地鐵設備用房VAV變風量系統控制特性研究

王 艷,李焱池,籃 杰,夏三縣,嚴 清,余偉之,肖云婷,嚴 天,徐新華

(1.中原工學院,鄭州 450000； 2.長沙市軌道交通集團有限公司,長沙 410021； 3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430064； 4.鄭州地鐵集團有限公司,鄭州 450000； 5.華中科技大學,武漢 430074)

引言

隨著我國城市的不斷發展，中心城市的人口逐漸攀升，地鐵已成為大多數人所依賴的交通工具。由于地鐵站內存在設備、電子屏、照明裝置等熱源，且列車運行和乘客往來都會使站內產生大量余熱，地鐵空調系統不可或缺，系統巨大運行能耗問題也備受關注[1]。調查顯示，我國北方城市地鐵的空調系統能耗占運營總能耗的1/3，而在南方城市其占比高達1/2[2]。因此，如何實現地鐵空調系統的節能變得至關重要。

地鐵空調系統主要可分為3個部分，分別為：隧道通風空調系統、地鐵站公共區域空調系統和地鐵設備管理用房空調系統。對于地鐵設備管理用房，其空調形式多為全空氣定風量空調系統，但由于各房間使用功能不同、設備運行時間不同，定風量空調系統常常出現系統風量過大、供冷過度、系統運行不節能等問題[3]。此時，變風量空調系統由于其節能、舒適和靈活性強等特點逐漸被應用到實際工程中[4]。

變風量空調系統起源于20世紀60年代的美國，于20世紀80年代開始在歐美、日本等地迅速發展。現如今，變風量空調系統在美國高層建筑的使用率已達到90 %以上，成為美國空調系統的主流[5]。上世紀末，隨著我國技術水平的提升，VAV系統也開始進入國內研究人員的視野。文獻[6]對變風量系統定靜壓控制策略進行了優化，使其在保證系統穩定的基礎上最大限度地實現了節能。文獻[7]提出了一種基于末端風機轉速的總風量優化控制方法，使得室內溫度及房間送風量的調節更加穩定，超調量小，同時縮短了調節時間。隨著智能控制的逐漸成熟，又涌現出模糊控制、人工神經網絡控制、分級階梯控制等控制策略[8]。文獻[9]提出了一種最佳送風溫度和最小區域氣流重置策略，提高了典型VAV系統的效率。對于變風量的舒適性問題，文獻[10]提出采用動態PMV控制的變風量空調系統的舒適性更加突出。

在實際應用中，變風量空調系統仍然存在難以控制、能源浪費等問題。VAV系統由于結構復雜、多變量、強耦合、大滯后、不確定性大等特點，在運行過程中需要更加有效地控制[11-12]。文獻[13]考慮了由多區域VAV組成的集總參數模型，并設計了滑模控制，通過調節風閥來控制房間的室內溫度，使用滑模控制的結果確保了參數不確定時VAV系統的穩健運行。文獻[14]建立了一種新的室溫動態響應模型，該模型是一種多輸入單輸出的模型，可以清晰地描述出變風量系統的室溫動態特性。當變風量系統服務于多個區域時，由于無法在部分負荷要求下實現有效的通風需求，常常出現能源浪費的問題。文獻[15-16]提出了變風量系統的送風靜壓和送風溫度優化控制方法以及多區域新風量優化控制方法，并在VAV空調系統的動態仿真平臺上進行測試以評估其動態控制性能及空氣品質特性。文獻[17]進一步針對多區域變風量系統，提出關鍵區溫度重設定的自適應按需新風控制策略，以最少的能耗滿足各區的室內空氣品質要求，并進行了模擬分析。文獻[18]提出了3種基于占用率的重疊運營策略，根據3種不同的房間占用率來確定不同的最低要求風量，從而優化送風流量。文獻[19]將VAV系統改造成VAV-DOAS系統，并通過實驗證明改造后的系統在大連地區冬、夏工況下分別可節能16 %和21 %。類似的，地鐵設備管理用房主要負荷來源于設備發熱，其負荷變化與設備運行時間密切相關，房間需求風量也會有所差異。變風量空調系統需根據房間負荷的不同而調節送風量的多少，實現按需通風，以避免能量的浪費。

針對鄭州某地鐵站設備管理用房全空氣變風量空調系統進行研究，基于Flowmaster模擬平臺建立變風量空調系統模型及其控制策略模型，模擬在不同的負荷條件及風量需求下，通過控制變風量風閥開度從而調節送風量以控制室內溫度，并進行其控制特性分析。

1 地鐵設備用房VAV變風量系統

1.1 建筑及系統描述

車站共設置4個環控機房小系統，位于車站站廳兩端設備管理用房區。各小系統的空調系統設置送回風管。送回風管設置支管，并在送風支管上均設置變風量末端裝置。本次以其中一個小系統為對象進行研究，該系統如圖1所示。系統共含7個通風空調房間，分別為0.4 kV開關柜室、控制室、35 kV開關柜室、直流開關柜室、再生裝置控制室、整流變壓器室1及整流變壓器室2。

圖1 某地鐵車站小系統空調系統原理

1.2 系統邊界條件

地鐵設備用房變風量系統的主要功能是根據不同房間需求，合理送風以滿足其不同的溫度控制要求。不同的設備用房有不同的工作時間，0.4 kV開關柜室、35 kV開關柜室、再生裝置室中設備的運行時間為6:00至23:00；2個整流變壓器室中設備在6:00至23:00內全部運行，23:00至次日6:00內部分運行；控制室和直流開關柜室中設備全天運行。根據設備運行時間與發熱量可得到各房間的設備得熱量，如圖2所示。

圖2 地鐵設備用房各房間得熱量變化曲線

2 變風量系統按需控制原理

地鐵設備用房VAV系統按需送風是根據房間負荷的變化合理控制系統的實際送風量。地鐵設備用房圍護結構外環境為地下空間，傳熱負荷較小，房間負荷主要取決于設備的運行發熱量。VAV變風量系統可以根據設備運行時間進行開啟與關閉，即在設備不運行的夜間，系統不送風；設備開始工作時，系統按需送風。

變風量系統按需控制原理如圖3所示。首先，根據上述地鐵設備用房的建筑特點在TRNSYS軟件平臺上建立各個房間的負荷模型，通過輸入設備發熱量、土壤溫度等邊界條件，模擬得到各個房間的空調負荷及需求風量。其次，在Flowmaster軟件上建立上述地鐵設備用房變風量空調系統模擬平臺，模擬該變風量系統的風量特性。進一步將各個房間需求風量作為變風量系統的控制目標，利用PI控制器調節變風量箱風閥開度，控制房間風量的按需供給。在本文研究中房間送風溫度設置為18 ℃，變風量系統可根據房間負荷的變化進行風量按需控制運行，在滿足房間溫度需求的同時，避免冷量浪費。

圖3 變風量系統按需控制原理

3 VAV變風量系統模擬平臺

3.1 風機模型

風機為空調通風系統提供動力，變速風機設計工況下的性能可以表示為

Pf=A0+A1Q+A2Q2

(1)

式中，Pf為風機的總壓頭，Pa；Q為風機風量，m3/h；A0、A1、A2為性能系數，選取風機系數分別為621.13，-10-16，-2×10-7。

3.2 閥門模型

VAV變風量系統中送風機與回風機為動力設備，系統中的其他元件，如過濾器、盤管、風管、風閥末端等可作為阻力元件來考慮。

在通風系統中，支路與干路可設置風量調節閥以調試阻力，給定開度下，閥門的阻力特性模型可表示為

ΔP=SvQ2

(2)

式中，Sv為阻抗系數，Pa/(m3/h)2；Q為風機風量，m3/h。

3.3 VAV變風量末端模型

VAVbox是可變的阻力元件，在不同閥門開度下，其阻力特性也不同，其中風閥開度與風量比(在某一壓力下，末端閥門在末開度下風量與閥門全開時風量的比值)的關系式為

F=(1-c)×a+c×e0.789(c-1)

(3)

式中，F為風量比；c為閥門開度；a為泄漏系數，取0.01。

結合上述公式，可以計算出各閥門在任意開度下的阻抗系數Sv，同時也可以計算出各閥門在給定壓差下，在任意開度下的送風量。

3.4 管網模型

系統管網的主要組成元件包括閥門、管段、三通、彎頭、風機及末端設備，這些設備與部件的阻力特性可根據幾何特征及物理特性來建立。管網特性曲線數學模型如下

H=B+SQ2

(4)

式中，H為風機全壓，Pa；B為入口壓力；S為管路阻抗系數，Pa/(cm3/h)2;Q為風量,m3/h。

3.5 系統模擬平臺

基于Flowmaster仿真平臺搭建系統模型，模型中主要部件(如風機、閥門、彎頭、散流器等)的流阻特性均由設計選型手冊確定。為簡化系統，模型省略了所有排煙防火閥，管路附件阻力采用局部阻力件代替，其余元件均按實際情況設置。系統共7個末端支路，每條支路設置1個VAVbox。具體模擬模型如圖4所示。

圖4 Flowmaster變風量系統模型

4 平臺調試分析

變風量空調系統可根據室內負荷及室內調控參數自動調節送風量，既能滿足室內環境的控制要求又達到節約能源的目的。為保證系統模擬平臺與實際系統匹配，首先需要對系統模型進行水力平衡調試。

4.1 模擬平臺調試方法

變風量空調系統聯合調試前進行靜態平衡調試，啟動空調機組送風機，通過調節送風干管、送風支管、VAVbox的風量調節閥，實現整個變風量風管系統的初平衡。使通過空調機組處理后的空氣能夠按照設計風量送入各房間的調試，即為空調系統風量的調初平衡過程。由流體力學可知，系統任一管段的阻力ΔP與風量Q的平方成正比，各管段風量Qi的比值與管段的阻抗系數Si比值關系如式(5)所示，對于同一管路系統，各支路管段阻抗基本不變，其風量的比例也基本恒定[20]。因此，變風量系統模擬平臺調試即通過調節各支路阻抗使得各支路風量比與設計風量比值保持一致，并進一步調整主管段的阻抗使得系統風量與設計風量一致。

(5)

4.2 調試結果

為方便水力平衡調試，在支管及總管上設置手動風閥閥門，調試后送回風管路的平衡工況如表1、表2所示，可以看到，系統調試后，各支路運行風量與設計風量不平衡率均小于10%，系統模擬平臺調試完成。

表1 送風系統

表2 回風系統

5 按需控制工況模擬分析

以典型年鄭州室外氣象參數為邊界，模擬了上述地鐵設備用房(7個房間)的負荷特性及其VAV變風量系統的控制特性。考慮篇幅限制，僅展示了0.4 kV開關柜室在夏季典型日(7月31日)與冬季典型日(1月31日)兩天的模擬結果。

5.1 夏季典型日

圖5為基于TRNSYS模擬平臺所得的0.4 kV開關柜室夏季典型日7月31日的負荷及需求風量變化曲線，可見在室內溫度設定在36 ℃、送風溫度為18 ℃時，在夜間設備不運行時房間負荷為零，此時空調系統不工作；在白天設備運行時，房間的模擬結果顯示室內負荷變化趨勢與給定室內得熱量變化趨勢相同，室內需求風量也隨之改變。全天最大負荷可達到38.73 kW，最大需求風量可達到5 597 m3/h。

圖5 開關柜室夏季典型日負荷及需求風量

在模擬得到室內送風量的變化曲線后，將其作為變風量系統控制的控制目標，通過PI控制的算法輸出VAVbox的閥門開度，并進行閥門調節，閥門調節后送入室內的實際送風量也隨之變化，從而實現按需送風的目的。圖6為VAVbox的閥門開度及實際送風量變化曲線，可以看到，該房間實際運行風量與房間需求風量基本重合，與房間需求風量偏差不超過1 %，控制效果較好。隨著設備的開啟，房間負荷于6:00開始逐步上升，此時需求風量增加，閥門開度變大，以保證房間的風量需求。夏季工況下房間最大風量可達5 597 m3/h。23:00后隨著設備關閉，房間負荷減小，需求風量也隨之減小，該支路的實際運行風量也逐漸減小到0。

圖6 夏季典型日VAVbox閥門開度及實際風量變化曲線

5.2 冬季典型日工況

雖然冬季室外溫度較低，但由于室內設備發熱量大，所以仍需供冷。圖7為基于TRNSYS模擬平臺所得的冬季典型日1月31日0.4 kV開關柜室的負荷及需求風量變化曲線，室內設定溫度為36 ℃，送風溫度為18 ℃，同樣的室內風量需求隨室內負荷變化而變化。7:00前因設備不工作房間負荷為0，7:00點后隨著設備的開啟，負荷增加的同時，需求風量也隨之增加，全天最大負荷可達到29.05 kW，最大需求風量為4 160 m3/h。冬季土壤溫度較低，外界環境與室內設定溫度溫差較大，可通過圍護結構排除一部分熱量，房間負荷的變化相較于室內得熱量的變化會有一定程度的延遲，室內風量需求響應有所改變。

圖7 開關柜室冬季典型日負荷及需求風量

圖8為閥門開度及實際送風量的變化曲線，與夏季工況結果類似，該房間支路實際運行風量與房間的需求風量基本吻合，與房間需求風量偏差不超過1 %，控制效果較好。隨著設備開啟，房間負荷于7：00出現明顯上升，此時，需求風量增加，閥門開度變大，以保證房間的風量需求。房間最大風量達到4 160 m3/h。隨著設備關閉，房間負荷及需求風量減小，該支路實際運行風量隨之下降。

圖8 冬季典型日VAVbox閥門開度及實際風量變化曲線

圖9 兩種不同空調系統下房間溫度變化曲線

進一步比較了夏季典型日采用傳統定風量空調系統和變風量空調系統送風房間的溫度變化，圖9為定風量空調系統及變風量空調系統下的室內溫度曲線。可以看出，當房間送風量一定時，室內溫度為20.9 ～34.2 ℃，明顯低于設計溫度(36 ℃)，造成了較大的冷量浪費。而當按需送風時，房間溫度被很好地控制在設計值，既給設備運行提供了所需的環境，又避免造成冷量的浪費。

對于其他房間，采用按需控制送風后，各房間實際送風與房間需求風量也基本吻合，房間溫度均滿足設計需求。模擬結果進一步表明了本文提出的按需通風控制方式的可行性。

6 結論

以鄭州某地鐵車站小系統VAV變風量空調系統為研究對象，建立該地鐵車站設備用房負荷模擬平臺與變風量系統模擬平臺，提出了房間按需通風控制原理，并通過模擬對地鐵設備管理用房在按需送風控制運行下的風量特性及其控制特性進行了研究。結果表明，由于地鐵車站設備管理用房使用性質和運行時間相互各異的特點，房間負荷差異性明顯，需求風量會隨著設備啟停(得熱量)而變化。采用VAV變風量系統按需控制運行可以對每個房間溫度的獨立靈活控制，將負荷模擬平臺得到的房間需求風量作為VAV變風量系統的目標風量，通過PI控制器調節VAV末端閥門開度，使房間送風量可以依照室內負荷的變化而變化，實現按需送風，在保證室內的設計溫度的同時，避免了系統冷量浪費。模擬結果進一步表明，采用按需通風控制后，VAV變風量系統實際運行風量與需求風量基本吻合，偏差率小于1%，房間溫度滿足設計需求。研究結果為地鐵設備用房VAV變風量系統控制運行提供參考。