彭景華，李峰，梁暉，陳劍楠，曹蕾

新型地鐵空調(diào)系統(tǒng)變負荷運行的節(jié)能優(yōu)化控制研究

彭景華1，李峰2，梁暉1，陳劍楠3，曹蕾3

（1.廣東西屋康達空調(diào)有限公司，廣東佛山528216；2.廣州大學(xué)建筑節(jié)能研究院，廣東廣州510006；3.熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，清華大學(xué)熱能工程系，北京100084）

今后的二三十年是我國城市地鐵交通發(fā)展的高峰期，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是整個地鐵工程的重要組成部分。本文以提高地鐵環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能整體方案，提出一種新型的冷媒直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了空調(diào)系統(tǒng)變負荷時，基于系統(tǒng)最小能耗的節(jié)能控制方法。結(jié)果表明，基于最小系統(tǒng)能耗的節(jié)能控制方法可以大大提高空調(diào)系統(tǒng)在部分負荷時的能效比，減小系統(tǒng)能耗。

新型地鐵空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能控制；最小能耗；能效比

0 引言

地鐵作為一個城市的標志性公共基礎(chǔ)設(shè)施，人員活動密集，今后的二三十年是我國城市地鐵交通發(fā)展的高峰期。地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是整個地鐵工程的重要組成部分，不僅為人員提供必須的安全、衛(wèi)生、舒適的環(huán)境條件，同時也為列車及設(shè)備的運行提供必要的環(huán)境條件。軌道交通的快速發(fā)展在一定程度上緩解了城市化進程中的交通壓力。但其能耗都相當驚人，其中地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占了相當大的比例。根據(jù)實驗分析統(tǒng)計，如果采用屏蔽門制式，通風(fēng)空調(diào)用電量約占整個系統(tǒng)的1/3，如采用閉式系統(tǒng)，這一比例甚至達到了50%。因此優(yōu)化設(shè)計地鐵環(huán)控系統(tǒng)，減少能源消耗，降低環(huán)控系統(tǒng)運行費用，成為一個值得關(guān)注的重要課題。

在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，冷水機組一般是根據(jù)最大負荷來選型，然而對于大部分建筑而言，空調(diào)系統(tǒng)的負荷會隨著環(huán)境溫度的變化及建筑使用的變化而改變[1，2]。以北京地區(qū)夏季負荷為例：5～9月空調(diào)共運行2880h，1個空調(diào)季節(jié)中建筑物配用的冷水機組98%的時間負荷率在70%以下[3]。因而中央空調(diào)系統(tǒng)在部分負荷下的節(jié)能優(yōu)化控制就顯得特別重要。有研究表明，中央空調(diào)系統(tǒng)存在的節(jié)能潛力跟系統(tǒng)實際運行負荷的大小有關(guān)，實際負荷越小，系統(tǒng)的節(jié)能空間越大，在通常的空調(diào)負荷分布情況下，節(jié)能率可達25.1%[4]。

地鐵車站中央空調(diào)的負荷更比一般建筑有著自己的特點。屏蔽門系統(tǒng)模式下，地下車站可視為一個相對封閉的地下箱形建筑。其熱濕負荷由機電負荷、人體熱濕負荷、圍護結(jié)構(gòu)負荷及其他不確定空調(diào)負荷組成。由于地鐵內(nèi)人員流動性大且隨時間分配并不平均，因而地鐵車站中央空調(diào)的負荷動態(tài)變化要比一般建筑物中央空調(diào)還要顯著。因而對于地鐵車站中央空調(diào)系統(tǒng)來說，其在變負荷運行中的性能及節(jié)能優(yōu)化就顯得更為重要。

國內(nèi)工程技術(shù)和科研人員對大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運行進行了大量的研究工作，趙廷法等人以中央空調(diào)能耗模型為基礎(chǔ)，根據(jù)VAV中央空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗數(shù)學(xué)模型，并綜合考慮VAV中央空調(diào)各設(shè)備之間的耦合關(guān)系，利用Matlab中的Simulink工具箱建立了反映VAV中央空調(diào)運行過程中各變量與系統(tǒng)能耗之間關(guān)系的仿真模型進行仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析驗證，但仿真計算結(jié)果存在比較大的偏差[5]。

中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要來源于幾大動力設(shè)備的的電耗：壓縮機、冷凝器側(cè)冷卻水泵以及蒸發(fā)器側(cè)的風(fēng)機或者水泵。響中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要因素包括環(huán)境、建筑、設(shè)計參數(shù)以及系統(tǒng)的運行維護管理等。目前，減少中央空調(diào)系統(tǒng)能耗的具體方法主要包括：1）降低建筑物冷負荷的需求；2）優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計；3）系統(tǒng)及其部件的優(yōu)化控制；4）提高制冷機組的工作效率；5）采用變風(fēng)量、變水量系統(tǒng)；6）利用自然通風(fēng)或回風(fēng)節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)的能耗[6]。上述辦法都能從不同程度上節(jié)約系統(tǒng)的能耗，但從中央空調(diào)系統(tǒng)的運行原理可知：改變中央空調(diào)運行的經(jīng)濟性才是本質(zhì)的，使中央空調(diào)系統(tǒng)在任何工況下都運行在最節(jié)能的工作點上的優(yōu)化控制才是最有效的?？照{(diào)系統(tǒng)處于部分負荷時，如果幾大動力設(shè)備仍按照額定負荷下的參數(shù)運行，將造成相當大的能量的浪費。變水量與變風(fēng)量同時控制的中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)能夠解決中央空調(diào)系統(tǒng)中水泵、風(fēng)機定速運行時的能源浪費問題，基于西門子大中功率變頻器的冷凍水、冷卻水變水量節(jié)能子系統(tǒng)，與基于通用小功率變頻器的風(fēng)機盤管變風(fēng)量節(jié)能子系統(tǒng)，具有良好的空調(diào)節(jié)能效益和房間溫度控制效果，但對如何確定控制策略，仍然沒有詳細的研究[7]。目前大量的研究都只針對三大主機的某一部件的變負荷運行時的節(jié)能控制，如變冷卻水流量或變冷凍水流量，然而對于空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)整個閉式熱力循環(huán)，某一設(shè)備的變化必然引起整個熱力循環(huán)的變化，三大設(shè)備必須聯(lián)動調(diào)節(jié)，整體控制，才能起到節(jié)能優(yōu)化的目的。

本文針對目前城市軌道交通能耗大，能源利用效率較低的現(xiàn)狀，本項目以縮小地鐵車站規(guī)模、減少工程投資為出發(fā)點，提出一種新型的冷媒直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上研究了空調(diào)系統(tǒng)變負荷時，冷卻水流量、壓縮機容量以及風(fēng)量共同協(xié)調(diào)的基于最小能耗的優(yōu)化控制方法。

1 地鐵站廳一次回風(fēng)冷劑直接蒸發(fā)組合式空調(diào)機組

目前國內(nèi)外的地鐵空調(diào)大系統(tǒng)一般都采用空調(diào)冷水作為中間載冷劑，冷水機組產(chǎn)生7/12℃的冷水，輸送至空氣處理機組，常規(guī)的地鐵空調(diào)系統(tǒng)主要采用一次回風(fēng)組合式全空氣系統(tǒng)，即站廳回風(fēng)和新風(fēng)混合在空調(diào)箱中進行集中處理后，再通過風(fēng)管送入地鐵站廳，空調(diào)箱承擔全部空調(diào)負荷和新風(fēng)負荷。冷水機組通過水系統(tǒng)送出7℃冷凍水，至組合式空調(diào)機組的表冷器與空氣熱濕交換，冷凝去濕，將被處理空氣處理低至室內(nèi)露點溫度（也必然低于室內(nèi)干球溫度），進行熱濕處理，使其能夠同時去除室內(nèi)的余熱量和余濕量，表冷器的出水為12℃再回到冷水機組循環(huán)冷卻。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 常規(guī)地鐵站廳一次回風(fēng)組合式空調(diào)系統(tǒng)原理圖

此空調(diào)系統(tǒng)主要采用冷水作為載冷劑由冷水泵從冷水機組輸送冷量到空調(diào)機組，是民用建筑常用的空調(diào)設(shè)計方法，對于建筑物內(nèi)有大量房間的縱多風(fēng)機盤管是較好的空調(diào)方案，水冷表冷器技術(shù)成熟，但空調(diào)冷水系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，機房設(shè)置有制冷機房及空氣處理機房，冷水系統(tǒng)消耗了大量的輸送能耗。

圖2 地鐵站廳一次回風(fēng)冷劑直接蒸發(fā)組合式空調(diào)機組系統(tǒng)原理圖

本課題組根據(jù)地鐵空調(diào)長期研究，以及地鐵空調(diào)實時負荷變化規(guī)律，研發(fā)并設(shè)計了新一代地鐵空調(diào)，新型的地鐵車站通風(fēng)空調(diào)包括冷卻塔，冷卻水系統(tǒng)和冷媒直接蒸發(fā)空調(diào)機組，與傳統(tǒng)的城市軌道交通空調(diào)相比較，減少了冷凍水系統(tǒng)，冷水機組，而壓縮機和殼管式冷凝器優(yōu)化組合成壓縮冷凝部分，整個空調(diào)制冷系統(tǒng)簡單簡潔。通過壓縮機制冷，采用直接蒸發(fā)形式，將制冷劑對混合進行降溫除濕，冷凝熱通過冷卻水泵和冷卻塔向室外的空氣中散熱，完成整個制冷過程，其系統(tǒng)原理如圖2所示。

2 建立系統(tǒng)模型

空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑通過空調(diào)系統(tǒng)的動力設(shè)備以及換熱設(shè)備完成制冷循環(huán)，制冷循環(huán)的原理圖如圖3所示。

圖3 制冷循環(huán)原理圖

1-2是制冷劑的壓縮過程，在壓縮機中完成，2-3是在冷凝器中的冷凝過程，3-4是節(jié)流過程，1-4是在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程。由圖可見，熱力循環(huán)曲線首尾相連，制冷劑的實際循環(huán)受到壓縮機、蒸發(fā)器以及冷凝器的共同控制，也就是說這三個設(shè)備中每個設(shè)備的工況變動都會引起整個熱力循環(huán)的變化，比如蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)量減小，會導(dǎo)致蒸發(fā)器傳熱系數(shù)降低，蒸發(fā)器換熱量減小，蒸發(fā)溫度降低，進而影響制冷劑在壓縮機中的狀態(tài)，使壓縮過程產(chǎn)生變化，影響壓縮機的功耗以及壓縮機排氣參數(shù)，進而影響冷凝溫度。所以，在研究空調(diào)系統(tǒng)部分負荷時的節(jié)能優(yōu)化控制時，以往研究中單獨研究變冷凍水流量、壓縮機變頻或者變冷卻水流量的節(jié)能控制是不全面、不符合實際工況的，必須將壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器統(tǒng)分別建立模型，統(tǒng)一到整個空調(diào)系統(tǒng)中去綜合分析，才能得到實際中可以實現(xiàn)的節(jié)能優(yōu)化控制策略。

本文以西屋康達ZK-180空調(diào)機組為例，對空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器以及冷卻水泵和風(fēng)機建立模型，進行了部分負荷下的節(jié)能優(yōu)化控制分析。ZK-180機組的設(shè)備型號以及額定工況參數(shù)見表1。

表1 ZK-180機組設(shè)備參數(shù)

變風(fēng)量、變冷卻水流量以及壓縮機變頻調(diào)節(jié)空調(diào)機組性能并不關(guān)注機組的動態(tài)變化過程，而是關(guān)心調(diào)節(jié)工況下的能耗，因而本文采用分布集總參數(shù)法建立空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型。

2.1 壓縮機模型

壓縮機的型號為CSR140-AW，額定工況下吸氣溫度為9.5℃，排氣溫度為38℃，過熱度、過冷度均為5℃。對于一款選定的壓縮機來說，其制冷能力即負荷只與制冷循環(huán)的冷凝溫度TC、蒸發(fā)溫度TE以及壓縮機的能力容調(diào)x有關(guān)。這款壓縮機是無級調(diào)節(jié)的，其x值可在0到1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。當x=1時，壓縮機在此狀態(tài)下滿載運行，其制冷量為Q0100，同一熱力狀態(tài)任意能力容調(diào)下的制冷量Q0=x·Q0100。

能力容調(diào)x=1時，壓縮機的制冷能力Q0100以及壓縮機的電功耗PC100是冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的函數(shù)：Q0100=f（TE，TC），PC100=g（TE，TC）。利用實測數(shù)據(jù)，可以對這兩個函數(shù)進行多項式擬合，擬合多項式如下：

擬合結(jié)果見表2。

表2 擬合性能曲線表

任意能力容調(diào)下的壓縮機電功耗PC也可以通過類似Q0=x·Q0100的方法由PC100得到，擬合關(guān)系式如下：

2.2 蒸發(fā)器模型

本文研究的機組選定的蒸發(fā)器是翅片式蒸發(fā)器，制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)吸熱，管外空氣在風(fēng)機作用下強迫對流放熱，這是一個典型的換熱器換熱過程。蒸發(fā)器的換熱量為：

式中Q—蒸發(fā)器換熱量，W；

K—蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，W/m2·K；

F—蒸發(fā)器換熱面積，m2；

ΔT—對數(shù)平均溫差，K。

式中Twin—回風(fēng)溫度，K；

Twout—送風(fēng)溫度，K。

傳熱系數(shù)K由三部分組成：

式中αae—空氣側(cè)肋管外表面的當量放熱系數(shù)，W/m2·K；

Rf—管壁和垢層的附加熱阻，m2·K/W；

αb—管內(nèi)換熱系數(shù)，W/m2·K。

式中ηf—濕工況下的肋片效率；

A—每米管外表面的換熱面積，m2；

Af—每米管長的肋片面積，m2；

Ap—每米管外表面換熱面積，m2；

αw—管外空氣側(cè)換熱系數(shù)，W/m2·K。

式中c1，c2—系數(shù)；

λ—空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

de—與尺寸相關(guān)的空氣流通斷面當量直徑，m；

其中參數(shù)均為已知。

因而對于空調(diào)系統(tǒng)中的確定型號的蒸發(fā)器，其實際換熱量Q0e是蒸發(fā)溫度、風(fēng)量、回風(fēng)及送風(fēng)溫度的函數(shù)Q0e=fe（TE，Gw，Twin，Twout）。

2.3 冷凝器模型

冷凝器與蒸發(fā)器在換熱過程的原理上是相同的，都是典型的換熱器的傳熱過程，因此二者的建模過程也是類似的，在這里不再贅述冷凝器的建模，僅給出最終的結(jié)果。

冷凝器的換熱量Qcc是冷卻水流量Gcw、冷凝溫度Tc、冷卻水進出口溫度Tcwin、Tcwout的函數(shù)：Qcc=fe（Tc，Gcw，Tcwin，Tcwout）。

2.4 冷卻水泵以及風(fēng)機的運行特性

在尺寸比例不是太大的情況下，可以認為模型泵和原型泵的效率是相等的，則可以得到水泵及其裝置的相似定律如下：

其中風(fēng)速v可由確定工況下的風(fēng)量Gw得到。

式中G，P—泵的流量和功率，m/s，kW；

λL—尺寸比例因子，下標P和M分別指原型和模型。如果泵的相應(yīng)尺寸相同（或指同一臺泵），則不同轉(zhuǎn)速n下的相似定律公式為：

式中G1，P1—水泵實際工況下的流量和功率，m3/s，kW；

G0，P0—水泵在額定工況下的流量和功率，m3/s，kW。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，建立水泵模型為：

風(fēng)機與水泵類似，建立模型為：

3 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制方法

為了保證舒適性與經(jīng)濟性，給出地鐵空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)溫度與送風(fēng)溫度Twin=28℃，Twout=17.8℃。由蒸發(fā)器側(cè)的換熱可知制冷量Q0應(yīng)與空氣放熱量等，即：Q0=Gwρ風(fēng)量與制冷量確立起一一對應(yīng)的關(guān)系。蒸發(fā)器側(cè)的換熱應(yīng)有Q0=Q0e，同理冷凝器側(cè)的換熱應(yīng)有：QC=QCC=GcwρcwCcw（Tcwout-Tcwin）。因為在外界環(huán)境不改變的情況下，冷卻水的進水溫度基本保持不變：Tcwin=30℃，冷卻水的出水溫度是隨著制冷循環(huán)的狀態(tài)的變化而變化的。

綜合第二部分建立的模型有：

由制冷循環(huán)可知冷凝負荷等于制冷量與壓縮機耗功之和，因而有：

同時制冷循環(huán)是一個閉式循環(huán)，制冷劑在循環(huán)過程中遵循質(zhì)量守恒，因而有蒸發(fā)過程的質(zhì)量流量等于冷凝過程的質(zhì)量流量：ge=gc。其中標1、2、3、4對應(yīng)于圖3中的狀態(tài)點，可由蒸發(fā)溫度與冷凝溫度推得，因而有：

聯(lián)立各式即可解得此空調(diào)系統(tǒng)在某一特定負荷Q0下所有可能存在的工況。每一種工況都會對應(yīng)一個制冷循環(huán)狀態(tài)以及風(fēng)量和冷卻水流量，由這些工況參數(shù)即可求得壓縮機的電功耗、水泵的功耗以及風(fēng)機的功耗，有特定工況下的總功耗為：Psum=Pp+PC+Pf，能效比

空調(diào)系統(tǒng)在變負荷時的節(jié)能優(yōu)化控制思想就是在某一負荷下，所選取的工況狀態(tài)對應(yīng)的總功耗最小，能效比最大。也就是說利用模型，可以解得某一負荷下的所有可能存在工況狀態(tài){S1，S2…Sn}，進而求得每一工況狀態(tài)對應(yīng)的功耗和能效比：{Psum1，Psum2…Psumn}、{EER1，EER2…EERn}。功耗集合中的最小值及能效比集合中的最大值所對應(yīng)的工況狀態(tài)就是此負荷下的最優(yōu)節(jié)能控制點。

本文利用這一方法，對ZK-180機組從50%負荷到100%負荷的運行狀態(tài)進行最優(yōu)節(jié)能控制分析，并與不使用節(jié)能控制方法的定流量狀態(tài)下的結(jié)果以及傳統(tǒng)的定溫差控制冷卻水流量和定冷凝溫度控制方法的結(jié)果進行了對比分析。

圖4 系統(tǒng)總功耗對比

圖5 系統(tǒng)能效比EER對比

由圖4可以看出，在相同負荷下，節(jié)能控制的總功耗低于定流量運行和常規(guī)變流量運行的總功耗。與定流量相比，當系統(tǒng)負荷降低時，蒸發(fā)器側(cè)和冷卻水側(cè)均采用變流量運行，流經(jīng)機組的風(fēng)量、冷卻水流量減小，導(dǎo)致蒸發(fā)器和冷凝器的換熱性能降低，使空調(diào)機組的性能變差，機組的功耗增加，但是優(yōu)化運行使得風(fēng)機和冷卻水泵的功耗大大減小，系統(tǒng)的總功耗也減?。慌c常規(guī)的變流量方式相比，基于最小能耗的節(jié)能控制則使得空調(diào)機組壓縮機功耗與水泵功耗和風(fēng)機功耗達到最佳匹配，而不是只單純的隨負荷同比例的減少水流量，使得系統(tǒng)在降低水泵功耗的同時導(dǎo)致空調(diào)機組的性能變得較差。由圖5可以看到，采用節(jié)能控制的能效比也遠優(yōu)于定流量和常規(guī)變流量運行的性能系數(shù)，特別是負荷率越低，節(jié)能的效果越明顯。負荷率為0.5時，定流量運行方式的能效比僅為4.0，而基于最小能耗的節(jié)能控制運行方式的能效比高達5.2，提高了30%，系統(tǒng)總功耗比定流量時減小了3kW，功耗減小了30%。由以上分析可以看到，采用節(jié)能控制運行可以使水泵功耗、風(fēng)機功耗和壓縮機的功耗達到最佳匹配，使系統(tǒng)性能達到最佳，運行能效最高。

4 結(jié)語

對地鐵的站廳空調(diào)系統(tǒng)來說，其用冷點單一，需要輸送冷量的地方，只有站廳兩端的空調(diào)機房，以縮小地鐵車站規(guī)模、減少工程投資為出發(fā)點，提出一種新型的冷媒直接蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)。

地鐵空調(diào)系統(tǒng)常工作在負荷變動的環(huán)境下，部分負荷下的空調(diào)機組有著很大的節(jié)能潛力。本文針對這一問題，提出了基于系統(tǒng)最小能耗的節(jié)能控制方法，發(fā)現(xiàn)采用節(jié)能控制的能效比也遠優(yōu)于定流量和常規(guī)變流量運行的性能系數(shù)，特別是負荷率越低，節(jié)能的效果越明顯。負荷率為0.5時，定流量運行方式的能效比僅為4.0，而基于最小能耗的節(jié)能控制運行方式的能效比高達5.2，提高了30%，系統(tǒng)總功耗比定流量時減小了3kW，功耗減小了30%。

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Study of Energy Control Strategy for a Novel Subway Air Conditioning System under Various Load

PENG Jing-hua1，LI Feng2，LIANG Hui1，CHEN Jian-nan3，CAO Lei3
（1．Guangdong Siukonda Air Conditioning Co.，Ltd，F(xiàn)oshan 528216，China；2.Guangzhou University Building Energy Research Institute，Guangzhou 510006，China；3.Department of Thermal Energy and Power Engineering Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The urban rail transit system will be fast developed in decades in our country.The subway environmental control system plays an important role in the subway engineering.A novel coolant-direct-evaporation air conditioning system is presented to save land resource and money.The article presents an enhancement on energy-saving of metro coop-control system.The energy control strategy based on minimum energy consumption for various load of the system is researched.The result shows that the energy control strategy based on minimum energy consumption improves the energy efficiency ratio and reduce the system power consumption greatly in part load.

novel subway air conditioning system；energy control；minimum energy consumption；EER

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.019

TU831

B

2095-3429（2015）01-0081-06

2014-11-27

修回日期：2015-03-18

2013年廣東省產(chǎn)學(xué)研資助項目，No.20130902.