地鐵空調系統變頻節能分析

陸源清

地鐵空調系統變頻節能分析

陸源清

空調系統的變頻節能控制可有效提高資源的利用效率，文章通過分析空調各換熱環節的換熱過程，提出了基于功率偏離的空調節能分析方法；通過具體案例分析了空調各設備的變頻節能效果，提出了優化建議。

地鐵；空調系統；變頻；節能優化

地鐵是大運力、高耗能的地下交通工具，地鐵空調系統耗能約占地鐵總能耗的40%，且絕大多數時間處于選型負荷的60%以下運行。因此，地鐵空調系統的能耗控制，可以有效提高資源的利用效率，具有重要的經濟效益和社會效益。地鐵空調負荷變化大，采用變頻技術對空調設備進行調節是一項有效的節能技術措施。

1 地鐵空調工作原理

圖1 空調系統原理

典型地鐵空調系統主要由水冷螺桿式冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、組合式空調器（AHU）組成，冷水機組的蒸發器側與冷凍水換熱為組合式空調器提供冷源，冷水機組的冷凝器側與冷卻水換熱，然后通過冷卻塔實現與室外的高溫熱源的換熱，其工作原理如圖1所示。根據典型地鐵車站空調系統原理，地鐵車站公共區可以采用變流量和變風量的措施來實現空調系統的節能控制。隨著站內熱濕負荷和站外空氣參數的變化，通過變頻調節AHU風機的轉速來改變送風量，以滿足站內乘客及工作人員的舒適性要求；通過冷水機組變容量、水泵一次泵變流量來匹配末端負荷。

2 變頻節能控制目標

涉及空調能耗的主要有冷卻塔風機、冷卻水泵、壓縮機、冷凍水泵和AHU風機的功耗，為了便于節能分析，定義空調對應設備的標準工況功率、功率消耗占比和功率偏離比率，如表1所示。空調系統總的功率偏離比率 λ 按式（1）計算，式（1）中參數見表1：

由式（1）可見，變頻節能控制目標就是在不同的工況下，如何控制不同的設備運轉狀態，從而使整個空調系統達到最佳的節能效果，即，設備總的功率偏離比率 λ 最小。為了便于分析，定義如下的偏離比率：

表1 標準工況功率、功率消耗占比和功率偏離比率

3 地鐵空調換熱分析

3.1 冷卻塔換熱分析

冷卻塔是利用空氣與水的接觸（直接或間接）來冷卻水進而達到散熱目的的設備。冷卻塔的干、濕球溫度和進、出水溫度及其對應關系如圖2所示。

圖2 冷卻塔溫度對應關系圖

根據換熱量公式，可以得到冷卻塔熱量偏離比率，如式（2）所示：

由式（2）可以看出，當室外濕球溫度一定的情況下，冷卻水進出水水溫越高，熱量偏離比率也越大。

3.2 冷卻水換熱分析

根據比熱法傳熱方程，冷卻水一般工況和標準工況下的換熱量如式（3）：

一般而言，冷卻水泵軸功率與冷卻水流量成三次方關系，則熱量偏離比率如式（4）：

由式（4）可以看出，冷卻水進出水溫差越大，熱量偏離比率越大，冷卻水的水流量對水泵的軸功率影響非常大。

3.3 冷凝器換熱分析

冷凝器進水溫度、出水溫度、冷凝溫度及其對應關系如圖3所示。根據傳熱方程，對應的熱量偏離比率就可以由式（5）計算得到：

圖3 冷凝器溫度對應關系圖

由式（5）可以看出，冷卻水進出水溫度越高，熱量偏離比率越大。

3.4 蒸發器換熱分析

冷凍水進水溫度、出水溫度、蒸發溫度及其對應關系如圖4所示。同樣地，假設換熱系數在一定范圍內是常數，則蒸發器換熱量就只與換熱溫差有關，對應的冷量偏離比率就可以由式（6）計算得到：

圖4 蒸發器溫度對應關系圖

由式（6）可以看出，冷凍水進出水溫度越高，冷量偏離比率越大。

3.5 冷凍水換熱分析

根據比熱法傳熱方程，冷凍水一般工況和標準工況下的換熱量如式（7）：

同樣地，設冷凍水泵軸功率與冷凍水流量成三次方關系，冷量偏離比率如式（8）：

由式（8）可以看出，冷凍水進出水溫差越大，冷量偏離比率越大，冷凍水的水流量對水泵的軸功率影響非常大。

3.6 AHU空調器換熱分析

AHU空調器冷凍水進水溫度、送、回風溫度及其對應關系如圖5所示。根據傳熱方程，冷量偏離比率就可以表示為式（9）：

圖5 AHU溫度對應關系圖

同樣地，設送風機軸功率與風量成三次方關系，則冷量偏離比率如式（10）：

由式（10）可以看出，室內溫度和送風溫度越高，AHU的換熱溫差越大，冷量偏離比率越大，風量對AHU的軸功率影響非常大。

3.7 壓縮機換熱分析

由式（12）可以看出，當冷凝溫度與蒸發溫度的溫差越大，壓縮機的功率偏離率就越大。

4 變頻節能過程

根據上述的分析，變頻節能的優化過程就是在設備標準工況、冷負荷已知的基礎上，根據不同濕球溫度的設定，通過換熱分析公式得到最小功率偏離率下的冷凝溫度、蒸發溫度、冷卻水及冷凍水進出水溫度和各設備功率偏離比率等空調參數，進而得到各設備最佳的運行參數。變頻節能最優化下的功率偏離率λ的優化過程如下（如圖6所示）：

（1）在設備標準工況、冷負荷已知的情況下，就可以計算得到標準工況下的相關參數

5 工程應用分析

無錫地鐵車站一般為地下2層島式站臺車站，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，站廳和站臺公共區面積約為2 300 m2。車站公共區大系統的冷凍水由設于本站站廳端部的冷水機房提供，冷水機房內設2臺水冷螺桿式機組，冷卻水泵、冷凍水泵各3臺（2主1備），2臺冷卻塔設于車站端部新風井附近。在供回水總管間設置壓差旁通控制裝置，保證冷水機組的最小流量要求。冷水機組、末端裝置的進出水管之間均設連通管，以方便系統管道的沖洗。車站空調水系統采用節能控制系統，通過對AHU、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔變頻調節，對冷水機組運行進行系統優化控制，達到空調水系統整體運行效率最高。

圖6 變頻節能優化過程

以下分別針對溫度不變情況下的變頻節能、冷凝溫度降低情況下的節能以及蒸發溫度降低情況下的節能等3種情況進行分析。

5.1 溫度不變情況下的變頻節能分析

首先分析冷水機組冷凝溫度和蒸發溫度不變情況下，變流量、變風量等變頻技術對空調系統的節能效果。根據節能優化過程以及換熱公式，可以得到在不同冷負荷需求下（0.2≤≤1）所有設備全變頻、A H U/冷卻水/冷凍水變頻、AHU/冷凍水變頻、AHU變頻及所有設備均不變頻等5種情況下的最優功率偏離比率，如圖7所示。圖7中，0號曲線代表AHU、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行，1號曲線代表AHU、冷卻水泵、冷凍水泵變頻運行，2號曲線代表AHU、冷凍水泵變頻運行，3號曲線代表AHU變頻運行，4號曲線代表所有設備均不變頻運行。

從圖7可以看出，當采用5種不同的變頻控制策略時，空調系統的最小功率偏離率均隨著冷量偏離比率的降低而降低，當越多的設備變頻運行時，越低。通過對0號曲線和1、2號曲線比較可以發現，冷卻塔變頻運行時，對影響較小，因此，通過對冷卻塔的變頻控制所達到的節能效果較小；對比2、3號曲線可以發現，通過對冷凍水泵的變頻控制所達到的節能效果比較明顯；對比3、4號曲線可以發現，通過對AHU的變頻控制所達到的節能效果最為明顯。可見，AHU變頻的節能效果最佳，冷凍水泵變頻的節能效果其次，冷卻水變頻的節能效果并不明顯，且存在工況不穩定的風險。

5.2 冷凝溫度降低情況下的節能分析

在空調各設備變頻的基礎上，輔以冷凝溫度降低的措施，有助于能耗的進一步降低。根據節能優化過程以及換熱公式，可以得到在不同冷負荷需求下設備變頻、蒸發溫度不變情況下，冷凝濕度不變與冷凝溫度降低2種情況下的最優功率偏離比率，如圖8所示。圖8中，0號曲線代表蒸發溫度和冷凝溫度均不變，且A H U、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行，1號曲線代表蒸發溫度不變，冷凝溫度降低，且AHU、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行。

從圖8可以看出，當采用這2種不同的變頻控制策略時，空調系統的最小功率偏離率均隨著冷量偏離比率的降低而降低。通過對0號曲線和1號曲線比較可以發現，當較大時，通過降低冷凝溫度而達到的節能效果非常小；當較小時，通過降低冷凝溫度而達到的節能效果也不甚明顯。可見，冷凝溫度降低的節能效果并不明顯。

圖7 溫度不變工況下的節能分析

5.3 蒸發溫度降低情況下的節能分析

蒸發溫度降低情況下的節能見圖9，圖9中，1號曲線代表蒸發溫度和冷凝溫度均不變，且AHU、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行；2號曲線代表蒸發溫度變化，冷凍水水溫變化，冷凍水泵、AHU變頻運行；3號曲線代表蒸發溫度變化，AHU變頻運行；4號曲線代表蒸發溫度、冷凝溫度不變，所有設備均不變頻運行。

從圖9的比較可以看出，當采用這4種不同的控制策略時，空調系統的最小功率偏離率均隨著冷量偏離比率的降低而降低。通過對比1、2號曲線可以發現，當采用這2種控制策略時，節能效果并不明顯，這說明蒸發溫度的變化對系統的節能效果非常小；對比2、3號曲線可以發現，冷凍水水溫變化對系統的節能效果影響非常小；對比1、2、3號曲線與4號曲線可以發現，通過對風系統和水系統的設備進行變頻可以達到較好的節能效果。可見，蒸發溫度提高的節能效果同樣不明顯。

圖8 冷凝溫度降低的節能分析

圖9 蒸發溫度降低的節能分析

6 結論及建議

本文通過空調各換熱環節換熱過程的分析，給出了基于功率偏離率的空調節能優化過程。通過對無錫典型地鐵車站空調各設備在標準工況不變條件下的變頻效果及冷凝溫度和蒸發溫度降低下的變頻效果比較分析，提出如下變頻節能建議：

（1）建議冷卻水水泵、冷卻塔在額定工況下運行；

（2）對冷凍水水泵、AHU采用變頻技術進行節能控制；

（3）在變頻節能控制過程中，建議冷凝溫度和蒸發溫度按照設計工況進行控制。

[1] 楊昭, 余龍清, 馬鋒, 等. 地鐵空調系統的逐時優化節能控制策略[J].天津大學學報, 2012, 45(7).

[2] 王峰. 地鐵空調系統變頻節能研究[D]. 四川成都： 西南交通大學, 2007.

[3] 劉長鳴. 地鐵空調系統組成與變頻技術的應用[J]. 制冷與空調, 2008, 22(5).

[4] 趙宇, 孫建新, 李婧, 等. 一次泵變流量系統在地鐵空調系統中的設計與節能分析[J]. 應用能源技術, 2008(1).

[5] 滕柏華, 王治學. 地鐵空調水系統的節能控制[J]. 智能建筑, 2009, 22(7).

[6] 俞炳豐. 中央空調新技術及其應用[M]. 北京： 化學工業出版社, 2005.

責任編輯 朱開明

Analysis of Energy Saving by Variable Frequency in Metro Air Conditioning System

Lu Yuanqing

The energy saving control of air conditioning system can effectively improve the utilization efficiency of resources. The paper analyzes the heat exchange process of the air conditioning system, and puts forward some optimized recommendations on the energy saving analysis method based on the variable power by case analyzing the variable frequency energy saving effect of the whole air conditioning system.

metro, air conditioning system, variable frequency, energy saving optimization

U231.5

2015-09-11

陸源清：無錫地鐵集團有限公司建設分公司，工程師，江蘇無錫 214000