地铁空调系统变频节能分析

陆源清

地铁空调系统变频节能分析

陆源清

空调系统的变频节能控制可有效提高资源的利用效率，文章通过分析空调各换热环节的换热过程，提出了基于功率偏离的空调节能分析方法；通过具体案例分析了空调各设备的变频节能效果，提出了优化建议。

地铁；空调系统；变频；节能优化

地铁是大运力、高耗能的地下交通工具，地铁空调系统耗能约占地铁总能耗的40%，且绝大多数时间处于选型负荷的60%以下运行。因此，地铁空调系统的能耗控制，可以有效提高资源的利用效率，具有重要的经济效益和社会效益。地铁空调负荷变化大，采用变频技术对空调设备进行调节是一项有效的节能技术措施。

1 地铁空调工作原理

图1 空调系统原理

典型地铁空调系统主要由水冷螺杆式冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、组合式空调器（AHU）组成，冷水机组的蒸发器侧与冷冻水换热为组合式空调器提供冷源，冷水机组的冷凝器侧与冷却水换热，然后通过冷却塔实现与室外的高温热源的换热，其工作原理如图1所示。根据典型地铁车站空调系统原理，地铁车站公共区可以采用变流量和变风量的措施来实现空调系统的节能控制。随着站内热湿负荷和站外空气参数的变化，通过变频调节AHU风机的转速来改变送风量，以满足站内乘客及工作人员的舒适性要求；通过冷水机组变容量、水泵一次泵变流量来匹配末端负荷。

2 变频节能控制目标

涉及空调能耗的主要有冷却塔风机、冷却水泵、压缩机、冷冻水泵和AHU风机的功耗，为了便于节能分析，定义空调对应设备的标准工况功率、功率消耗占比和功率偏离比率，如表1所示。空调系统总的功率偏离比率 λ 按式（1）计算，式（1）中参数见表1：

由式（1）可见，变频节能控制目标就是在不同的工况下，如何控制不同的设备运转状态，从而使整个空调系统达到最佳的节能效果，即，设备总的功率偏离比率 λ 最小。为了便于分析，定义如下的偏离比率：

表1 标准工况功率、功率消耗占比和功率偏离比率

3 地铁空调换热分析

3.1 冷却塔换热分析

冷却塔是利用空气与水的接触（直接或间接）来冷却水进而达到散热目的的设备。冷却塔的干、湿球温度和进、出水温度及其对应关系如图2所示。

图2 冷却塔温度对应关系图

根据换热量公式，可以得到冷却塔热量偏离比率，如式（2）所示：

由式（2）可以看出，当室外湿球温度一定的情况下，冷却水进出水水温越高，热量偏离比率也越大。

3.2 冷却水换热分析

根据比热法传热方程，冷却水一般工况和标准工况下的换热量如式（3）：

一般而言，冷却水泵轴功率与冷却水流量成三次方关系，则热量偏离比率如式（4）：

由式（4）可以看出，冷却水进出水温差越大，热量偏离比率越大，冷却水的水流量对水泵的轴功率影响非常大。

3.3 冷凝器换热分析

冷凝器进水温度、出水温度、冷凝温度及其对应关系如图3所示。根据传热方程，对应的热量偏离比率就可以由式（5）计算得到：

图3 冷凝器温度对应关系图

由式（5）可以看出，冷却水进出水温度越高，热量偏离比率越大。

3.4 蒸发器换热分析

冷冻水进水温度、出水温度、蒸发温度及其对应关系如图4所示。同样地，假设换热系数在一定范围内是常数，则蒸发器换热量就只与换热温差有关，对应的冷量偏离比率就可以由式（6）计算得到：

图4 蒸发器温度对应关系图

由式（6）可以看出，冷冻水进出水温度越高，冷量偏离比率越大。

3.5 冷冻水换热分析

根据比热法传热方程，冷冻水一般工况和标准工况下的换热量如式（7）：

同样地，设冷冻水泵轴功率与冷冻水流量成三次方关系，冷量偏离比率如式（8）：

由式（8）可以看出，冷冻水进出水温差越大，冷量偏离比率越大，冷冻水的水流量对水泵的轴功率影响非常大。

3.6 AHU空调器换热分析

AHU空调器冷冻水进水温度、送、回风温度及其对应关系如图5所示。根据传热方程，冷量偏离比率就可以表示为式（9）：

图5 AHU温度对应关系图

同样地，设送风机轴功率与风量成三次方关系，则冷量偏离比率如式（10）：

由式（10）可以看出，室内温度和送风温度越高，AHU的换热温差越大，冷量偏离比率越大，风量对AHU的轴功率影响非常大。

3.7 压缩机换热分析

由式（12）可以看出，当冷凝温度与蒸发温度的温差越大，压缩机的功率偏离率就越大。

4 变频节能过程

根据上述的分析，变频节能的优化过程就是在设备标准工况、冷负荷已知的基础上，根据不同湿球温度的设定，通过换热分析公式得到最小功率偏离率下的冷凝温度、蒸发温度、冷却水及冷冻水进出水温度和各设备功率偏离比率等空调参数，进而得到各设备最佳的运行参数。变频节能最优化下的功率偏离率λ的优化过程如下（如图6所示）：

（1）在设备标准工况、冷负荷已知的情况下，就可以计算得到标准工况下的相关参数

5 工程应用分析

无锡地铁车站一般为地下2层岛式站台车站，地下1层为站厅层，地下2层为站台层，站厅和站台公共区面积约为2 300 m2。车站公共区大系统的冷冻水由设于本站站厅端部的冷水机房提供，冷水机房内设2台水冷螺杆式机组，冷却水泵、冷冻水泵各3台（2主1备），2台冷却塔设于车站端部新风井附近。在供回水总管间设置压差旁通控制装置，保证冷水机组的最小流量要求。冷水机组、末端装置的进出水管之间均设连通管，以方便系统管道的冲洗。车站空调水系统采用节能控制系统，通过对AHU、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔变频调节，对冷水机组运行进行系统优化控制，达到空调水系统整体运行效率最高。

图6 变频节能优化过程

以下分别针对温度不变情况下的变频节能、冷凝温度降低情况下的节能以及蒸发温度降低情况下的节能等3种情况进行分析。

5.1 温度不变情况下的变频节能分析

首先分析冷水机组冷凝温度和蒸发温度不变情况下，变流量、变风量等变频技术对空调系统的节能效果。根据节能优化过程以及换热公式，可以得到在不同冷负荷需求下（0.2≤≤1）所有设备全变频、A H U/冷却水/冷冻水变频、AHU/冷冻水变频、AHU变频及所有设备均不变频等5种情况下的最优功率偏离比率，如图7所示。图7中，0号曲线代表AHU、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔变频运行，1号曲线代表AHU、冷却水泵、冷冻水泵变频运行，2号曲线代表AHU、冷冻水泵变频运行，3号曲线代表AHU变频运行，4号曲线代表所有设备均不变频运行。

从图7可以看出，当采用5种不同的变频控制策略时，空调系统的最小功率偏离率均随着冷量偏离比率的降低而降低，当越多的设备变频运行时，越低。通过对0号曲线和1、2号曲线比较可以发现，冷却塔变频运行时，对影响较小，因此，通过对冷却塔的变频控制所达到的节能效果较小；对比2、3号曲线可以发现，通过对冷冻水泵的变频控制所达到的节能效果比较明显；对比3、4号曲线可以发现，通过对AHU的变频控制所达到的节能效果最为明显。可见，AHU变频的节能效果最佳，冷冻水泵变频的节能效果其次，冷却水变频的节能效果并不明显，且存在工况不稳定的风险。

5.2 冷凝温度降低情况下的节能分析

在空调各设备变频的基础上，辅以冷凝温度降低的措施，有助于能耗的进一步降低。根据节能优化过程以及换热公式，可以得到在不同冷负荷需求下设备变频、蒸发温度不变情况下，冷凝湿度不变与冷凝温度降低2种情况下的最优功率偏离比率，如图8所示。图8中，0号曲线代表蒸发温度和冷凝温度均不变，且A H U、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔变频运行，1号曲线代表蒸发温度不变，冷凝温度降低，且AHU、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔变频运行。

从图8可以看出，当采用这2种不同的变频控制策略时，空调系统的最小功率偏离率均随着冷量偏离比率的降低而降低。通过对0号曲线和1号曲线比较可以发现，当较大时，通过降低冷凝温度而达到的节能效果非常小；当较小时，通过降低冷凝温度而达到的节能效果也不甚明显。可见，冷凝温度降低的节能效果并不明显。

图7 温度不变工况下的节能分析

5.3 蒸发温度降低情况下的节能分析

蒸发温度降低情况下的节能见图9，图9中，1号曲线代表蒸发温度和冷凝温度均不变，且AHU、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔变频运行；2号曲线代表蒸发温度变化，冷冻水水温变化，冷冻水泵、AHU变频运行；3号曲线代表蒸发温度变化，AHU变频运行；4号曲线代表蒸发温度、冷凝温度不变，所有设备均不变频运行。

从图9的比较可以看出，当采用这4种不同的控制策略时，空调系统的最小功率偏离率均随着冷量偏离比率的降低而降低。通过对比1、2号曲线可以发现，当采用这2种控制策略时，节能效果并不明显，这说明蒸发温度的变化对系统的节能效果非常小；对比2、3号曲线可以发现，冷冻水水温变化对系统的节能效果影响非常小；对比1、2、3号曲线与4号曲线可以发现，通过对风系统和水系统的设备进行变频可以达到较好的节能效果。可见，蒸发温度提高的节能效果同样不明显。

图8 冷凝温度降低的节能分析

图9 蒸发温度降低的节能分析

6 结论及建议

本文通过空调各换热环节换热过程的分析，给出了基于功率偏离率的空调节能优化过程。通过对无锡典型地铁车站空调各设备在标准工况不变条件下的变频效果及冷凝温度和蒸发温度降低下的变频效果比较分析，提出如下变频节能建议：

（1）建议冷却水水泵、冷却塔在额定工况下运行；

（2）对冷冻水水泵、AHU采用变频技术进行节能控制；

（3）在变频节能控制过程中，建议冷凝温度和蒸发温度按照设计工况进行控制。

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责任编辑 朱开明

Analysis of Energy Saving by Variable Frequency in Metro Air Conditioning System

Lu Yuanqing

The energy saving control of air conditioning system can effectively improve the utilization efficiency of resources. The paper analyzes the heat exchange process of the air conditioning system, and puts forward some optimized recommendations on the energy saving analysis method based on the variable power by case analyzing the variable frequency energy saving effect of the whole air conditioning system.

metro, air conditioning system, variable frequency, energy saving optimization

U231.5

2015-09-11

陆源清：无锡地铁集团有限公司建设分公司，工程师，江苏无锡 214000