新型地鐵空調系統變負荷運行的節能優化控制研究

彭景華，李峰，梁暉，陳劍楠，曹蕾

新型地鐵空調系統變負荷運行的節能優化控制研究

彭景華1，李峰2，梁暉1，陳劍楠3，曹蕾3

（1.廣東西屋康達空調有限公司，廣東佛山528216；2.廣州大學建筑節能研究院，廣東廣州510006；3.熱科學與動力工程教育部重點實驗室，清華大學熱能工程系，北京100084）

今后的二三十年是我國城市地鐵交通發展的高峰期，地鐵車站通風空調系統是整個地鐵工程的重要組成部分。本文以提高地鐵環控系統節能整體方案，提出一種新型的冷媒直接蒸發空調系統，并在此基礎上提出了空調系統變負荷時，基于系統最小能耗的節能控制方法。結果表明，基于最小系統能耗的節能控制方法可以大大提高空調系統在部分負荷時的能效比，減小系統能耗。

新型地鐵空調系統；節能控制；最小能耗；能效比

0 引言

地鐵作為一個城市的標志性公共基礎設施，人員活動密集，今后的二三十年是我國城市地鐵交通發展的高峰期。地鐵車站通風空調系統是整個地鐵工程的重要組成部分，不僅為人員提供必須的安全、衛生、舒適的環境條件，同時也為列車及設備的運行提供必要的環境條件。軌道交通的快速發展在一定程度上緩解了城市化進程中的交通壓力。但其能耗都相當驚人，其中地鐵車站通風空調系統能耗占了相當大的比例。根據實驗分析統計，如果采用屏蔽門制式，通風空調用電量約占整個系統的1/3，如采用閉式系統，這一比例甚至達到了50%。因此優化設計地鐵環控系統，減少能源消耗，降低環控系統運行費用，成為一個值得關注的重要課題。

在中央空調系統設計中，冷水機組一般是根據最大負荷來選型，然而對于大部分建筑而言，空調系統的負荷會隨著環境溫度的變化及建筑使用的變化而改變[1，2]。以北京地區夏季負荷為例：5～9月空調共運行2880h，1個空調季節中建筑物配用的冷水機組98%的時間負荷率在70%以下[3]。因而中央空調系統在部分負荷下的節能優化控制就顯得特別重要。有研究表明，中央空調系統存在的節能潛力跟系統實際運行負荷的大小有關，實際負荷越小，系統的節能空間越大，在通常的空調負荷分布情況下，節能率可達25.1%[4]。

地鐵車站中央空調的負荷更比一般建筑有著自己的特點。屏蔽門系統模式下，地下車站可視為一個相對封閉的地下箱形建筑。其熱濕負荷由機電負荷、人體熱濕負荷、圍護結構負荷及其他不確定空調負荷組成。由于地鐵內人員流動性大且隨時間分配并不平均，因而地鐵車站中央空調的負荷動態變化要比一般建筑物中央空調還要顯著。因而對于地鐵車站中央空調系統來說，其在變負荷運行中的性能及節能優化就顯得更為重要。

國內工程技術和科研人員對大型公共建筑空調系統節能優化運行進行了大量的研究工作，趙廷法等人以中央空調能耗模型為基礎，根據VAV中央空調系統各設備能耗數學模型，并綜合考慮VAV中央空調各設備之間的耦合關系，利用Matlab中的Simulink工具箱建立了反映VAV中央空調運行過程中各變量與系統能耗之間關系的仿真模型進行仿真，并對仿真結果進行了分析驗證，但仿真計算結果存在比較大的偏差[5]。

中央空調系統的能耗主要來源于幾大動力設備的的電耗：壓縮機、冷凝器側冷卻水泵以及蒸發器側的風機或者水泵。響中央空調系統能耗的重要因素包括環境、建筑、設計參數以及系統的運行維護管理等。目前，減少中央空調系統能耗的具體方法主要包括：1）降低建筑物冷負荷的需求；2）優化暖通空調系統設計；3）系統及其部件的優化控制；4）提高制冷機組的工作效率；5）采用變風量、變水量系統；6）利用自然通風或回風節約空調系統的能耗[6]。上述辦法都能從不同程度上節約系統的能耗，但從中央空調系統的運行原理可知：改變中央空調運行的經濟性才是本質的，使中央空調系統在任何工況下都運行在最節能的工作點上的優化控制才是最有效的?？照{系統處于部分負荷時，如果幾大動力設備仍按照額定負荷下的參數運行，將造成相當大的能量的浪費。變水量與變風量同時控制的中央空調節能控制系統能夠解決中央空調系統中水泵、風機定速運行時的能源浪費問題，基于西門子大中功率變頻器的冷凍水、冷卻水變水量節能子系統，與基于通用小功率變頻器的風機盤管變風量節能子系統，具有良好的空調節能效益和房間溫度控制效果，但對如何確定控制策略，仍然沒有詳細的研究[7]。目前大量的研究都只針對三大主機的某一部件的變負荷運行時的節能控制，如變冷卻水流量或變冷凍水流量，然而對于空調系統內整個閉式熱力循環，某一設備的變化必然引起整個熱力循環的變化，三大設備必須聯動調節，整體控制，才能起到節能優化的目的。

本文針對目前城市軌道交通能耗大，能源利用效率較低的現狀，本項目以縮小地鐵車站規模、減少工程投資為出發點，提出一種新型的冷媒直接蒸發空調系統，并在此基礎上研究了空調系統變負荷時，冷卻水流量、壓縮機容量以及風量共同協調的基于最小能耗的優化控制方法。

1 地鐵站廳一次回風冷劑直接蒸發組合式空調機組

目前國內外的地鐵空調大系統一般都采用空調冷水作為中間載冷劑，冷水機組產生7/12℃的冷水，輸送至空氣處理機組，常規的地鐵空調系統主要采用一次回風組合式全空氣系統，即站廳回風和新風混合在空調箱中進行集中處理后，再通過風管送入地鐵站廳，空調箱承擔全部空調負荷和新風負荷。冷水機組通過水系統送出7℃冷凍水，至組合式空調機組的表冷器與空氣熱濕交換，冷凝去濕，將被處理空氣處理低至室內露點溫度（也必然低于室內干球溫度），進行熱濕處理，使其能夠同時去除室內的余熱量和余濕量，表冷器的出水為12℃再回到冷水機組循環冷卻。其系統原理如圖1所示。

圖1 常規地鐵站廳一次回風組合式空調系統原理圖

此空調系統主要采用冷水作為載冷劑由冷水泵從冷水機組輸送冷量到空調機組，是民用建筑常用的空調設計方法，對于建筑物內有大量房間的縱多風機盤管是較好的空調方案，水冷表冷器技術成熟，但空調冷水系統的控制調節比較復雜，機房設置有制冷機房及空氣處理機房，冷水系統消耗了大量的輸送能耗。

圖2 地鐵站廳一次回風冷劑直接蒸發組合式空調機組系統原理圖

本課題組根據地鐵空調長期研究，以及地鐵空調實時負荷變化規律，研發并設計了新一代地鐵空調，新型的地鐵車站通風空調包括冷卻塔，冷卻水系統和冷媒直接蒸發空調機組，與傳統的城市軌道交通空調相比較，減少了冷凍水系統，冷水機組，而壓縮機和殼管式冷凝器優化組合成壓縮冷凝部分，整個空調制冷系統簡單簡潔。通過壓縮機制冷，采用直接蒸發形式，將制冷劑對混合進行降溫除濕，冷凝熱通過冷卻水泵和冷卻塔向室外的空氣中散熱，完成整個制冷過程，其系統原理如圖2所示。

2 建立系統模型

空調系統內的制冷劑通過空調系統的動力設備以及換熱設備完成制冷循環，制冷循環的原理圖如圖3所示。

圖3 制冷循環原理圖

1-2是制冷劑的壓縮過程，在壓縮機中完成，2-3是在冷凝器中的冷凝過程，3-4是節流過程，1-4是在蒸發器中的蒸發過程。由圖可見，熱力循環曲線首尾相連，制冷劑的實際循環受到壓縮機、蒸發器以及冷凝器的共同控制，也就是說這三個設備中每個設備的工況變動都會引起整個熱力循環的變化，比如蒸發器側風量減小，會導致蒸發器傳熱系數降低，蒸發器換熱量減小，蒸發溫度降低，進而影響制冷劑在壓縮機中的狀態，使壓縮過程產生變化，影響壓縮機的功耗以及壓縮機排氣參數，進而影響冷凝溫度。所以，在研究空調系統部分負荷時的節能優化控制時，以往研究中單獨研究變冷凍水流量、壓縮機變頻或者變冷卻水流量的節能控制是不全面、不符合實際工況的，必須將壓縮機、冷凝器、蒸發器統分別建立模型，統一到整個空調系統中去綜合分析，才能得到實際中可以實現的節能優化控制策略。

本文以西屋康達ZK-180空調機組為例，對空調系統的壓縮機、蒸發器、冷凝器以及冷卻水泵和風機建立模型，進行了部分負荷下的節能優化控制分析。ZK-180機組的設備型號以及額定工況參數見表1。

表1 ZK-180機組設備參數

變風量、變冷卻水流量以及壓縮機變頻調節空調機組性能并不關注機組的動態變化過程，而是關心調節工況下的能耗，因而本文采用分布集總參數法建立空調系統的穩態模型。

2.1 壓縮機模型

壓縮機的型號為CSR140-AW，額定工況下吸氣溫度為9.5℃，排氣溫度為38℃，過熱度、過冷度均為5℃。對于一款選定的壓縮機來說，其制冷能力即負荷只與制冷循環的冷凝溫度TC、蒸發溫度TE以及壓縮機的能力容調x有關。這款壓縮機是無級調節的，其x值可在0到1范圍內調節。當x=1時，壓縮機在此狀態下滿載運行，其制冷量為Q0100，同一熱力狀態任意能力容調下的制冷量Q0=x·Q0100。

能力容調x=1時，壓縮機的制冷能力Q0100以及壓縮機的電功耗PC100是冷凝溫度與蒸發溫度的函數：Q0100=f（TE，TC），PC100=g（TE，TC）。利用實測數據，可以對這兩個函數進行多項式擬合，擬合多項式如下：

擬合結果見表2。

表2 擬合性能曲線表

任意能力容調下的壓縮機電功耗PC也可以通過類似Q0=x·Q0100的方法由PC100得到，擬合關系式如下：

2.2 蒸發器模型

本文研究的機組選定的蒸發器是翅片式蒸發器，制冷劑在管內蒸發吸熱，管外空氣在風機作用下強迫對流放熱，這是一個典型的換熱器換熱過程。蒸發器的換熱量為：

式中Q—蒸發器換熱量，W；

K—蒸發器傳熱系數，W/m2·K；

F—蒸發器換熱面積，m2；

ΔT—對數平均溫差，K。

式中Twin—回風溫度，K；

Twout—送風溫度，K。

傳熱系數K由三部分組成：

式中αae—空氣側肋管外表面的當量放熱系數，W/m2·K；

Rf—管壁和垢層的附加熱阻，m2·K/W；

αb—管內換熱系數，W/m2·K。

式中ηf—濕工況下的肋片效率；

A—每米管外表面的換熱面積，m2；

Af—每米管長的肋片面積，m2；

Ap—每米管外表面換熱面積，m2；

αw—管外空氣側換熱系數，W/m2·K。

式中c1，c2—系數；

λ—空氣的導熱系數，W/m·K；

de—與尺寸相關的空氣流通斷面當量直徑，m；

其中參數均為已知。

因而對于空調系統中的確定型號的蒸發器，其實際換熱量Q0e是蒸發溫度、風量、回風及送風溫度的函數Q0e=fe（TE，Gw，Twin，Twout）。

2.3 冷凝器模型

冷凝器與蒸發器在換熱過程的原理上是相同的，都是典型的換熱器的傳熱過程，因此二者的建模過程也是類似的，在這里不再贅述冷凝器的建模，僅給出最終的結果。

冷凝器的換熱量Qcc是冷卻水流量Gcw、冷凝溫度Tc、冷卻水進出口溫度Tcwin、Tcwout的函數：Qcc=fe（Tc，Gcw，Tcwin，Tcwout）。

2.4 冷卻水泵以及風機的運行特性

在尺寸比例不是太大的情況下，可以認為模型泵和原型泵的效率是相等的，則可以得到水泵及其裝置的相似定律如下：

其中風速v可由確定工況下的風量Gw得到。

式中G，P—泵的流量和功率，m/s，kW；

λL—尺寸比例因子，下標P和M分別指原型和模型。如果泵的相應尺寸相同（或指同一臺泵），則不同轉速n下的相似定律公式為：

式中G1，P1—水泵實際工況下的流量和功率，m3/s，kW；

G0，P0—水泵在額定工況下的流量和功率，m3/s，kW。

根據實測數據，建立水泵模型為：

風機與水泵類似，建立模型為：

3 空調系統的節能優化控制方法

為了保證舒適性與經濟性，給出地鐵空調系統的回風溫度與送風溫度Twin=28℃，Twout=17.8℃。由蒸發器側的換熱可知制冷量Q0應與空氣放熱量等，即：Q0=Gwρ風量與制冷量確立起一一對應的關系。蒸發器側的換熱應有Q0=Q0e，同理冷凝器側的換熱應有：QC=QCC=GcwρcwCcw（Tcwout-Tcwin）。因為在外界環境不改變的情況下，冷卻水的進水溫度基本保持不變：Tcwin=30℃，冷卻水的出水溫度是隨著制冷循環的狀態的變化而變化的。

綜合第二部分建立的模型有：

由制冷循環可知冷凝負荷等于制冷量與壓縮機耗功之和，因而有：

同時制冷循環是一個閉式循環，制冷劑在循環過程中遵循質量守恒，因而有蒸發過程的質量流量等于冷凝過程的質量流量：ge=gc。其中標1、2、3、4對應于圖3中的狀態點，可由蒸發溫度與冷凝溫度推得，因而有：

聯立各式即可解得此空調系統在某一特定負荷Q0下所有可能存在的工況。每一種工況都會對應一個制冷循環狀態以及風量和冷卻水流量，由這些工況參數即可求得壓縮機的電功耗、水泵的功耗以及風機的功耗，有特定工況下的總功耗為：Psum=Pp+PC+Pf，能效比

空調系統在變負荷時的節能優化控制思想就是在某一負荷下，所選取的工況狀態對應的總功耗最小，能效比最大。也就是說利用模型，可以解得某一負荷下的所有可能存在工況狀態{S1，S2…Sn}，進而求得每一工況狀態對應的功耗和能效比：{Psum1，Psum2…Psumn}、{EER1，EER2…EERn}。功耗集合中的最小值及能效比集合中的最大值所對應的工況狀態就是此負荷下的最優節能控制點。

本文利用這一方法，對ZK-180機組從50%負荷到100%負荷的運行狀態進行最優節能控制分析，并與不使用節能控制方法的定流量狀態下的結果以及傳統的定溫差控制冷卻水流量和定冷凝溫度控制方法的結果進行了對比分析。

圖4 系統總功耗對比

圖5 系統能效比EER對比

由圖4可以看出，在相同負荷下，節能控制的總功耗低于定流量運行和常規變流量運行的總功耗。與定流量相比，當系統負荷降低時，蒸發器側和冷卻水側均采用變流量運行，流經機組的風量、冷卻水流量減小，導致蒸發器和冷凝器的換熱性能降低，使空調機組的性能變差，機組的功耗增加，但是優化運行使得風機和冷卻水泵的功耗大大減小，系統的總功耗也減小；與常規的變流量方式相比，基于最小能耗的節能控制則使得空調機組壓縮機功耗與水泵功耗和風機功耗達到最佳匹配，而不是只單純的隨負荷同比例的減少水流量，使得系統在降低水泵功耗的同時導致空調機組的性能變得較差。由圖5可以看到，采用節能控制的能效比也遠優于定流量和常規變流量運行的性能系數，特別是負荷率越低，節能的效果越明顯。負荷率為0.5時，定流量運行方式的能效比僅為4.0，而基于最小能耗的節能控制運行方式的能效比高達5.2，提高了30%，系統總功耗比定流量時減小了3kW，功耗減小了30%。由以上分析可以看到，采用節能控制運行可以使水泵功耗、風機功耗和壓縮機的功耗達到最佳匹配，使系統性能達到最佳，運行能效最高。

4 結語

對地鐵的站廳空調系統來說，其用冷點單一，需要輸送冷量的地方，只有站廳兩端的空調機房，以縮小地鐵車站規模、減少工程投資為出發點，提出一種新型的冷媒直接蒸發空調系統。

地鐵空調系統常工作在負荷變動的環境下，部分負荷下的空調機組有著很大的節能潛力。本文針對這一問題，提出了基于系統最小能耗的節能控制方法，發現采用節能控制的能效比也遠優于定流量和常規變流量運行的性能系數，特別是負荷率越低，節能的效果越明顯。負荷率為0.5時，定流量運行方式的能效比僅為4.0，而基于最小能耗的節能控制運行方式的能效比高達5.2，提高了30%，系統總功耗比定流量時減小了3kW，功耗減小了30%。

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[2]Y P Zhou，J Y Wu，R Z Wang，et a1.Energy simulation the variable refrigerant flow air-conditioning system under cooling conditions[J].Energy and Buildings，2007，39：212～220.

[3]丁云飛.部分負荷性能對冷水機組運行能耗的影響評價[J].節能，2000，20（1）：3～6.

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Study of Energy Control Strategy for a Novel Subway Air Conditioning System under Various Load

PENG Jing-hua1，LI Feng2，LIANG Hui1，CHEN Jian-nan3，CAO Lei3
（1．Guangdong Siukonda Air Conditioning Co.，Ltd，Foshan 528216，China；2.Guangzhou University Building Energy Research Institute，Guangzhou 510006，China；3.Department of Thermal Energy and Power Engineering Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The urban rail transit system will be fast developed in decades in our country.The subway environmental control system plays an important role in the subway engineering.A novel coolant-direct-evaporation air conditioning system is presented to save land resource and money.The article presents an enhancement on energy-saving of metro coop-control system.The energy control strategy based on minimum energy consumption for various load of the system is researched.The result shows that the energy control strategy based on minimum energy consumption improves the energy efficiency ratio and reduce the system power consumption greatly in part load.

novel subway air conditioning system；energy control；minimum energy consumption；EER

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.019

TU831

B

2095-3429（2015）01-0081-06

2014-11-27

修回日期：2015-03-18

2013年廣東省產學研資助項目，No.20130902.