地鐵設備用房通風空調系統最優切換溫度研究

中鐵第四勘察設計院集團有限公司 嚴 清

0 引言

地鐵設備用房通風空調系統為工作人員和設備提供了穩定、舒適的室內溫濕度環境，是地鐵車站設備系統的重要組成部分，也是主要的耗能系統之一，約占非牽引設備系統能耗的35%～50%[1]，具有很大的節能潛力。另外，通風空調系統的節能運行建立在節能的系統方案和運行工況的合理選擇基礎上。地鐵設備用房通風空調系統可實現3種工況運行：通風工況、空調工況全新風運行(以下簡稱為全新風空調工況)、空調工況最小新風量運行(以下簡稱為最小新風空調工況)[2]。通風/空調工況通過比較室外空氣干球溫度與工況切換溫度進行選擇。是否存在一個最優的工況切換溫度使得系統全年運行最節能，一直是亟需解決的疑問。

目前，國內外學者對通風空調系統節能運行的研究，主要集中在室內溫度的設定[3]、負荷精準計算[1]、預測及前饋控制技術[4]、冷水機組變頻技術[5]、水系統變流量技術[6-7]、風機變頻技術[8]、冷卻塔變頻技術[9]、控制方法及算法[10-13]等方面，也有對參數的優化研究，如對冷水供回水溫度及溫差、冷卻水供回水溫度[7,14]等參數的優化研究，但是很少有對通風/空調工況切換溫度優化研究的報道。文獻[15]在不同設計送風溫度下，比較了機械通風系統與全新風空調系統在變電所中的節能性，但也未從全年能耗角度分析2種系統工況轉換的問題。本文以實際地鐵工程項目為例，研究不同工況切換溫度下系統全年運行總能耗的變化規律，得出的結論也適用于其他通風空調系統中。

1 地鐵設備用房通風空調系統

地鐵設備用房通風空調系統是為了排除室內的余熱和余濕，從而滿足人員和設備工作的溫濕度要求。根據功能和溫濕度要求的不同，地鐵車站設備區一般設置4個通風空調系統[16]：小端設備用房及人員房間通風空調系統a；大端人員房間通風空調系統b；大端變電所設備用房(室內設計溫度36 ℃)通風空調系統c；大端其他設備用房(室內設計溫度27 ℃)通風空調系統d。限于篇幅，本文僅對系統d進行研究，其他系統的特點與之具有相似之處。

一般地，地鐵設備用房通風空調系統d負擔信號設備室、商用通信設備室、通信設備室、通信電源室、環控電控室、照明配電室、站臺門設備室等房間，這些房間內的余熱主要由設備發熱量組成，且較為穩定。本文以鄭州某地鐵站為例，計算得出其系統總除熱量為81.68 kW，總除濕量為3.1 kg/h。

通風空調系統一般由風機、冷源系統(包括冷水機組、水泵、冷卻塔)等耗能設備組成，當系統在通風工況運行時，冷源系統停止運行。

2 工況切換溫度優化

2.1 通風空調系統的工況切換

同時，風管系統阻力、風機的最低運行頻率、冷水機組制冷性能系數、氣候條件對系統全年運行能耗有影響，下面分析這些因素對最優工況切換溫度的影響。

轉換前工況轉換后工況工況轉換條件最小新風空調工況Ⅰ全新風空調工況ⅡhW≤hN-h0全新風空調工況Ⅱ最小新風空調工況ⅠhW>hN+h0通風工況ⅢtW≤tL通風工況Ⅲ全新風空調工況ⅡtW>tL備 注W:室外空氣狀態點N:室內空氣狀態點L:空調器機器露點hN:室內空氣狀態點比焓,kJ/kgh0:3.000kJ/kgtL:空調器機器露點干球溫度,℃

圖1 3種運行工況分區圖

2.2 通風空調系統全年能耗模擬

2.2.1室外氣象參數

根據我國城市建筑熱工設計分區，鄭州市位于寒冷地區[17]，圖2顯示了鄭州市典型年室外空氣干球溫度變化情況。分析可得：若工況切換溫度tL為18 ℃，則空調工況開始于3月中旬，直至11月初結束，空調工況總時長為3 748 h；若工況切換溫度tL為24 ℃，全年空調工況運行時間為1 949 h。

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圖2 鄭州市典型年室外空氣干球溫度曲線

2.2.2通風空調系統全年能耗模擬

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為保護電動機不被燒壞，風機運行頻率都設有最低值，目前市場上風機能達到的最低運行頻率(fmin)為5 Hz，考慮成本因素和室內換氣次數的要求，實際工程中風機能達到的fmin為25 Hz左右[19]。因此，分別選取fmin為15、20、25、30 Hz，計算系統全年總能耗隨工況切換溫度的變化情況，得出最優工況切換溫度，結果如圖6所示。顯然，fmin越小，在低負荷工況下風機的能耗越小，而冷源系統的能耗不變，這樣在通風工況下運行將更加節能。從圖6可以看出：當fmin由15 Hz增大到30 Hz時，最優工況切換溫度由19 ℃降低到15.5 ℃，兩者為負相關；最優工況切換溫度與fmin趨近線性關系，擬合優度R2為0.982 3；與線性曲線相比，fmin在15～30 Hz之間時，最優工況切換溫度的最大偏差為0.19 ℃。

在上課之前，教師要制定合理的教學計劃，結合教材內容解讀教學目標，最好是提前一周就制定好教學方案.在集體備課之前，備課組長要規定教師個人準備的內容.

(1)

式中Pc為冷源系統全年總能耗，kW·h；Qi為i時刻空調系統的實時冷負荷，kW；COP為冷水機組的制冷性能系數，為簡化計算，不考慮COP隨氣象條件、負荷率等因素的變化；ΔT為時間間隔，h。

工況切換溫度tL分別為18、24 ℃時通風空調系統全年能耗模擬結果如圖3所示。

圖3 通風空調系統全年能耗模擬結果(室內設計溫度tN=27 ℃，風管系統阻力p=450 Pa，冷水機組COP=5.0，風機最低運行頻率fmin=25 Hz)

進一步地，可以統計得到通風空調系統全年能耗，如表1所示。

表1 通風空調系統全年能耗 萬kW·h

分析可得，當工況切換溫度tL由18 ℃提高為24 ℃時，一方面全年空調工況運行時間由3 748 h縮短為1 949 h，縮短了48.0%，這對減少系統全年運行總能耗是有利的；另一方面，由于送風溫差減小，送風量增加，風機耗電量將增大，同時通風工況的運行時間也將延長，這對減少系統全年運行總能耗是不利的。最終，全年通風空調系統運行總能耗反而有所增加，由11.91萬kW·h增加為15.53萬kW·h，增加了30.4%。那么，是否存在一個最優的工況切換溫度，使通風空調系統全年總能耗最小？

2.3 工況切換溫度優化

為解決上面的疑問，本文對不同工況切換溫度下的全年能耗進行了計算，結果如圖4所示。可以看出：隨著工況切換溫度的升高，空調工況全年運行時長逐漸減少，相應的通風工況運行時長將增加；同時，空調工況全年運行總能耗逐漸減小，通風工況全年運行總能耗逐漸增加，系統總能耗表現為先減小后增大的趨勢，在工況切換溫度為17 ℃時系統總能耗最小。因此，通風空調系統存在一個最優工況切換溫度，在本算例中，最優工況切換溫度為17 ℃。

圖4 全年能耗隨工況切換溫度的變化(p=450 Pa，COP=5.0，fmin=25 Hz，鄭州)

地鐵設備用房通風空調系統可實現最小新風空調工況、全新風空調工況、通風工況3種運行工況。如圖1所示，在焓濕圖中，根據室外氣象參數的不同，主要可分為3個區域，對應3種工況的運行條件。其中通風工況和空調工況之間切換的判別方法采用固定溫度法，即通過比較室外空氣干球溫度tW與工況切換溫度tL進行切換，若工況切換溫度過高或過低，都有可能導致系統運行在更耗能的工況下；同時，工況切換溫度決定了送風溫度設計值，也是通風空調系統設計的重要依據。由于缺少相關的研究成果和理論依據，設計人員往往根據經驗和工程需要確定工況切換溫度。

2.3.1風管系統阻力的影響

地鐵車站一般選用2臺水冷變頻螺桿機組，單臺機組制冷量約為500 kW，根據GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》的規定，冷水機組制冷性能系數(COP)不應小于4.70[17]，同時實際工程中設計人員往往有更高的要求。因此，分別選取COP為5.0、5.5、6.0、6.5，計算系統全年總能耗隨工況切換溫度的變化，得出最優工況切換溫度，結果如圖7所示。顯然，COP越大，在空調工況下運行節能效果越顯著。從圖7可以看出：當COP由5.0增大到6.5時，最優工況切換溫度由17 ℃降低到15.5 ℃，兩者為負相關；隨著COP的增大，最優工況切換溫度降低的幅度增大。

圖5 風管系統阻力對最優工況切換溫度的影響(COP=5.0，fmin=25 Hz，鄭州)

2.3.2風機最低運行頻率的影響

結合鄭州市典型年的氣象參數，利用MATLAB軟件進行數值計算，其中風機能耗計算公式可參考文獻[18]，冷源系統能耗簡化為

2.3.3冷水機組制冷性能系數的影響

圖6 fmin對最優工況切換溫度的影響(p=450 Pa，COP=5.0，鄭州)

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一般地，一個地鐵車站設備用房通風空調系統所負擔的空調面積在300 m2以下，風管系統阻力(p)約為400～500 Pa[18]。因此，假定p在350～550 Pa之間，計算不同阻力條件下系統全年總能耗隨工況切換溫度的變化情況，得出最優工況切換溫度，結果如圖5所示。顯然，p越小，通風工況下運行節能效果越顯著。從圖5可以看出：當p由350 Pa增大到550 Pa時，最優工況切換溫度由18.8 ℃降低到16.4 ℃，兩者為負相關；隨著p值的增大，最優工況切換溫度降低的幅度減小。

圖7 COP對最優工況切換溫度的影響(p=450 Pa，fmin=25 Hz，鄭州)

2.3.4氣候條件的影響

在其他條件都相同的情況下，分別計算了廣州(夏熱冬暖地區)、武漢(夏熱冬冷地區)和鄭州(寒冷地區)3個地區氣候條件下，系統全年總能耗隨工況切換溫度的變化，得出最優工況切換溫度，結果如圖8所示。可以看出：不同地區全年總能耗有差別；武漢和鄭州最優工況切換溫度相同(17 ℃)，而廣州則表現為工況切換溫度越低越節能，由于末端空調器的制冷能力有限，本文假設送風溫度最低限值為14 ℃，因此廣州地區最優工況切換溫度為14 ℃。

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圖8 氣候條件對最優工況切換溫度的影響(p=450 Pa，COP=5.0，fmin=25 Hz)

3 結論

地鐵設備用房通風空調系統有3種不同的運行工況，通風/空調工況間的切換依據是室外空氣干球溫度與工況切換溫度的比較結果，本文通過比較不同工況切換溫度下系統全年總能耗，對工況切換溫度進行了優化研究，得出以下結論：

1) 隨著工況切換溫度的升高，系統全年總能耗先減小后增大，存在一個最優工況切換溫度。

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2) 在一定條件下，當風管系統阻力由350 Pa增大到550 Pa時，最優工況切換溫度由18.8 ℃降低到16.4 ℃，兩者為負相關。同時，隨著p值的增大，最優工況切換溫度降低的幅度減小。

3) 在一定條件下，當風機最低運行頻率由15 Hz增大到30 Hz時，最優工況切換溫度由19 ℃降低到15.5 ℃，兩者為負相關，且兩者之間趨近線性關系。

考慮到實際工程情況，溶洞可能是完全中空，也可能被軟弱土體所充填，不同的情況采取不同的處理措施，因此試驗也設置兩類工況進行模擬。第一類是溶洞無充填狀態，采用泡沫混凝土充填溶洞且作樁，形成復合地基；第二類是溶洞被淤泥所充填，采用泡沫混凝土作樁形成復合地基。

4) 在一定條件下，當冷水機組制冷性能系數由5.0增大到6.5時，最優工況切換溫度由17 ℃降低到15.5 ℃，兩者為負相關。同時，隨著冷水機組制冷性能系數的增大，最優工況切換溫度降低的幅度增大。

5) 最優工況切換溫度還受氣候條件的影響，在本文的算例中，武漢(夏熱冬冷地區)和鄭州(寒冷地區)最優工況切換溫度為17 ℃，而廣州(夏熱冬暖地區)為14 ℃。