頻率運行，室內溫度小于室內運行最低溫度Tmin的情況時，系統繼續運行一段時間（比如5分鐘），如果還是室內溫度小于Tmin，則說明閥門開度大，使得送風溫度低，此時風機頻率以最低頻率運行，閥門重新由PID控制。

1.3送回風溫度控制法

送回風溫度作為控制變量通過PID控制，系統在該控制方法下設置兩個PID控制器。PID控制器1根據送風溫度控制水閥的開度以維持送風溫度在設定值，PID控制器2根據回風溫度控制送風機轉速，從而控制回風溫度在設定值。標準PID算法如式（2）所示：

式中：Ti是積分周期；Ts是采樣周期；Td是積分周期；Kp為比例增益。

由上式可得第k-1個采樣時刻的輸出值：

增量式PID可以避免算法飽和，輸出值u(k)如式（4）所示：

根據上述公式，可以繪出增量式PID控制算法流程圖，如圖3所示。

圖3增量式PID控制算法流程圖

2變風量系統模擬建模

本文以武漢地鐵2號線螃蟹甲站的空調系統作為研究對象。該站為地下兩層標準島式站臺車站，新風機額定流量為6.3kg/s，設計功耗為8.3kW，風機全壓250Pa；送風機額定流量為29.53kg/s，設計功耗為35kW，風機全壓680Pa；回風機額定流量為23.6kg/s，設計功耗為28kW，風機全壓680Pa。車站運行時間為每天5:00～23:00。

2.1模型簡化

對于地鐵站而言，地鐵站的圍護結構與外界換熱主要包括軌底風道與站臺層底板換熱，軌頂風道與屏蔽門上豎墻換熱，軌頂風道與站廳層底板換熱以及屏蔽門與軌道之間換熱；地鐵站站廳與站臺內空氣主要是與站臺層底板、屏蔽門上豎墻、站廳層底板、屏蔽門以及房間內部物體之間換熱。在系統模型中，變風量系統可以看作一個由許多相互連接部件組成的回路。這些部件包括建筑、盤管、風機、水泵及傳感器等[5]。

2.2建筑熱濕平衡方程

圖4是簡化的熱網模型示意圖，站臺層底板，屏蔽門上豎墻以及站廳層底板考慮為2R1C（即兩個熱阻一個熱容）模型，房間內部物體為2R2C模型，屏蔽門的換熱簡化為Q＝KΔT，其中K為軌道與站臺內空氣的傳熱系數，ΔT為軌道與室內空氣之間溫差（設計值為12℃）。

建筑圍護結構、室內空氣和房間內部物體的熱平衡方程如式（5）～式（8）所示，房間空氣濕平衡和空氣CO2濃度方程如式（9）～（10）所示：

式中：Mvav為送風量，kg/s；Minf為滲透風量，kg/s；Gvav為送風含濕量，kg/kg；Ginf為滲透風含濕量，kg/kg；Gin(t)為室內空氣含濕量，kg/kg；Kd為屏蔽門與周圍空氣的傳熱系數；i=1，2，3，分別表示第i個圍護結構；Mass為房間空氣質量，kg；Goc為人員散濕量，kg/kg；CO2oc為人員呼吸產生CO2濃度，ppm。

通過上述方程可以得到任何一個時刻地鐵站內房間空氣的狀態。

圖4建筑模型熱網示意圖

2.3盤管模型

盤管模型是用來動態模擬盤管內流體換熱的，它是在Lebrun提出的盤管數學模型基礎上建立的[6]。盤管模型可以抽象為一個2R1C模型，利用能量守恒公式，可得式（11）：

式中：Cc為總熱容，kJ/℃；Tc盤管內平均溫度，℃；Tair,in盤管進風溫度，℃；Tw,in盤管進水溫度，℃；R1空氣側傳熱熱阻，℃/kW；R2冷凍水側傳熱熱阻，℃/kW。

干工況時，總的傳熱熱阻R由如下公式求出[7]：

式中：NTU為傳熱單元數；ε為效能；Cmin為空氣側熱容Cair與冷凍水側熱容Cw的最小值，kJ/℃；Cmax為空氣側熱容Cair與冷凍水側熱容Cw的最大值，kJ/℃；Ra，Rm，Rw分別為空氣側，盤管金屬側，冷凍水側對流傳熱熱阻，℃·m2/kW；A為換熱面積，m2；Nrow為管排數，當Nrow大于2時，冷凍水與空氣的流動形式是逆流；當Nrow小于或等于2時，流動形式是交叉流。

濕工況時，先假設一組氣流，它的比熱與飽和濕空氣在溫度為盤管進風濕球溫度與盤管進水溫度平均值時的比熱相等。總的換熱熱阻R計算方法同干工況時一樣：

其中下標f表示流體，wt表示濕工況。

求出總的換熱熱阻后，空氣側換熱熱阻R1及冷凍水側換熱熱阻R2就可以通過公式求出：

式（11）～式（21）中，分別可以求出盤管內平均溫度Tc，空氣側傳熱熱阻R1，冷凍水側傳熱熱阻R2。盤管出口側的冷凍水溫度，空氣溫度則可以通過熱平衡公式求得。

式中：Tair,out為空氣側出風溫度，℃；Tw,out為盤管冷凍水出水溫度，℃；SHR為顯熱比。

2.4風機及水泵模型

風機在給定頻率下的輸出流量和功耗公式如下：

式中：f和fdesign為風機的即時頻率和工頻運行頻率（通常為50Hz）；M和Mdesign為風機的即時風量與設計風量，kg/s；P和Pdesign為風機的即時功耗與設計功耗，kW。

通過式（26）和式（27）分別計算風機傳熱給空氣造成的冷損失功耗和風機的實際出風溫度。

式中：η為風機效率；ξ為風機發熱到空氣中的系數；cair為空氣比熱，kJ/(kg·℃)。

水泵功率公式如下：

式中：g為重力加速度；H為水泵揚程。

2.5閥門模型

水流量隨閥門開度變化的特性曲線如圖5所示，特性曲線表明，當閥門開度（Pos）小于某一值（Posmin）時，水流量為最小流量（Qmin）；當閥門開度大于等于某一值（Posmax）時，水流量為最大流量（Qmax）；當閥門開度介于二者之間時，水流量由式（29）、式（30）求出：

圖5水流量隨閥門開度變化特性曲線

2.6執行器及傳感器模型

假設執行器加速非常快，流程圖如圖6所示。執行器模型還能通過DC的符號(DC為負號，表明執行器反轉，DC為0表明執行器不運行，DC為正號，表明執行器正轉)統計執行器的啟停次數。閥門的行程距離以及執行器的啟停次數可以反映閥門運行時的穩定性。

圖6執行器輸出計算流程圖

溫度傳感器模型采用時間常數法。時間常數是當給傳感器階躍輸入時，輸出達到變化穩定值的63.2%時間。根據傳感器測量端熱平衡方程[8]得出式（31）：

式中：y為測量變量的真實值；y'為傳感器輸出值；Tc為時間常數。

3 模擬分析

3.1模擬條件

根據上述建立的模型，以TRNSYS[9]作為仿真平臺建立了地鐵站空調系統，如圖7所示。使用該平臺分別模擬定風量控制、優先控制風機法、優先控制水閥法以及送回風溫度控制法，以比較系統能耗和運行情況。采用定風量控制法時，室內溫度設定值為29℃。采用優先控制風機法以及優先控制水閥法時，室內允許最高溫度Tmax為30℃，室內允許最低溫度Tmin為28℃，風機運行最大頻率50Hz，變風量系統分別對風機運行最低頻率為25Hz，30Hz，35Hz，40Hz，45Hz的情況進行模擬計算。采用送回風溫度控制法時，變風量系統分別對出風溫度設定值為13℃，14℃，15℃，

圖7變風量系統模擬平臺

3.2制冷季運行情況

制冷季從5月15日到10月15日，車站運行時間為5:00～23:00。結果如表1所示。

表1顯示，定風量控制下能耗最大。采用送回風溫度控制法時，隨著出風溫度設定值降低，風機功耗（送風機＋新風機＋回風機）逐漸下降而水泵功耗逐步上升，這是因為盤管的出風溫度是通過水閥控制的，要使出風溫度降低，水流量就得相應增大，因此水泵功耗會增大，水閥開度也就增大，水閥需要調整的次數及行程要少于出風溫度設定值較高的情況。表1還顯示，對于優先控制風機法與優先控制水閥法，在整個制冷季不同的運行情況大致相同。三種控制方法下總功耗最小的工況出現在送回風溫度控制法控制出風溫度為15℃的時候。

3.3不同控制方法綜合比較

隨著風機運行最低頻率降低，送風量減少，為了維持室內溫度，需降低送風溫度，而送風溫度過低會引起送風結露。為了綜合比較送風結露對不同控制方法下系統運行情況的影響，當不考慮送風結露時，送回風溫度控制下的出風溫度為15℃，最低頻率25Hz；優先控制風機法和優先控制水閥法的風機運行最低頻率為30Hz。當考慮送風結露時，設置送回風溫度控制下出風溫度為18℃，最低頻率25Hz；優先控制風機法和優先控制水閥法的風機運行最低頻率為45Hz。不同控制策略下，綜合統計表分別如表2、3所示。

表1變風量系統制冷季模擬結果表

表2不同控制方法綜合比較（不考慮送風結露）

表3不同控制方法綜合比較（考慮送風結露）

從上表可以看出，送回風溫度控制法下，室內溫度平均誤差均小于優先控制風機法與優先控制水閥法，表明能更好地維持室內溫度在設定值。三種控制方法下，在不考慮送風結露時全年能耗大致相當。當考慮送風結露時，三種控制方法的全年能耗均有所增加，但仍然低于定風量控制法，且兩種工況下，送回風溫度控制法最節能，節能率分別達到67.0%和55.9%。

4結論

本文以武漢地鐵2號線螃蟹甲站作為研究對象，采用模擬方法對變風量空調系統不同控制方法的能耗進行了分析研究，得到以下結論：

（1）針對無變風量末端的變風量系統，本文提出了3種控制方法，即送回風溫度控制法，優先控制水閥法以及優先控制風機法。建立了房間、風機、水閥、盤管和控制器等的數學模型，以TRNSYS為仿真平臺，搭建了地鐵站房變風量系統的模型，以比較3種控制方法與定風量控制下系統在制冷季節和全年的運行情況。

（2）模擬結果表明，優先控制水閥法與優先控制風機法效果基本一致，送回風溫度控制法較前者能更好地控制室內溫度，且在適當的出風溫度設定值下，能耗能達到最小，在不考慮送風結露和考慮送風結露情況下，節能率分別達到67.0%和55.9%。

（3）對于地鐵站的變風量系統，從維持室內溫度與節能的角度出發，采用送回風溫度控制法最為合適，在不考慮送風結露的條件下控制出風溫度在15℃，考慮送風結露條件下應控制出風溫度為18℃（建議風機運行最低頻率為25Hz）。

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Study on Control Sc he m e s of VAV Sys te m in Subw a y

LIU Jun,LIU Jian,CHE Lun-fei
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

Three control schemes applied to Variable Air Volume(VAV)system without VAV boxes are proposed. They are supply-return air temperature control scheme,water valve priority control scheme and fan priority control scheme.Take the air conditioning system of Pangxiejia station of Wuhan metro line 2 as the simulation object.The mathematical models of room,fan,water valve,coil and controller were established.TRNSYS was used as the simulation platform to build up the model of VAV system of subway station.The operational conditions of three control schemes were compared with those of constant air volume.The simulation results show that supply-return air temperature control scheme does relatively well in maintaining indoor temperature,whose energy consumption attains minimum in condition of proper supply air temperature.The energy conservation ratio reaches 67.0%and 55.9%, respectively,when supply air condensation is neglected and considered.

subway environmental control,VAV system,control scheme,energy consumption,TRNSYS

1003-0344（2014）05-010-6

2013-8-14

劉俊（1982～），男，博士，高工；武漢市武昌區和平大道745號鐵四院城地院暖通所（430063）；027-51156167；

E-mail:xqliujun@163.com