地鐵空調水系統節能控制研究

Research on the Energy Saving Control for Subway Air－conditioning Water System

金國建1，2，3，4　李亞芬1，2，3，4　　高學金1，2，3，4　　王　普1，2，3，4(北京工業大學電子信息與控制工程學院1，北京　100124;數字社區教育部工程研究中心2，北京　100124;城市軌道交通北京實驗室3，北京　100124;計算智能與智能系統北京市重點實驗室4，北京　100124)

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地鐵空調水系統節能控制研究

國家自然科學基金資助項目(編號:61174109、61364009)。

修改稿收到日期:2015－04－30。

第一作者金國建(1989－)，男，現為北京工業大學控制工程專業在讀碩士研究生;主要從事地鐵通風空調節能優化方面的研究。

0　引言

隨著現代經濟的不斷發展和城市化趨勢，城市中車輛逐漸增多，人口迅速增長，導致了交通擁擠、環境污染等一系列問題，引起了世界各國的高度重視。地鐵作為一種快速、高效的交通方式，能夠有效改善地面交通狀況，是解決城市道路交通阻塞和居民乘車困難的有效途徑，并且可以帶來顯著的社會效益和經濟效益。

通風空調系統作為地鐵車站的一個重要組成部分，其能耗約占地鐵總能耗的30%～40%［1－3］。其主要原因是系統在最初設計時，一般按照遠期最大負荷預測設計并且留有一定的富裕量［4］。然而，空調系統在日常運行時，長時間在部分負荷情況下運行，形成“大馬拉小車現象”，造成了嚴重的能量浪費。

地鐵空調水系統運行方式為一次泵定頻末端閥門變流量運行，系統僅僅依靠末端閥門開度控制水流量，而水泵始終在額定工況下運行，大量能量浪費在閥門，使得水泵不節能。

變頻技術作為一種有效的節能方式，在建筑空調系統中已經得到廣泛應用［5］，但在我國已經建成的地鐵空調水系統中卻很少應用。隨著能源日益緊缺，地鐵空調水系統采用新技術節能就顯得尤為重要。如果可以把變頻節能方法應用到地鐵空調水系統中，將會大大減少系統的能耗，節省大量的資源。本文針對冷凍水系統，提出基于前饋－反饋變溫差控制策略的一次泵變頻調節方式，并在TRNSYS仿真平臺進行實驗，驗證了節能效果。

1　變流量基本理論

1.1變流量系統基本原理

根據熱力學第一定律，變流量系統基本原理可以表述為:

式中: Q為系統冷負荷; C為冷凍水定壓比熱; W為冷凍水流量;Δt為冷凍水供回水溫差。

由熱力學第一定律可知，在冷凍水系統中，可以根據實際冷負荷Q的大小調整冷凍水的流量W或者冷凍水供回水溫差Δt。當系統冷負荷變化時，為保證式(1)的平衡，系統也必須相應改變冷凍水的流量W或者供回水溫差Δt。

當保持冷凍水流量W不變，只改變供回水溫差Δt時，就是傳統意義上的定流量系統，也就是目前地鐵所采取的方式。這種方式水泵不節能，存在嚴重的能量浪費。當保持冷凍水供回水溫差Δt不變，通過改變冷凍水流量W來滿足實際冷負荷變化需要，就是所謂的變流量系統。本文在變流量基礎上，對冷凍水干管供、回水溫度采取變溫差控制策略，并進行節能分析。

空調冷凍水系統的變流量運行是通過改變水泵的轉速來實現的，即水泵的變頻調節。通過變頻器改變電機輸入頻率，進而改變轉速，控制水流量，如式(2)所示［6］:

式中: n為轉子轉速，r/min; f為電源頻率，Hz; s為異步電機的轉差率; p為電動機的磁極對數。

由于在水泵運行過程中電動機的磁極對數、電機轉差率基本不變，故水泵轉速正比于電源頻率。因此，通過改變電源頻率就可以實現水泵調速，進而達到調節水流量的目的。

根據水泵的相似定律，在相似工況的條件下，水泵的轉速、流量、揚程和功率之間存在以下關系［7－8］:

式中: Q為水泵的流量，m3/s; H為水泵的揚程，m; P為水泵的功率，W; n為水泵的轉速，r/min。下標0為水泵額定工況下的參數;下標1為水泵在轉速n1下的參數。

將式(3)代入式(5)，有:

由式(6)可知，在不改變水力管網特性的情況下，水泵所消耗的功率與流量的3次方成正比。因此，在滿足末端冷負荷需求的前提下，適時降低水泵轉速，就可以節約更多的能耗。

1.2變流量水系統類型

變流量水系統類型主要有3種，分別為定轉速一次泵系統、一次泵定流量二次泵變流量系統、變頻一次泵系統。

定轉速一次泵系統中，水泵定轉速運轉，供回水主管之間加裝用于調節流量的旁通管，依靠電動調節閥調節流量。這種系統初期投資小，結構簡單，便于維修，我國空調系統中50%左右的水系統都是采用了這種形式［9］。但是這種系統存在的主要問題是:在部分負荷下，水流經旁通管路回水，總流量保持不變，水泵以額定轉速運行，并不節能。

一次泵定流量二次泵變流量系統中，冷水機組、一次定速泵以及旁通管路組成一級環路，由一次泵提供循環所需能量，保證冷水機組安全流量;由二次變速泵、末端空調設備和旁通管路組成二級環路，保證末端負荷所需冷水流量。這種系統的優點是可以保證冷水機組的高效運行，滿足空調末端負荷的變化需求，并且調節靈活方便。但是這種系統也存在著一定的缺陷:大部分冷水機組70%以上時間是運行在低于60%設計負荷工況下的［10］，這就造成了一次/二次環路流量的不同，從而引起機組效率降低，這會很大程度上影響整個空調系統的運行能效。

變頻一次泵系統采用的是一次泵變速調節，即冷水循環泵直接變頻控制。隨著冷水機組技術的發展，使得冷水機組可以隨著負荷變化自動調節運行狀況，保持高效率運行［11］。這種變頻一次泵與定轉速一次泵相比，只是在水泵上添加了變頻器以控制流量，相比較于地鐵水系統所采取的定轉速調節方式改造方便、投資小，且只對運行調節和控制有一定需求。基于以上原因，本文選擇采取一次泵變頻方式進行研究。

1.3變流量水系統控制方式

變流量水系統的控制方式主要分為3種，分別為閥門開度控制、壓力控制以及溫度控制。

閥門開度控制是以歷史數據作為參考制作規則表，依靠閥門開度大小來調節流量的控制方式。這種方式只是依據一定的規則表來進行閥門開度的調節，并不是依據末端實際需要冷負荷來實時調節流量，不能很好地反映實際冷量的需求，且水泵始終以額定工況運行，浪費大量能源。

在空調系統中，以供回水壓差作為變水量系統控制信號的稱為壓差控制。壓差控制主要分為干管定壓差和末端定壓差兩種方式［12－13］。在壓差控制系統中，由于水泵不滿足相似定律，因此水泵功率與流量的3次方成正比的結論不再成立，節能效果會大打折扣。在實際運行中，考慮到不同的工況、電機的效率等情況，水泵能耗還要增大。

以水系統干管供水溫度、回水溫度的差值作為控制信號的控制方法稱為溫差控制［14］，溫差示意圖如圖1所示。

圖1　干管溫差控制示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature difference control of main pipe

由于溫差控制只是測量水溫，對水力系統沒有影響，使得水系統始終保持在相似變換的狀態下。當水泵頻率發生改變時，水泵的輸送能耗同頻率呈3次方的關系，因而能夠最大限度地節省系統能耗。考慮到地鐵環境單一、房間功能簡單、系統負荷變化趨勢易預測等特點，本文選取冷凍水溫差控制方式。在定溫差控制方式的基礎之上，進行節能優化分析，提出變溫差控制策略。

2　變溫差控制

由上述式(1)可知，如果末端負荷發生變化，則必須使得冷凍水的流量W和冷凍水供回水溫差Δt乘積相對變化。當保持供回水溫差Δt不變，只改變水流量W時，即為定溫差控制。如果既改變流量W，又改變供回水溫差Δt，就是變溫差控制。

通過對地鐵空調水系統現狀的調研，為保持充足的冷量，冷凍水供水溫度通常需要保持在7℃不變。而定溫差控制是需要保持供回水溫差Δt不變，只調節水流量W。根據地鐵實際情況，由于供水溫度不變，實際負荷變化時并不能保證回水溫度不變，因此定溫差控制不適用于地鐵情況。

變溫差的思想是保持冷凍水供水溫度不變(選擇為7℃)，使冷凍水的回水溫度改變，符合地鐵的實際運行情況。這樣既適應末端負荷的變化需求，又通過改變流量節省了能源。

針對地鐵空調水系統特性，雖然冷凍水供水溫度需要保持為7℃，但在系統運行過程中，供水溫度會發生一定波動，回水溫度也會隨之產生波動，因此將供水溫度作為擾動量引入系統。針對擾動量，添加前饋控制器，調節供水溫度保持在設定值附近。將供回水溫差實際值與設定值進行比較，通過調節水泵轉速來動態調節水流量，進而達到對供回水溫差控制的目的。

帶有前饋反饋控制的溫差控制系統框圖如圖2所示。圖2中，Tr，set為回水設定值; Tr為回水溫度實際值; f為冷凍水泵頻率; Q為冷凍水流量; Ts為供水溫度，控制器選擇PID控制器。

圖2　基于前饋－反饋的溫差控制框圖Fig.2 Control block diagram of temperature difference control based on feedforward－feedback

變溫差控制流程如圖3所示。根據總負荷變化趨勢確定回水溫度，由反饋得到實際回水溫度，進行比較得到差值;經由前饋供水溫度判斷設定值與檢測值的差值，控制變頻器，從而改變水泵轉速、控制流量。

圖3　變溫差控制流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of variable temperature difference control

圖4為地鐵車站夏季某一天冷負荷的變化曲線圖。

圖4　車站冷負荷變化曲線Fig.4　Curve of cooling load variation in the station

根據負荷變化曲線，本文選擇用線性近似擬合來描述負荷與時間變化關系，分為9個階段: 5∶00～7∶30、7∶30～11∶00、11∶00～14∶00、14∶00～16∶00、16∶00～16∶30、16∶30～18∶00、18∶00～19∶00、19∶00～20∶00、20∶00～23∶00。每個階段對應一條相似直線，因此可以根據擬合數據得到冷負荷與時間變化關系表達式:

在變工況下，空調末端冷量按式(8)計算［15］:

空調冷凍水循環側，將式(1)改寫為式(9)，并給出計算式(10):

式中: t'r為實際工況的回水溫度; tr為額定工況的進風溫度;其他含義與上文相同。

地鐵空調系統為了保證負荷末端具有一定的除濕能力，設定冷凍水供水溫度保持不變，即t's= ts= 7℃。因此，在變溫差控制系統中，需要改變的只有冷凍水回水溫度。將t's= ts= 7℃代入式(8)、式(10)，有:

根據式(8)、式(10)計算得到的t'r作為冷凍水系統回水溫度的設定值，即Tr，set。可以看到，隨著時間變化，冷凍水的回水溫度也會隨著冷負荷變化而變化。保持冷凍水供水溫度不變，通過改變冷凍水的回水溫度，從而實現冷凍水系統的變溫差調節。

3　水系統模擬仿真

3.1 Trnsys仿真軟件簡介

瞬時系統模擬程序(transient system simulation program，TRNSYS)最早是由美國Wisconsin–Madison大學的Solar Energy實驗室(SEL)開發的，并在歐洲一些研究所的共同努力下逐步完善［16］。

TRNSYS可以對太陽能、建筑空調以及可再生能源等系統的運行特性和控制特性進行仿真。此外，美國的Thermal Energy System Specialists(TESS)專門開發出了針對通風空調系統的各種模塊。根據軟件提供的模塊工具，可以實現對地鐵通風空調水系統的模擬仿真。

3.2水系統仿真界面及結果分析

以北京地鐵15號線望京西站作為研究對象，按照空調水系統的實際設計參數搭建了模擬仿真模型。

模擬仿真模型主要由冷卻水循環系統、冷凍水循環系統和通風系統組成，控制部分即為前饋－反饋變溫差控制，車站則以房間模型代替。

本次實驗分為兩種模擬形式:一種為地鐵現在運行模擬模式，水泵不加以控制，即水泵以額定工況運行;另一種為根據冷負荷實時調整冷凍水回水溫度，通過前饋－反饋控制水泵轉速，調節冷凍水流量。選擇2014年7月份和8月份(4 344～5 088 h)兩個典型空調季節進行仿真實驗。

3.3仿真結果及分析

在第一種模式中(以下稱為模式一)，風機、水泵以及冷卻塔等均以定頻運行。冷水機組的供水溫度為7℃，兩組水泵以及機組均以北京地鐵15號線望京西站的規格以及參數設定，根據末端負荷區間確定機組的啟停，模擬仿真的步長選擇0.1 h。

在第二種模式中(以下稱為模式二)，針對冷凍水系統進行研究，對冷凍水泵進行變頻控制。風機、冷卻塔以及冷卻水泵仍以定頻運行，通過采集供水溫度作為前饋擾動信號，采集回水溫度作為反饋信號，與計算獲得回水溫度的計算值進行對比，由PID控制器對水泵進行控制，調節水流量，模擬仿真步長同樣為0.1 h。

在兩種不同模式下，室內溫濕度變化情況分別如圖5和圖6所示。

圖5　模式一室內溫濕度分布曲線Fig.5 Indoor temperature and humidity distribution curves of mode 1

圖6　模式二室內溫濕度分布曲線Fig.6 Indoor temperature and humidity distribution curvew of mode 2

由圖5和圖6可以看出，在兩種不同的運行模式下，均可以使室內溫度維持在25℃左右，室內濕度維持在40%～70%，保證了室內舒適性的需求。對比圖5與圖6可以看出，添加了控制模塊的模式二中的溫度以及濕度變化情況，比模式一均中的溫濕度要相對平穩，為系統的平穩性也提供了一定的保證。

通過實驗得到冷凍水系統的供回水溫度變化情況，如圖7所示。

圖7　模式二供回水溫度分布曲線Fig.7 Supply water and return water temperature distribution curves of mode 2

由圖7可以看出，冷凍水的供水溫度在運行過程中存在波動，通過前饋控制，可以保證供水溫度維持在7℃左右。冷凍水的回水溫度隨著時間變化有很明顯的變化，故在冷凍水供水溫度基本保證7℃的情況下，實現了冷凍水系統的變溫差調節。

冷凍水系統的水泵的流量以及功率變化情況如圖8所示。

由圖8中冷凍水流量變化情況可以看出，相比較模式一采取的水泵定頻運行、水流量保持額定不變的情況而言，模式二水泵選擇變頻控制后，流量隨時間變化而變化，且有明顯的起伏，這說明當末端負荷變化時，水泵流量也隨之相應變化。由圖8中水泵功率變化情況可以看出，相比較模式一中額定轉速的水泵功率而言，模式二中變頻水泵的功率有了明顯的下降，水泵的能耗降低。

圖8　模式二冷凍水流量和功率分布曲線Fig.8　Flow and power distribution curves of chilled water of mode 2

經計算，7月1日至8月31日，模式一定轉速水泵的消耗的總電量為40 146 kW·h，模式二的變頻水泵消耗的總電量為23 212 kW·h。相比較模式一，模式二水泵節約了42.2%的電源，節能效果明顯。

4　結束語

由于地鐵空調冷凍水系統的水泵以定頻運行模式，造成了能量的浪費。本文根據水泵的變頻技術以及控制原理，在定溫差控制的基礎上提出了變溫差控制策略，并利用TRNSYS能耗模擬軟件搭建了地鐵空調水系統仿真模型。對以地鐵水系統水泵定頻運行模式和以變溫差變頻控制的優化模式運行的兩種模型進行了仿真分析，由實驗結果可以看到，由前饋－反饋控制策略控制水泵轉速調節流量的效果顯著，節能量大，同時也說明了空調水系統存在著很大的節能空間。隨著現代制冷技術的不斷發展與完善，通過變頻技術來改造空調水系統將會成為地鐵空調節能的重要途徑。

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科技期刊關鍵詞和引言的撰寫

科技論文的關鍵詞是從其題名、摘要和正文中選出來的。關鍵詞包括3部分: 1)敘詞(正式主題詞)，經過規范化的并收入主題詞表中的詞或詞組;2)非正式主題詞(詞表中的上位詞+下位詞+替代詞);3)自由詞(標引需要但主題詞表中找不到的詞)。

每篇論文中應專門列出3～8個關鍵詞，其中敘詞應盡可能多一些。關鍵詞作為論文的組成部分，置于摘要段之后。

引言又稱前言或緒論，是論文整體的有機組成部分。引言寫在正文之前，屬于整篇論文的引論部分。它的作用是向讀者初步介紹文章內容。

引言要寫得自然、概括、簡潔、確切。引言中要寫的內容大致有如下幾項: 1)研究的理由、目的和背景; 2)理論依據、實驗基礎和研究方法;3)預期的成果及其作用和意義。

引言的寫作要求是:1)開門見山，不繞圈子。注意一起筆就切題，不能鋪墊太遠; 2)言簡意賅，突出重點; 3)尊重科學，不落俗套。

引言中要求寫的內容較多，而篇幅有限，這就需要根據研究課題的具體情況確定闡述重點。共知的、前人文獻中已有的不必細寫，主要寫好研究的理由和目的，使讀者對論文有一個總體的了解。

Research on the Energy Saving Control for Subway Air－conditioning Water System

金國建1，2，3，4李亞芬1，2，3，4高學金1，2，3，4王普1，2，3，4
(北京工業大學電子信息與控制工程學院1，北京100124;數字社區教育部工程研究中心2，北京100124;城市軌道交通北京實驗室3，北京100124;計算智能與智能系統北京市重點實驗室4，北京100124)

摘要:針對地鐵水泵定頻運行方式造成的能量浪費問題，對地鐵車站冷凍水系統采取一次泵變頻方式運行進行研究。根據地鐵車站空調負荷規律性變化的特點，結合溫差控制顯著的節能效果，提出基于前饋－反饋的變溫差控制策略，并在瞬時系統模擬仿真平臺(TRNSYS)上對節能控制策略進行了仿真驗證。實驗結果驗證了變溫差控制策略應用于地鐵空調水系統的可行性和正確性，節能效果顯著，表明變溫差控制策略可作為地鐵空調節能控制的研究發展方向。

關鍵詞:冷凍水系統變頻變溫差控制TRNSYS節能 是論文的檢索標志，是表達文獻主題概念的自然語言詞匯，一般是詞和詞組。

Abstract:Aiming at the problem of energy waste caused by the fixed frequency operation mode of the water pumps in subway，the variable frequency operating mode of the pumps in chilled water system of subway station is researched.In accordance with the features of regulative changes of the load of air conditioning in subway stations，and combining the obvious effects of energy saving of temperature difference control，the control strategy of variable temperature difference based on feedforward－feedback is proposed，and the simulation verification of the energy saving control strategy is conducted on transient system simulation platform (TRNSYS)platform.The experimental results verify the feasibility and correctness of the variable temperature difference control strategy applied in subway air conditioning water system; the effect of energy saving is obvious; this indicates that variable temperature difference control strategy will be the direction of research and development for subway air conditioning energy saving control.

Keywords:Chilled－water systemVariable frequency Variable temperature difference control TRNSYS Energy－saving

中圖分類號:TH－3; TP273

文獻標志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603021