地鐵車站空調系統節能控制策略

范穎慧

(上海申通地鐵建設集團有限公司,201103,上?！胃呒壒こ處?

目前地鐵車站空調系統的能耗問題已日益凸顯。研究表明,地鐵車站空調系統能耗占地鐵運營總能耗的30%以上,具有巨大的節能潛力。本文主要研究地鐵車站空調系統的節能控制策略,這對實現地鐵綠色低碳運營目標具有十分重要的意義。

1 空調水系統節能控制策略

1.1 冷水機組高效區尋優控制

尋優控制是以冷水機組的COP(制冷性能系數)特性曲線為基礎,通過采取一定的控制策略,實現冷水機組在運行過程中盡量避開COP低效區間。圖1為某品牌冷水機組COP特性曲線。由圖1可見,冷水機組95%以上的時間是在部分負荷下運行。在相同工況下,不同品牌不同型號冷水機組部分負荷下的COP高效區分布不同?？刂葡到y會對每臺機組的COP特性曲線進行分析,找出部分負荷下COP高效區分布情況,并針對性調整控制策略。

圖1 某品牌磁懸浮冷水機組不同冷卻水溫下的COP特性曲線

控制系統主動尋優控制策略會針對不同品牌機組設定不同的控制策略,基于運行累計的數據不斷完善和優化控制策略,做到不同工況下冷水機組均能穩定運行在COP高效區,如圖2所示。

圖2 某品牌螺桿機組不同冷卻水溫下的COP特性曲線

傳統的冷水機組控制方式是通過冷凍水總管溫度來判斷機組的加減載,不能對機組容量進行直接控制。根據空調系統節能控制研究結果,冷水機組COP高效區尋優控制方法為:采用壓縮機容量直接控制技術,直接控制每臺壓縮機的輸出容量,通過網關接口與冷水機組進行通信,并將空調系統計算的壓縮機容量寫入冷水機組機內部;根據冷水機組的進出水溫、供回水溫以及流量自動計算冷凍機房負荷變化趨勢,再根據每臺冷水機組壓縮的容量,計算出與冷凍機房負荷最匹配的壓縮機開啟方案;最后通過冷凍機房負荷變化趨勢,調節每臺壓縮機的輸出容量,確保壓縮機都能在COP高效區運行。

1.2 自適應變水溫控制

為實現空調系統節能控制的目的,應實時采集空調系統數據,智能分析空調系統中各種負荷需求。根據地鐵建筑內總負荷的實時變化情況,在滿足末端舒適性需求的前提下,智能調節空調主機的供水溫度以及空調系統的供水流量,實現冷源和輸送系統的整體節能。在中央空調系統中,主機的能耗占整個空調系統能耗的50%以上,因此,中央空調系統要達到節能的目標,首先要做的就是對中央空調系統主機進行節能控制。通過試驗發現,夏季供水溫度每升高1 ℃,就會降低主機能耗的3%。由于夏季供冷時,不同季節和時段的建筑負荷會發生變化,因此必須確保供水溫度隨之變化,以及循環水泵和地下水泵的正常運行,以確保整個中央空調系統的穩定性。

1.3 冷凍水壓差旁通控制

冷凍水系統流量與壓差由冷凍水泵的運轉、旁通來調節完成,因此必然存在大截流損失、高壓力、大流量和低溫差的情況,使中央空調系統的最末端達不到合理溫度效果,造成電能浪費。為了解決上述問題,需冷凍水泵根據實時負載變化來調節水流量,同時需關閉旁通。冷凍水壓差旁通控制方法為:首先是確保冷水機組最小供水量;其次是檢測最不利端的設備壓差,根據冷凍水循環系統壓差值需求,調整分集水器壓差的設定數據;第三,調節壓差旁通閥合理配置PID(比例、積分和微分)控制系統參數,以盡量減小壓差旁通閥的開度,減小旁通回流的能量浪費;第四,當壓差旁路閥低于設定值時,應該采取措施,如檢測冷凝器內部壓差、更新設定值、確定冷凝器內部循環水壓差;第五,對冷凍水回水溫度進行監測,通過與冷凍機組的最佳工況回水溫度進行比較后,進行溫度閉環控制,以作為輔助調節手段對冷凍水泵進行變頻調節,達到改變水泵轉速并調節流量的目的。

1.4 冷凍水變壓差控制

通過自動巡檢冷凍水管網內末端動態平衡閥狀態,來確定最不利的環路(最不利環路的動態平衡閥閥門開度最大)。若最不利環路的動態平衡閥閥門開度小于90%,則需要在降低冷凍水泵頻率的同時,將最不利情況下的環路動態平衡閥調整為最大開度狀態(閥門開度的90%～95%),以使當前冷凍水管路阻力為最低運行阻力。當巡檢冷凍水管網最不利環路動態平衡閥閥門開度大于95%時,且此時大系統組合式空調機組送風溫度高于送風溫度設定值(含偏差±1 ℃)時,則提高冷凍水泵頻率,確保水量負荷末端需求。

1.5 冷卻塔變頻主動尋優控制

根據室外氣象監測傳感器計算室外濕球溫度,以室外濕球溫度加逼近度作為冷卻塔出水總管水溫設定值,以冷卻塔出水溫度作為反饋值,控制冷卻塔的開啟數量和風機頻率。理論情況下,冷卻塔可以將冷卻塔出水溫度降到環境濕球溫度,但在冷卻塔實際運行過程中是很難達到的;冷卻塔逼近度是根據冷卻塔選型計算結果設定的出廠默認值,所以冷卻塔出水溫度設定值=環境濕球溫度+冷卻塔逼近度?？照{系統節能控制通過主動尋優算法,自動調整冷卻塔的逼近度設定點,以達到冷卻塔降溫效果最佳的目的,故在不同的環境濕球溫度下,冷卻塔出水溫度設定值是動態變化的?？照{系統根據室外溫濕度傳感器檢測值自動計算室外焓值、露點溫度和濕球溫度。焓值用于空調模式判斷,濕球溫度用于冷卻塔變頻控制?？照{系統根據室外濕球溫度自動調整冷卻塔的散熱效果,確保冷卻水回水溫度盡量接近室外濕球溫度,冷卻塔風機的變頻控制策略應通過主動尋優算法,自動調整冷卻塔頻率,使回水溫度與室外的濕球溫度盡量保持一致。對冷卻塔的控制策略應以提高整個冷凍機房COP為目標,如果冷卻塔的控制策略不利于冷凍機房COP的提高,空調系統會自動切換到更合適的控制策略上。

1.6 全局流量平衡控制

采用一定的預測算法,測算空調系統末端的實時冷負荷,以估算出空調末端對冷凍水的實時需求量。同時,數據采集閥在收到冷凍水的實時流量值后,將預測流量與實際流量進行比較,根據計算差值自動調節閥門的開度,以使空調系統中的所有末端設備均能達到最佳流量。隨著末端流量的不斷增加,冷凝水泵會自動調整其運轉速度,從而使流量達到整體均衡。這樣,即使是處于某些特定負載情況下,每臺機器的流量仍然會被有效匹配。此外,為了達到更高的效果,機器的動力水泵會采用更少的工作壓差,從而大幅度減少能源消耗。

根據冷凍供水、回水溫度和冷凍機的運行和監測狀況,準確計算出各車站所需的負荷;根據冷凍水的供水和回水壓差監測情況,適時調節旁通閥,保證冷凍水壓差的穩定;根據車站實際的動態負荷量,空調系統自動調整增減冷水機組的運行數量,以達到最佳的空調節能效果,降低地鐵的運營成本。

2 空調風系統節能控制策略

根據室外空氣參數、室內空氣溫度、組合式空調機組冷卻器出風溫度和露點溫度,通過改變車站公共區的空調通風閥的位置,能夠實現有效節能。為了節省能源,在早上運營開始之前,對車站進行預冷處理。在這個過程中,會關閉新風,以節省能源。晚上運營結束之前,會根據實際情況,提前關閉公共區域的空調系統,以節省能源。根據氣象數據、地鐵車站內熱濕的變化情況,監測和分析全年空調系統的運行工況,提出經濟、合理的調節預案,滿足地鐵環境室內溫濕度要求。

3 地鐵車站空調系統節能控制策略

地鐵車站空調系統的節能控制,其最終目標在于根據室內溫度需求,合理、經濟地控制冷水機組的冷量供應。由下往上,空調系統的調節點分別是送風機、排風機、冷水機組、冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔和采集閥。各個調節點間的控制一環扣一環,將整個空調系統有機地整合在一起。在常規空調系統的控制中,將末端控制與冷水機組的控制、風量控制與水閥控制相互獨立,不能實現冷量供應與冷量需求間有效匹配,從而控制上存在一定的滯后,影響空調系統整體節能效果。空調系統節能控制技術本質是消除空調控制這座孤島,采用一定的算法來計算空調的風量和水量,根據計算結果判斷如何調節,是風量優先還是水量優先,并通過調節冷源系統的冷凍泵的流量、調節冷水機組的負荷,達到降低整個空調系統的綜合能耗的目的?？照{系統節能控制原理如圖3所示。

圖3 空調系統節能控制原理

基于空調系統節能控制策略,對空調系統中各控制子模塊的惰性時間進行評估,并將修正時間存入數據庫,為后續的各周期內時間片分段提供依據,指導下一周期各控制子系統的調節力度。通過優化空調節能技術,不僅可以滿足不同車站的實際需求,而且可以實現節能。此外,可將地鐵空調系統節能技術研究與風力發電和水力發電的變頻控制技術結合起來研究,以實現地鐵空調系統更好運轉,避免出現系統振蕩。

本文以華東地區某地鐵車站為例,對空調系統在常規運行邏輯控制策略下與高效節能控制策略下的能耗進行比較,結果如表1所示。

表1 不同控制策略下地鐵車站空調系統能耗

4 結語

通過加強地鐵空調系統節能控制研究,采用空調系統節能技術,可以有效解決地鐵空調系統能效低、控制不精準、熱舒適性差等難題;在有效降低空調系統能耗的同時,可提高建筑能源利用效率、控制溫室氣體排放、保護生態環境,從而提高地鐵環境的熱舒適性,改善乘客的乘車體驗。