淺析軌道交通通風空調系統在優化控制方面的探索

張東海

摘 要：本文首先介紹了軌道交通通風空調能耗概況，軌道交通空調系統的組成，然后分別詳細闡述了空調系統的節能控策略，包括末端風機系統，冷凍主機，循環水泵，冷卻塔組等主要設備的優化控制。

關鍵詞：優化控制；焓值；水系統；風系統

Abstract：this paper first introduced the general situation of energy consumption of subway ventilation and air conditioning， the composition of subway air conditioning system， and then elaborated the energy-saving control strategy of the air conditioning system in detail， including the optimal control of the terminal fan system， the main engine of refrigeration， circulating water pump， cooling tower group and other main equipment.

Keywords：optimal control， enthalpy， water system， wind system

1 軌道交通空調能耗概況

21世紀以來，具有節能﹑快捷和大運量特征的城市軌道交通建設越來越受到眾多城市的關注，但是軌道交通空間作為典型的地下大空間建筑，其空調運行能耗是軌道交通總能耗的重要組成部分，其中空調系統耗能約占機電系統總能耗的40%左右。軌道交通基本上都是城市的能耗大戶，因此，對于軌道交通機電系統比如通風空調系統的節能優化就顯得尤為重要。如何才能使空調系統更節能﹑高效的運行，除了選用高效的空調設備外，控制方法和控制策略的選擇也尤為重要，下文將仔細描述空調系統的節能控制策略。

2 軌道交通空調系統的組成

軌道交通空調系統按功能特點可分為車站站廳、站臺公共區空調系統，簡稱為大系統；車站設備、管理用房空調系統，簡稱為小系統。為大系統和小系統提供冷源的中央空調冷凍站稱為水系統。大系統主要在乘客活動區域內為乘客提供舒適、衛生的過渡性環境，小系統則主要為工作人員提供舒適的工作環境和為車站設備提供適宜的運行環境[1]。

大系統空調負荷主要由六部分組成，包括人體散熱、散濕負荷，圍護結構散熱、散濕負荷，照明負荷，新風負荷，空氣滲透負荷，車站公共區設備發熱負荷。

小系統空調負荷主要由五部分組成，包括人體散熱、散濕負荷，圍護結構散熱、散濕負荷，照明負荷，新風負荷，設備發熱負荷。人體散熱、散濕負荷來源于車站工作人員，以及設備、管理用房內相關人員。

3 空調系統的節能控制

3.1 通風空調風系統的節能控制

車站公共區空調系統采用變風量系統，系統原理圖如圖 1 所示。包括：空調機組（變頻）﹑回排風機（變頻）﹑回風電動調節閥﹑新風調節閥﹑回排風道溫濕度傳感器、送風道溫濕度傳感器、車站公共區溫濕度、CO2傳感器和壓力傳感器等。

圖1

空氣處理機上設新風電動閥，回風電動閥﹑混風電動閥﹑排風電動閥和單獨的最小新風機，回風機和排風機。系統根據實時二氧化碳的采集，通過對回風風機﹑混風電動調節閥以及小新風機的控制，來調節混風室內的的二氧化碳的含量。同時也通過調節排風電動閥的開度和排風機的轉速來維持站內的空氣質量要求，這種方法不僅可以保證站廳內的空氣質量，還可以在設計狀態下提供足夠的回風量。

系統可在上述控制策略的情況下進行進一步優化，采用焓值控制。焓值控制可以根據室內空氣狀態（溫度、濕度、二氧化碳等）的允許波動范圍，充分利用過度季節新風的冷卻能力，在保證站廳內的空氣質量的同時，擴大過渡季節不使用冷量的時間，充分利用免費冷源，減少設備使用時間，達到降低系統能耗的目的。

在供冷工況下，若新風焓大于回風焓，采用最小新風新風閥門開度最小，小新風機變風量運行輸送最低冷量，加大混風調節閥的開度，并通過調節水閥的水量實現露點送風控制，由于空調提供的冷量為室內冷負荷與新風負荷之和，所以當新風量最小時，冷量最小。在供冷工況下，若新風閥已開到最大，且新風焓仍小于回風焓，但新﹑回風焓差不足以抵消冷負荷，則調節水閥對新風進行冷卻后送入室內，這樣既可以保證站廳對冷負荷的需求也可以充分利用新風的冷量。

該方法的控制步驟如下：

（1）當空氣處理機運行時，開啟送風機，同時開啟回風機。

（2）通過控制風機的轉速，將回風機出口處的靜壓值維持在設定值。

（3）開啟最小新風電動閥，然后開啟排風電動閥，根據出回風的二氧化碳的含量，來對排風機進行控制。從而保證站內的空氣質量。

（4）當室外焓值低于目標控制焓值時，開啟新風機和新風閥。

3.2 冷凍主機的控制策略

在中央空調系統包括：冷凍主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、電動閥門等設備。在所有的設備中冷凍主機是冷源制造設備，其他所有的設備都是輔助設備，都是為冷凍主機提供服務的。同時冷凍主機的功耗在所有的設備中也是最大的，所以冷凍主機無論是功能的重要性，還是在減少能耗方面的重要性都是至關重要的。

其具體措施有以下幾點：

（1）在滿足末端需求與冷凍主機最小做功找到平衡點。

（2）在滿足冷凍主機冷卻需要與冷卻系統節能找到平衡點，冷凍主機高負荷做功 時，以滿足冷凍主機需求為首要。

（3）通過調節流量與做功冷凍主機的臺數，將冷凍主機運行負荷控制在高能效比區間內。

3.3 循環水泵的頻率控制

在現有的中央空調群控控制系統中，都是把冷凍系統和冷卻系統分開來考慮的，對于冷凍水泵和冷卻水泵的頻率控制，都是依據各自的控制條件。而現實中卻不是這樣的。比如在末端負荷增加，要求冷凍主機輸出冷量增加的同時，冷凍主機做功也相應的增加，這就要求冷卻水量、冷卻塔的排風量也相應的增加。如果沒有意識到這一點，所有的控制都是滯后的，就不能合理的控制中央空調系統，就不能有效的提升節能空間[1]。

對冷源中的冷凍水泵、冷卻水泵進行的智能變頻調速控制，其主要控制依據通過檢測水溫度、壓力、流量監視末端負荷變化，根據水溫度、壓力、流量計算該工況下所需的冷凍水、冷卻水、等流量，從而通過調整頻率調節水泵的輸出流量，達到節能目的。在水泵調節過程中采用多元參數采集，根據參數變化區間對電機頻率和頻率變化幅度進行分段調整，兼顧各參數、參量變化的耦合關系，使調整結果最優。

水泵變頻優化說明：當系統負荷變化時，根據實時采集參數并結合歷史數據進行負荷變化預測，實現水系統運行的主動前饋控制，及時精確控制設備運行，使系統冷量所供即所需，降低部分負荷能耗，達到系統舒適、節能、高效運行。優化運行策略設定為機房系統，多臺水泵變頻、輪換使用，用戶可通過上位機界面自行選擇使用任意一臺水泵，使系統在部分負荷時段，較大幅度節能并延長設備使用壽命。

3.4 冷卻塔組的優化控制

該控制策略是：以冷凍主機輸出的熱負荷為最終控制目標，合理的搭配冷卻塔風機的臺數和頻率的變化，從而滿足冷凍主機對冷卻水量的要求。根據冷卻水回水總管的溫度和冷卻水供水總管的溫度、流量，通過系統智能管理控制器自動計算，調整冷卻塔運行參數，控制冷卻塔運行臺數；同時采集各冷凍水主機冷卻水進出水管道溫度傳感器所測溫度，控制冷卻水泵運行臺數、頻率；實現冷卻水側管路運行監控及數據采集修正，實時調整冷卻水側運行參數，使冷卻水側運行平穩。

3.5 末端區域水力平衡的控制

在冷凍站中分水器的作用，是把冷負荷通過支管將冷量分配給不同的符合需求區域。集水器則是把各個區域交換后的高溫水集中起來通過冷凍水泵進入冷凍主機。 對于末端多區域供冷的空調系統來說，由于各區域之間的阻力特性及負荷需求存在不同，所以在實際的運行中可能就存在著某些區域的冷量過剩，而某些區域的冷量不夠的現象，此現象可以從各區域的供回水管的監測溫差反映出來，溫差大說明冷量需求較大，溫差小的說明冷量需求較小，存在著“大流量，小溫差”的浪費現象，所以如何解決好各區域的冷量平衡對于整體中央空調的COP值有著非常大的作用[2]。

末端區域水力平衡通過對相應的設備合理的控制，根據末端實際負荷需要，對冷量進行分配，從而避免了末端的分配不均，不僅提高了末端用戶的舒適性，而且進一步提升了節能空間。

本系統具有基于冷水系統能量分配平衡的動態水力平衡優化控制，可以實現整個空調冷凍水系統負荷側和冷源側的動態水力平衡。在集水器各個支管設置電動調節閥，從整個冷凍水系統全局的水力工況出發，電動調節閥在調節各環路所需冷凍水流量的同時，也會進行各環路的阻力匹配，有效屏蔽其他支路冷凍水流量變化的影響，保證在總管變流量的情況下，實現各支路水利平衡。同時通過各環路上的溫度傳感器所采集的數據計算出每個區域的負荷需求，通過調節閥對各個區域的負荷進行分配，以達到冷源側到負荷側整個水系統的動態能量平衡，實現系統節能穩定運行。

4 控制依據的選擇

在以溫度為主要控制參數的系統中，由于溫度的時滯性，所以往往控制落后于系統的實際情況，從而達不到合理控制系統的要求，而用壓力為主要控制的系統中，雖然壓力沒有時滯性，但壓力不能夠真正反映末端的實際使用需求。本控制系統通過負荷預測技術很好的解決了這個問題。通過對冷凍回水的溫度變化趨勢，判斷出末端的符合需求是增加還是減少，得出結論的同時對控制元件作出相應的調整，達到節能的目的。

5 結束語

事實證明軌道交通空調系統經過節能優化控制以后，在保證末端的溫度﹑濕度和風量的基礎上節能效果明顯，降低了系統的運營費用，為城市級節能降耗做出重要貢獻。

參考文獻：

[1] 劉靜紈著.變風量空調模糊控制技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 李玉街，蔡小兵，郭林.中央空調系統模糊控制節能技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.