新型地铁空调系统变负荷运行的节能优化控制研究

彭景华，李峰，梁晖，陈剑楠，曹蕾

新型地铁空调系统变负荷运行的节能优化控制研究

彭景华1，李峰2，梁晖1，陈剑楠3，曹蕾3

（1.广东西屋康达空调有限公司，广东佛山528216；2.广州大学建筑节能研究院，广东广州510006；3.热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学热能工程系，北京100084）

今后的二三十年是我国城市地铁交通发展的高峰期，地铁车站通风空调系统是整个地铁工程的重要组成部分。本文以提高地铁环控系统节能整体方案，提出一种新型的冷媒直接蒸发空调系统，并在此基础上提出了空调系统变负荷时，基于系统最小能耗的节能控制方法。结果表明，基于最小系统能耗的节能控制方法可以大大提高空调系统在部分负荷时的能效比，减小系统能耗。

新型地铁空调系统；节能控制；最小能耗；能效比

0 引言

地铁作为一个城市的标志性公共基础设施，人员活动密集，今后的二三十年是我国城市地铁交通发展的高峰期。地铁车站通风空调系统是整个地铁工程的重要组成部分，不仅为人员提供必须的安全、卫生、舒适的环境条件，同时也为列车及设备的运行提供必要的环境条件。轨道交通的快速发展在一定程度上缓解了城市化进程中的交通压力。但其能耗都相当惊人，其中地铁车站通风空调系统能耗占了相当大的比例。根据实验分析统计，如果采用屏蔽门制式，通风空调用电量约占整个系统的1/3，如采用闭式系统，这一比例甚至达到了50%。因此优化设计地铁环控系统，减少能源消耗，降低环控系统运行费用，成为一个值得关注的重要课题。

在中央空调系统设计中，冷水机组一般是根据最大负荷来选型，然而对于大部分建筑而言，空调系统的负荷会随着环境温度的变化及建筑使用的变化而改变[1，2]。以北京地区夏季负荷为例：5～9月空调共运行2880h，1个空调季节中建筑物配用的冷水机组98%的时间负荷率在70%以下[3]。因而中央空调系统在部分负荷下的节能优化控制就显得特别重要。有研究表明，中央空调系统存在的节能潜力跟系统实际运行负荷的大小有关，实际负荷越小，系统的节能空间越大，在通常的空调负荷分布情况下，节能率可达25.1%[4]。

地铁车站中央空调的负荷更比一般建筑有着自己的特点。屏蔽门系统模式下，地下车站可视为一个相对封闭的地下箱形建筑。其热湿负荷由机电负荷、人体热湿负荷、围护结构负荷及其他不确定空调负荷组成。由于地铁内人员流动性大且随时间分配并不平均，因而地铁车站中央空调的负荷动态变化要比一般建筑物中央空调还要显著。因而对于地铁车站中央空调系统来说，其在变负荷运行中的性能及节能优化就显得更为重要。

国内工程技术和科研人员对大型公共建筑空调系统节能优化运行进行了大量的研究工作，赵廷法等人以中央空调能耗模型为基础，根据VAV中央空调系统各设备能耗数学模型，并综合考虑VAV中央空调各设备之间的耦合关系，利用Matlab中的Simulink工具箱建立了反映VAV中央空调运行过程中各变量与系统能耗之间关系的仿真模型进行仿真，并对仿真结果进行了分析验证，但仿真计算结果存在比较大的偏差[5]。

中央空调系统的能耗主要来源于几大动力设备的的电耗：压缩机、冷凝器侧冷却水泵以及蒸发器侧的风机或者水泵。响中央空调系统能耗的重要因素包括环境、建筑、设计参数以及系统的运行维护管理等。目前，减少中央空调系统能耗的具体方法主要包括：1）降低建筑物冷负荷的需求；2）优化暖通空调系统设计；3）系统及其部件的优化控制；4）提高制冷机组的工作效率；5）采用变风量、变水量系统；6）利用自然通风或回风节约空调系统的能耗[6]。上述办法都能从不同程度上节约系统的能耗，但从中央空调系统的运行原理可知：改变中央空调运行的经济性才是本质的，使中央空调系统在任何工况下都运行在最节能的工作点上的优化控制才是最有效的。空调系统处于部分负荷时，如果几大动力设备仍按照额定负荷下的参数运行，将造成相当大的能量的浪费。变水量与变风量同时控制的中央空调节能控制系统能够解决中央空调系统中水泵、风机定速运行时的能源浪费问题，基于西门子大中功率变频器的冷冻水、冷却水变水量节能子系统，与基于通用小功率变频器的风机盘管变风量节能子系统，具有良好的空调节能效益和房间温度控制效果，但对如何确定控制策略，仍然没有详细的研究[7]。目前大量的研究都只针对三大主机的某一部件的变负荷运行时的节能控制，如变冷却水流量或变冷冻水流量，然而对于空调系统内整个闭式热力循环，某一设备的变化必然引起整个热力循环的变化，三大设备必须联动调节，整体控制，才能起到节能优化的目的。

本文针对目前城市轨道交通能耗大，能源利用效率较低的现状，本项目以缩小地铁车站规模、减少工程投资为出发点，提出一种新型的冷媒直接蒸发空调系统，并在此基础上研究了空调系统变负荷时，冷却水流量、压缩机容量以及风量共同协调的基于最小能耗的优化控制方法。

1 地铁站厅一次回风冷剂直接蒸发组合式空调机组

目前国内外的地铁空调大系统一般都采用空调冷水作为中间载冷剂，冷水机组产生7/12℃的冷水，输送至空气处理机组，常规的地铁空调系统主要采用一次回风组合式全空气系统，即站厅回风和新风混合在空调箱中进行集中处理后，再通过风管送入地铁站厅，空调箱承担全部空调负荷和新风负荷。冷水机组通过水系统送出7℃冷冻水，至组合式空调机组的表冷器与空气热湿交换，冷凝去湿，将被处理空气处理低至室内露点温度（也必然低于室内干球温度），进行热湿处理，使其能够同时去除室内的余热量和余湿量，表冷器的出水为12℃再回到冷水机组循环冷却。其系统原理如图1所示。

图1 常规地铁站厅一次回风组合式空调系统原理图

此空调系统主要采用冷水作为载冷剂由冷水泵从冷水机组输送冷量到空调机组，是民用建筑常用的空调设计方法，对于建筑物内有大量房间的纵多风机盘管是较好的空调方案，水冷表冷器技术成熟，但空调冷水系统的控制调节比较复杂，机房设置有制冷机房及空气处理机房，冷水系统消耗了大量的输送能耗。

图2 地铁站厅一次回风冷剂直接蒸发组合式空调机组系统原理图

本课题组根据地铁空调长期研究，以及地铁空调实时负荷变化规律，研发并设计了新一代地铁空调，新型的地铁车站通风空调包括冷却塔，冷却水系统和冷媒直接蒸发空调机组，与传统的城市轨道交通空调相比较，减少了冷冻水系统，冷水机组，而压缩机和壳管式冷凝器优化组合成压缩冷凝部分，整个空调制冷系统简单简洁。通过压缩机制冷，采用直接蒸发形式，将制冷剂对混合进行降温除湿，冷凝热通过冷却水泵和冷却塔向室外的空气中散热，完成整个制冷过程，其系统原理如图2所示。

2 建立系统模型

空调系统内的制冷剂通过空调系统的动力设备以及换热设备完成制冷循环，制冷循环的原理图如图3所示。

图3 制冷循环原理图

1-2是制冷剂的压缩过程，在压缩机中完成，2-3是在冷凝器中的冷凝过程，3-4是节流过程，1-4是在蒸发器中的蒸发过程。由图可见，热力循环曲线首尾相连，制冷剂的实际循环受到压缩机、蒸发器以及冷凝器的共同控制，也就是说这三个设备中每个设备的工况变动都会引起整个热力循环的变化，比如蒸发器侧风量减小，会导致蒸发器传热系数降低，蒸发器换热量减小，蒸发温度降低，进而影响制冷剂在压缩机中的状态，使压缩过程产生变化，影响压缩机的功耗以及压缩机排气参数，进而影响冷凝温度。所以，在研究空调系统部分负荷时的节能优化控制时，以往研究中单独研究变冷冻水流量、压缩机变频或者变冷却水流量的节能控制是不全面、不符合实际工况的，必须将压缩机、冷凝器、蒸发器统分别建立模型，统一到整个空调系统中去综合分析，才能得到实际中可以实现的节能优化控制策略。

本文以西屋康达ZK-180空调机组为例，对空调系统的压缩机、蒸发器、冷凝器以及冷却水泵和风机建立模型，进行了部分负荷下的节能优化控制分析。ZK-180机组的设备型号以及额定工况参数见表1。

表1 ZK-180机组设备参数

变风量、变冷却水流量以及压缩机变频调节空调机组性能并不关注机组的动态变化过程，而是关心调节工况下的能耗，因而本文采用分布集总参数法建立空调系统的稳态模型。

2.1 压缩机模型

压缩机的型号为CSR140-AW，额定工况下吸气温度为9.5℃，排气温度为38℃，过热度、过冷度均为5℃。对于一款选定的压缩机来说，其制冷能力即负荷只与制冷循环的冷凝温度TC、蒸发温度TE以及压缩机的能力容调x有关。这款压缩机是无级调节的，其x值可在0到1范围内调节。当x=1时，压缩机在此状态下满载运行，其制冷量为Q0100，同一热力状态任意能力容调下的制冷量Q0=x·Q0100。

能力容调x=1时，压缩机的制冷能力Q0100以及压缩机的电功耗PC100是冷凝温度与蒸发温度的函数：Q0100=f（TE，TC），PC100=g（TE，TC）。利用实测数据，可以对这两个函数进行多项式拟合，拟合多项式如下：

拟合结果见表2。

表2 拟合性能曲线表

任意能力容调下的压缩机电功耗PC也可以通过类似Q0=x·Q0100的方法由PC100得到，拟合关系式如下：

2.2 蒸发器模型

本文研究的机组选定的蒸发器是翅片式蒸发器，制冷剂在管内蒸发吸热，管外空气在风机作用下强迫对流放热，这是一个典型的换热器换热过程。蒸发器的换热量为：

式中Q—蒸发器换热量，W；

K—蒸发器传热系数，W/m2·K；

F—蒸发器换热面积，m2；

ΔT—对数平均温差，K。

式中Twin—回风温度，K；

Twout—送风温度，K。

传热系数K由三部分组成：

式中αae—空气侧肋管外表面的当量放热系数，W/m2·K；

Rf—管壁和垢层的附加热阻，m2·K/W；

αb—管内换热系数，W/m2·K。

式中ηf—湿工况下的肋片效率；

A—每米管外表面的换热面积，m2；

Af—每米管长的肋片面积，m2；

Ap—每米管外表面换热面积，m2；

αw—管外空气侧换热系数，W/m2·K。

式中c1，c2—系数；

λ—空气的导热系数，W/m·K；

de—与尺寸相关的空气流通断面当量直径，m；

其中参数均为已知。

因而对于空调系统中的确定型号的蒸发器，其实际换热量Q0e是蒸发温度、风量、回风及送风温度的函数Q0e=fe（TE，Gw，Twin，Twout）。

2.3 冷凝器模型

冷凝器与蒸发器在换热过程的原理上是相同的，都是典型的换热器的传热过程，因此二者的建模过程也是类似的，在这里不再赘述冷凝器的建模，仅给出最终的结果。

冷凝器的换热量Qcc是冷却水流量Gcw、冷凝温度Tc、冷却水进出口温度Tcwin、Tcwout的函数：Qcc=fe（Tc，Gcw，Tcwin，Tcwout）。

2.4 冷却水泵以及风机的运行特性

在尺寸比例不是太大的情况下，可以认为模型泵和原型泵的效率是相等的，则可以得到水泵及其装置的相似定律如下：

其中风速v可由确定工况下的风量Gw得到。

式中G，P—泵的流量和功率，m/s，kW；

λL—尺寸比例因子，下标P和M分别指原型和模型。如果泵的相应尺寸相同（或指同一台泵），则不同转速n下的相似定律公式为：

式中G1，P1—水泵实际工况下的流量和功率，m3/s，kW；

G0，P0—水泵在额定工况下的流量和功率，m3/s，kW。

根据实测数据，建立水泵模型为：

风机与水泵类似，建立模型为：

3 空调系统的节能优化控制方法

为了保证舒适性与经济性，给出地铁空调系统的回风温度与送风温度Twin=28℃，Twout=17.8℃。由蒸发器侧的换热可知制冷量Q0应与空气放热量等，即：Q0=Gwρ风量与制冷量确立起一一对应的关系。蒸发器侧的换热应有Q0=Q0e，同理冷凝器侧的换热应有：QC=QCC=GcwρcwCcw（Tcwout-Tcwin）。因为在外界环境不改变的情况下，冷却水的进水温度基本保持不变：Tcwin=30℃，冷却水的出水温度是随着制冷循环的状态的变化而变化的。

综合第二部分建立的模型有：

由制冷循环可知冷凝负荷等于制冷量与压缩机耗功之和，因而有：

同时制冷循环是一个闭式循环，制冷剂在循环过程中遵循质量守恒，因而有蒸发过程的质量流量等于冷凝过程的质量流量：ge=gc。其中标1、2、3、4对应于图3中的状态点，可由蒸发温度与冷凝温度推得，因而有：

联立各式即可解得此空调系统在某一特定负荷Q0下所有可能存在的工况。每一种工况都会对应一个制冷循环状态以及风量和冷却水流量，由这些工况参数即可求得压缩机的电功耗、水泵的功耗以及风机的功耗，有特定工况下的总功耗为：Psum=Pp+PC+Pf，能效比

空调系统在变负荷时的节能优化控制思想就是在某一负荷下，所选取的工况状态对应的总功耗最小，能效比最大。也就是说利用模型，可以解得某一负荷下的所有可能存在工况状态{S1，S2…Sn}，进而求得每一工况状态对应的功耗和能效比：{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对应的工况状态就是此负荷下的最优节能控制点。

本文利用这一方法，对ZK-180机组从50%负荷到100%负荷的运行状态进行最优节能控制分析，并与不使用节能控制方法的定流量状态下的结果以及传统的定温差控制冷却水流量和定冷凝温度控制方法的结果进行了对比分析。

图4 系统总功耗对比

图5 系统能效比EER对比

由图4可以看出，在相同负荷下，节能控制的总功耗低于定流量运行和常规变流量运行的总功耗。与定流量相比，当系统负荷降低时，蒸发器侧和冷却水侧均采用变流量运行，流经机组的风量、冷却水流量减小，导致蒸发器和冷凝器的换热性能降低，使空调机组的性能变差，机组的功耗增加，但是优化运行使得风机和冷却水泵的功耗大大减小，系统的总功耗也减小；与常规的变流量方式相比，基于最小能耗的节能控制则使得空调机组压缩机功耗与水泵功耗和风机功耗达到最佳匹配，而不是只单纯的随负荷同比例的减少水流量，使得系统在降低水泵功耗的同时导致空调机组的性能变得较差。由图5可以看到，采用节能控制的能效比也远优于定流量和常规变流量运行的性能系数，特别是负荷率越低，节能的效果越明显。负荷率为0.5时，定流量运行方式的能效比仅为4.0，而基于最小能耗的节能控制运行方式的能效比高达5.2，提高了30%，系统总功耗比定流量时减小了3kW，功耗减小了30%。由以上分析可以看到，采用节能控制运行可以使水泵功耗、风机功耗和压缩机的功耗达到最佳匹配，使系统性能达到最佳，运行能效最高。

4 结语

对地铁的站厅空调系统来说，其用冷点单一，需要输送冷量的地方，只有站厅两端的空调机房，以缩小地铁车站规模、减少工程投资为出发点，提出一种新型的冷媒直接蒸发空调系统。

地铁空调系统常工作在负荷变动的环境下，部分负荷下的空调机组有着很大的节能潜力。本文针对这一问题，提出了基于系统最小能耗的节能控制方法，发现采用节能控制的能效比也远优于定流量和常规变流量运行的性能系数，特别是负荷率越低，节能的效果越明显。负荷率为0.5时，定流量运行方式的能效比仅为4.0，而基于最小能耗的节能控制运行方式的能效比高达5.2，提高了30%，系统总功耗比定流量时减小了3kW，功耗减小了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，Foshan 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年广东省产学研资助项目，No.20130902.