基于最小水流量的地鐵車站空調系統節能控制研究

何大四， 趙忠濤， 夏三縣， 余偉之， 籃 杰

(1.中原工學院 能源與環境學院， 河南 鄭州 450007； 2.鄭州地鐵集團有限公司 技術管理部， 河南 鄭州 450001；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 城市軌道與地下工程設計研究院， 湖北 武漢 460063)

據統計，截至2020年底，地鐵運營線路占城軌交通運營線路總長度的五分之四[1]，全年城軌交通總能耗168.6億千瓦時，空調通風系統能耗約占地鐵運行總能耗的1/3[2]，空調系統節能優化成為諸多學者的研究熱點。隨著傳感器技術、變頻調節技術、物聯網以及人工智能的快速發展，壓差控制和溫差控制兩類節能調節技術在地鐵車站空調系統中得到了廣泛的應用[3-4]。何湘勇、周紅丹等[5-6]采用理論分析的方法對定溫差控制策略進行研究，發現溫差控制對空調水系統總流量影響較大，各支路的流量分配與冷凍水管網的結構以及各房間負荷分布有關。由于不同表冷器的除濕、換熱特性不同，負荷、流量以及溫差之間對應關系較復雜，同時受用戶使用情況的影響，定溫差控制的可靠性較差。何雪花[7]采取冷凍水泵變頻、運行臺數調節以及根據水閥相對開度對壓差設定值優化的控制策略，相比定壓差控制節能效果顯著。常賽南[8]采用TRNSYS仿真軟件分別研究定壓差、變壓差以及無壓差控制策略下單一支路水閥調節過后其他支路的水力特性，變壓差控制效果最好，節能27.1%。倪曉晨[9]利用MATLAB軟件對空調水系統進行模擬，結果表明：雖然溫差控制有明顯節能優勢，但存在用戶側溫度高于室內設計溫度的情況。秦漢[10]搭建了變流量空調系統試驗臺，試驗研究結果表明，只關注變頻水泵的節能率可能會夸大系統的節能效果。從降低空調輸配系統能耗和冷水機組能耗的角度來看，采用變頻調節實現空調水系統變流量節能控制無疑是研究的重點及熱點。

綜合現有研究，空調水系統溫差控制策略具有較好節能效果。但溫差控制可靠性相對較差，易出現末端流量不足導致用戶側溫度高于室內設計溫度的現象。針對該問題，本文提出一種基于最小水流量的空調系統控制策略，并以鄭州市苑陵路站地鐵車站空調系統為研究對象，利用TRNSYS仿真軟件對基于最小水流量的空調系統控制策略以及節能效果進行研究。

1 工程概況

苑陵路站為地下兩層島式車站，總建筑面積為24 178 m2。其中，主體建筑面積為18 829 m2，附屬建筑面積為5 349 m2。車站設計客流量按遠期客流量考慮。地下車站公共區域室內設計參數(以站廳、站臺為例)為：站廳干球溫度29 ℃，站臺干球溫度28 ℃，相對濕度40%～70%。該地鐵車站環控系統采用集中冷源的集中式空調系統。車站空調系統的大系統包括站廳、站臺以及1號出入口。站廳、1號出入口平面圖如圖1所示，站臺平面圖如圖2所示。站廳和站臺由2臺組合式空氣處理機組(AHU-A1和AHU-B1)共同承擔室內冷負荷，1號出入口由6臺相同型號的風機盤管(FP-204)共同承擔室內冷負荷。小系統包括4個，分別是a1、b1、b2以及b3系統，每個系統均由1臺空氣處理機組承擔室內冷負荷。地鐵車站空調機房主要設備如表1所示。

圖2 站臺平面圖Fig. 2 Floor plan of the platform

表1 地鐵車站空調機房主要設備及其參數

2 數學模型

2.1 水泵、風機模型

變頻水泵、風機特性曲線方程以及變頻水泵流量-效率曲線方程均為三次多項式[10]。

變頻水泵有效功率方程為：

(1)

變頻水泵能耗方程為：

(2)

式(1)-(2)中：q為流量，kg/h；P為水泵功率，kW；f為電源頻率，Hz；η為水泵運行效率；Pe為水泵的有效功率，kW；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；f0為電源工頻頻率，Hz；Pn為變頻器功率，kW；h為揚程，mH2O。

TRNSYS仿真軟件中Type662-2中風機功率為：

P=Pr(a0+a1γ+a2γ2+a3γ3+a4γ4+…)

(3)

式中:P為風機運行時的功率，kW；Pr為風機的額定功率，kW；γ為風機的風量控制信號；a0、a1、a2等均為多項式的系數。

2.2 冷卻盤管模型

冷卻盤管模擬計算時，將通過盤管的空氣分為兩部分(冷卻盤管的示意圖見圖3)：一部分與盤管直接發生換熱，當空氣達到飽和狀態后以冷卻盤管內的流體的溫度流出；另一部分先通過旁通通道，不與冷卻盤管發生換熱，然后與第一部分發生換熱的空氣混合。

圖3 冷卻盤管示意圖Fig. 3 Cooling coil diagram

設定進入冷卻盤管的空氣流量和旁通量，假定空氣的出口溫度并進行迭代，直到從空氣傳遞的能量與轉移到水流中的能量相匹配為止。冷凝水的質量計算公式為：

mc=ma(1-f)(dao-dai)

(4)

式中：mc為從盤管排除冷凝水流量，kg/h；ma為通過盤管空氣總量，kg/h；f為旁通空氣比例；dao為尚未混合出口空氣含濕量，kg/kg(a)；dai為進口空氣含濕量，kg/kg(a)。

讓冷凝水和空氣都在相同溫度下流出冷卻盤管，通過TRNSYS的程序可得到冷凝水的焓值。空氣轉移到冷凍水的熱量為：

Qf=[ma(1-f)(hai-hao)-mchc]/3 600

(5)

式中：hao為混合前出口空氣焓值，kJ/kg(a)；hai為進口空氣焓值，kJ/kg(a)；hc為冷凝水焓值，kJ/kg。

可用式(6)算出一個新的出口流體溫度，即：

(6)

式中：tfo為出口流體溫度，℃；tfi為入口流體溫度，℃；mf為盤管總流量，kg/h；Cpf為流體比熱，kJ/(kg·K)。

3 系統模型搭建

首先，根據苑陵路站設計資料，在TRNSYS平臺上搭建建筑圍護結構模型并對逐時負荷進行模擬；其次，搭建工頻運行空調系統模型；最后，搭建基于最小水流量的空調系統模型。

3.1 建筑負荷模型

地鐵車站的建筑負荷模型如圖4所示。在TRNbuild中輸入各個熱區的建筑參數。它具體包括：通風、制冷、內部得熱、工作時間以及建筑的圍護結構相關熱工參數。地鐵空調系統夏季制冷工況運行時間為5月15日-10月1日，空調開啟時間為每日6:00～23:00。

圖4 地鐵車站的建筑負荷模型Fig. 4 Building load model diagram of the metro station

基于以上模型仿真所得鄭州市苑陵路站地鐵逐時冷負荷的分布如圖5所示。其中最大負荷出現在第4 903 h(全年8 760 h)，地鐵車站模擬總負荷最大值為967.87 kW，與設計計算總負荷相比誤差在3%以內。

圖5 地鐵車站逐時冷負荷Fig. 5 Hourly cooling load diagram of the metro station

3.2 工頻運行空調系統模型

在找尋苑陵路站的建筑圍護結構模型后，需要找尋工頻運行空調系統模型，作為基于最小水流量控制策略節能性分析的對照模型。所搭建的空調系統基礎模型如圖6所示。工頻運行即空調系統中所有的電氣設備均采用額定頻率50 Hz運行。工頻運行空調系統模型主要包括風系統、水系統以及外部輸入系統。

圖6 地鐵車站空調系統基礎模型Fig. 6 Basic model diagram of air conditioning system in the metro station

3.3 基于最小水流量的空調系統模型

最小水流量指各末端設備在均能滿足房間負荷需求的情況下，整個冷凍水系統所需的最小水流量。

最小水流量的計算，首先需要研究末端設備的除濕、換熱特性，得到末端設備的制冷量剛好滿足對應房間負荷要求的水流量，即末端設備的最小水流量。此外，對于水系統而言，水流量的分配是和管網系統阻抗值有關的。根據各管段的阻抗值，可求得每個末端設備的流量占比。對于每個末端設備都可以求出一個水系統的最小水流量，在所求出的所有的水系統最小水流量中取一個最大值，即為可以滿足所有末端設備負荷要求的水系統的最小水流量。

通過已開發好的表冷器最小水流量部件和管網系統控制策略部件[11]，在工頻運行空調系統模型上進行優化。得到基于最小水流量控制的空調系統模型(見圖7)。風側采取根據負荷變化的高、中、低3檔調節方式；水側則采取最小水流量控制策略。

圖7 基于最小水流量的空調系統模型Fig. 7 Air conditioning system model diagram based on minimum water flow

4 結果分析

4.1 全工況分析

本文對苑陵路站工頻運行空調系統和基于最小水流量空調系統的模擬結果進行了分析。其中風系統主要包括末端設備、新風機以及回風機的能耗；水系統主要包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔的能耗。空調系統能耗匯總如表2所示。

表2 空調系統能耗匯總

基于最小水流量的空調系統總能耗相比工頻運行空調系統，節能率為53.1%。其中風系統節能54.5%；水系統節能52.7%。

可對工頻運行策略下和基于最小水流量運行策略下的苑陵路站典型房間的溫度(以站廳、站臺為例)進行模擬。模擬結果如圖8-圖9所示。工頻運行策略下，室內房間溫度均滿足室內設計要求。由建筑負荷模型模擬結果可知，空調系統全年90%的時間在部分負荷下運行。因此，地鐵車站空調系統各設備在工頻運行的時候，對于表冷器而言，額定工況下的制冷量遠大于室內冷負荷，房間溫度低于室內設計溫度。此時能耗也較高，極具節能潛力。

圖8 工頻運行的站廳、站臺溫度Fig. 8 Station hall and platform temperature with working frequency operation

圖9 基于最小水流量的站廳、站臺溫度Fig. 9 Station hall and platform temperature with minimum water flow control operation

在最小水流量運行策略下，站廳以及站臺的溫度控制效果較好，除剛開始和臨近結束的過渡季外，空調系統工作的其他時段內站廳溫度大多控制在設計溫度29 ℃±0.5 ℃，站臺溫度大多控制在設計溫度28 ℃±0.5 ℃，房間溫度均滿足室內設計要求。在空調開啟的情況下，房間溫度并沒有受房間負荷波動的影響。

4.2 部分負荷率下工況分析

結合苑陵路站建筑負荷模型，對輸出的逐時負荷進行處理，并對逐時負荷按每日進行累計，24 h為1個周期，得到了苑陵路站逐日負荷。對地鐵車站逐日冷負荷進行篩選，根據累計日負荷的數據，以7月24日累計熱負荷最大值12.2 MW作為100%負荷率，在此基礎上對75%負荷、50%負荷以及30%負荷進行了篩選。具體篩選結果如表3所示。

表3 不同負荷率結果匯總

在不同負荷率下對站廳的溫度進行了模擬輸出。其結果如圖10所示。整體來看，在空調開啟的時間段內不同負荷率下站廳溫度均低于29.5 ℃；30%負荷率下和50%負荷率下房間溫度出現了低于25.8 ℃的情況。此時，空調關閉的情況下，室內溫度仍能滿足設計要求。

圖10 不同負荷率下站廳溫度Fig. 10 The temperature of the station hall at different load rates

5 結語

本文以鄭州市苑陵路站空調系統為研究對象，利用TRNSYS仿真軟件對工頻運行策略和基于最小水流量運行策略的溫度控制以及節能效果進行了分析。結果表明：

(1) 工頻運行空調系統總能耗為487.2 MW·h，其中風系統能耗為123.9 MW·h，占總能耗的25.4%；水系統為363.3 MW·h，占總能耗的74.5%；

(2) 基于最小水流量的空調系統總能耗為228.2 MW·h，相比較工頻運行策略節能率為53.1%。其中風系統節能54.5%；水系統節能52.7%；

(3) 基于最小水流量控制策略的整體溫度控制效果較好，房間溫度能控制在室內設計溫度±0.5 ℃范圍以內。