地铁空调水系统节能控制研究

Research on the Energy Saving Control for Subway Air－conditioning Water System

金国建1，2，3，4　李亚芬1，2，3，4　　高学金1，2，3，4　　王　普1，2，3，4(北京工业大学电子信息与控制工程学院1，北京　100124;数字社区教育部工程研究中心2，北京　100124;城市轨道交通北京实验室3，北京　100124;计算智能与智能系统北京市重点实验室4，北京　100124)



地铁空调水系统节能控制研究

国家自然科学基金资助项目(编号:61174109、61364009)。

修改稿收到日期:2015－04－30。

第一作者金国建(1989－)，男，现为北京工业大学控制工程专业在读硕士研究生;主要从事地铁通风空调节能优化方面的研究。

0　引言

随着现代经济的不断发展和城市化趋势，城市中车辆逐渐增多，人口迅速增长，导致了交通拥挤、环境污染等一系列问题，引起了世界各国的高度重视。地铁作为一种快速、高效的交通方式，能够有效改善地面交通状况，是解决城市道路交通阻塞和居民乘车困难的有效途径，并且可以带来显著的社会效益和经济效益。

通风空调系统作为地铁车站的一个重要组成部分，其能耗约占地铁总能耗的30%～40%［1－3］。其主要原因是系统在最初设计时，一般按照远期最大负荷预测设计并且留有一定的富裕量［4］。然而，空调系统在日常运行时，长时间在部分负荷情况下运行，形成“大马拉小车现象”，造成了严重的能量浪费。

地铁空调水系统运行方式为一次泵定频末端阀门变流量运行，系统仅仅依靠末端阀门开度控制水流量，而水泵始终在额定工况下运行，大量能量浪费在阀门，使得水泵不节能。

变频技术作为一种有效的节能方式，在建筑空调系统中已经得到广泛应用［5］，但在我国已经建成的地铁空调水系统中却很少应用。随着能源日益紧缺，地铁空调水系统采用新技术节能就显得尤为重要。如果可以把变频节能方法应用到地铁空调水系统中，将会大大减少系统的能耗，节省大量的资源。本文针对冷冻水系统，提出基于前馈－反馈变温差控制策略的一次泵变频调节方式，并在TRNSYS仿真平台进行实验，验证了节能效果。

1　变流量基本理论

1.1变流量系统基本原理

根据热力学第一定律，变流量系统基本原理可以表述为:

式中: Q为系统冷负荷; C为冷冻水定压比热; W为冷冻水流量;Δt为冷冻水供回水温差。

由热力学第一定律可知，在冷冻水系统中，可以根据实际冷负荷Q的大小调整冷冻水的流量W或者冷冻水供回水温差Δt。当系统冷负荷变化时，为保证式(1)的平衡，系统也必须相应改变冷冻水的流量W或者供回水温差Δt。

当保持冷冻水流量W不变，只改变供回水温差Δt时，就是传统意义上的定流量系统，也就是目前地铁所采取的方式。这种方式水泵不节能，存在严重的能量浪费。当保持冷冻水供回水温差Δt不变，通过改变冷冻水流量W来满足实际冷负荷变化需要，就是所谓的变流量系统。本文在变流量基础上，对冷冻水干管供、回水温度采取变温差控制策略，并进行节能分析。

空调冷冻水系统的变流量运行是通过改变水泵的转速来实现的，即水泵的变频调节。通过变频器改变电机输入频率，进而改变转速，控制水流量，如式(2)所示［6］:

式中: n为转子转速，r/min; f为电源频率，Hz; s为异步电机的转差率; p为电动机的磁极对数。

由于在水泵运行过程中电动机的磁极对数、电机转差率基本不变，故水泵转速正比于电源频率。因此，通过改变电源频率就可以实现水泵调速，进而达到调节水流量的目的。

根据水泵的相似定律，在相似工况的条件下，水泵的转速、流量、扬程和功率之间存在以下关系［7－8］:

式中: Q为水泵的流量，m3/s; H为水泵的扬程，m; P为水泵的功率，W; n为水泵的转速，r/min。下标0为水泵额定工况下的参数;下标1为水泵在转速n1下的参数。

将式(3)代入式(5)，有:

由式(6)可知，在不改变水力管网特性的情况下，水泵所消耗的功率与流量的3次方成正比。因此，在满足末端冷负荷需求的前提下，适时降低水泵转速，就可以节约更多的能耗。

1.2变流量水系统类型

变流量水系统类型主要有3种，分别为定转速一次泵系统、一次泵定流量二次泵变流量系统、变频一次泵系统。

定转速一次泵系统中，水泵定转速运转，供回水主管之间加装用于调节流量的旁通管，依靠电动调节阀调节流量。这种系统初期投资小，结构简单，便于维修，我国空调系统中50%左右的水系统都是采用了这种形式［9］。但是这种系统存在的主要问题是:在部分负荷下，水流经旁通管路回水，总流量保持不变，水泵以额定转速运行，并不节能。

一次泵定流量二次泵变流量系统中，冷水机组、一次定速泵以及旁通管路组成一级环路，由一次泵提供循环所需能量，保证冷水机组安全流量;由二次变速泵、末端空调设备和旁通管路组成二级环路，保证末端负荷所需冷水流量。这种系统的优点是可以保证冷水机组的高效运行，满足空调末端负荷的变化需求，并且调节灵活方便。但是这种系统也存在着一定的缺陷:大部分冷水机组70%以上时间是运行在低于60%设计负荷工况下的［10］，这就造成了一次/二次环路流量的不同，从而引起机组效率降低，这会很大程度上影响整个空调系统的运行能效。

变频一次泵系统采用的是一次泵变速调节，即冷水循环泵直接变频控制。随着冷水机组技术的发展，使得冷水机组可以随着负荷变化自动调节运行状况，保持高效率运行［11］。这种变频一次泵与定转速一次泵相比，只是在水泵上添加了变频器以控制流量，相比较于地铁水系统所采取的定转速调节方式改造方便、投资小，且只对运行调节和控制有一定需求。基于以上原因，本文选择采取一次泵变频方式进行研究。

1.3变流量水系统控制方式

变流量水系统的控制方式主要分为3种，分别为阀门开度控制、压力控制以及温度控制。

阀门开度控制是以历史数据作为参考制作规则表，依靠阀门开度大小来调节流量的控制方式。这种方式只是依据一定的规则表来进行阀门开度的调节，并不是依据末端实际需要冷负荷来实时调节流量，不能很好地反映实际冷量的需求，且水泵始终以额定工况运行，浪费大量能源。

在空调系统中，以供回水压差作为变水量系统控制信号的称为压差控制。压差控制主要分为干管定压差和末端定压差两种方式［12－13］。在压差控制系统中，由于水泵不满足相似定律，因此水泵功率与流量的3次方成正比的结论不再成立，节能效果会大打折扣。在实际运行中，考虑到不同的工况、电机的效率等情况，水泵能耗还要增大。

以水系统干管供水温度、回水温度的差值作为控制信号的控制方法称为温差控制［14］，温差示意图如图1所示。

图1　干管温差控制示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature difference control of main pipe

由于温差控制只是测量水温，对水力系统没有影响，使得水系统始终保持在相似变换的状态下。当水泵频率发生改变时，水泵的输送能耗同频率呈3次方的关系，因而能够最大限度地节省系统能耗。考虑到地铁环境单一、房间功能简单、系统负荷变化趋势易预测等特点，本文选取冷冻水温差控制方式。在定温差控制方式的基础之上，进行节能优化分析，提出变温差控制策略。

2　变温差控制

由上述式(1)可知，如果末端负荷发生变化，则必须使得冷冻水的流量W和冷冻水供回水温差Δt乘积相对变化。当保持供回水温差Δt不变，只改变水流量W时，即为定温差控制。如果既改变流量W，又改变供回水温差Δt，就是变温差控制。

通过对地铁空调水系统现状的调研，为保持充足的冷量，冷冻水供水温度通常需要保持在7℃不变。而定温差控制是需要保持供回水温差Δt不变，只调节水流量W。根据地铁实际情况，由于供水温度不变，实际负荷变化时并不能保证回水温度不变，因此定温差控制不适用于地铁情况。

变温差的思想是保持冷冻水供水温度不变(选择为7℃)，使冷冻水的回水温度改变，符合地铁的实际运行情况。这样既适应末端负荷的变化需求，又通过改变流量节省了能源。

针对地铁空调水系统特性，虽然冷冻水供水温度需要保持为7℃，但在系统运行过程中，供水温度会发生一定波动，回水温度也会随之产生波动，因此将供水温度作为扰动量引入系统。针对扰动量，添加前馈控制器，调节供水温度保持在设定值附近。将供回水温差实际值与设定值进行比较，通过调节水泵转速来动态调节水流量，进而达到对供回水温差控制的目的。

带有前馈反馈控制的温差控制系统框图如图2所示。图2中，Tr，set为回水设定值; Tr为回水温度实际值; f为冷冻水泵频率; Q为冷冻水流量; Ts为供水温度，控制器选择PID控制器。

图2　基于前馈－反馈的温差控制框图Fig.2 Control block diagram of temperature difference control based on feedforward－feedback

变温差控制流程如图3所示。根据总负荷变化趋势确定回水温度，由反馈得到实际回水温度，进行比较得到差值;经由前馈供水温度判断设定值与检测值的差值，控制变频器，从而改变水泵转速、控制流量。

图3　变温差控制流程示意图Fig.3 Schematic diagram of variable temperature difference control

图4为地铁车站夏季某一天冷负荷的变化曲线图。

图4　车站冷负荷变化曲线Fig.4　Curve of cooling load variation in the station

根据负荷变化曲线，本文选择用线性近似拟合来描述负荷与时间变化关系，分为9个阶段: 5∶00～7∶30、7∶30～11∶00、11∶00～14∶00、14∶00～16∶00、16∶00～16∶30、16∶30～18∶00、18∶00～19∶00、19∶00～20∶00、20∶00～23∶00。每个阶段对应一条相似直线，因此可以根据拟合数据得到冷负荷与时间变化关系表达式:

在变工况下，空调末端冷量按式(8)计算［15］:

空调冷冻水循环侧，将式(1)改写为式(9)，并给出计算式(10):

式中: t'r为实际工况的回水温度; tr为额定工况的进风温度;其他含义与上文相同。

地铁空调系统为了保证负荷末端具有一定的除湿能力，设定冷冻水供水温度保持不变，即t's= ts= 7℃。因此，在变温差控制系统中，需要改变的只有冷冻水回水温度。将t's= ts= 7℃代入式(8)、式(10)，有:

根据式(8)、式(10)计算得到的t'r作为冷冻水系统回水温度的设定值，即Tr，set。可以看到，随着时间变化，冷冻水的回水温度也会随着冷负荷变化而变化。保持冷冻水供水温度不变，通过改变冷冻水的回水温度，从而实现冷冻水系统的变温差调节。

3　水系统模拟仿真

3.1 Trnsys仿真软件简介

瞬时系统模拟程序(transient system simulation program，TRNSYS)最早是由美国Wisconsin–Madison大学的Solar Energy实验室(SEL)开发的，并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善［16］。

TRNSYS可以对太阳能、建筑空调以及可再生能源等系统的运行特性和控制特性进行仿真。此外，美国的Thermal Energy System Specialists(TESS)专门开发出了针对通风空调系统的各种模块。根据软件提供的模块工具，可以实现对地铁通风空调水系统的模拟仿真。

3.2水系统仿真界面及结果分析

以北京地铁15号线望京西站作为研究对象，按照空调水系统的实际设计参数搭建了模拟仿真模型。

模拟仿真模型主要由冷却水循环系统、冷冻水循环系统和通风系统组成，控制部分即为前馈－反馈变温差控制，车站则以房间模型代替。

本次实验分为两种模拟形式:一种为地铁现在运行模拟模式，水泵不加以控制，即水泵以额定工况运行;另一种为根据冷负荷实时调整冷冻水回水温度，通过前馈－反馈控制水泵转速，调节冷冻水流量。选择2014年7月份和8月份(4 344～5 088 h)两个典型空调季节进行仿真实验。

3.3仿真结果及分析

在第一种模式中(以下称为模式一)，风机、水泵以及冷却塔等均以定频运行。冷水机组的供水温度为7℃，两组水泵以及机组均以北京地铁15号线望京西站的规格以及参数设定，根据末端负荷区间确定机组的启停，模拟仿真的步长选择0.1 h。

在第二种模式中(以下称为模式二)，针对冷冻水系统进行研究，对冷冻水泵进行变频控制。风机、冷却塔以及冷却水泵仍以定频运行，通过采集供水温度作为前馈扰动信号，采集回水温度作为反馈信号，与计算获得回水温度的计算值进行对比，由PID控制器对水泵进行控制，调节水流量，模拟仿真步长同样为0.1 h。

在两种不同模式下，室内温湿度变化情况分别如图5和图6所示。

图5　模式一室内温湿度分布曲线Fig.5 Indoor temperature and humidity distribution curves of mode 1

图6　模式二室内温湿度分布曲线Fig.6 Indoor temperature and humidity distribution curvew of mode 2

由图5和图6可以看出，在两种不同的运行模式下，均可以使室内温度维持在25℃左右，室内湿度维持在40%～70%，保证了室内舒适性的需求。对比图5与图6可以看出，添加了控制模块的模式二中的温度以及湿度变化情况，比模式一均中的温湿度要相对平稳，为系统的平稳性也提供了一定的保证。

通过实验得到冷冻水系统的供回水温度变化情况，如图7所示。

图7　模式二供回水温度分布曲线Fig.7 Supply water and return water temperature distribution curves of mode 2

由图7可以看出，冷冻水的供水温度在运行过程中存在波动，通过前馈控制，可以保证供水温度维持在7℃左右。冷冻水的回水温度随着时间变化有很明显的变化，故在冷冻水供水温度基本保证7℃的情况下，实现了冷冻水系统的变温差调节。

冷冻水系统的水泵的流量以及功率变化情况如图8所示。

由图8中冷冻水流量变化情况可以看出，相比较模式一采取的水泵定频运行、水流量保持额定不变的情况而言，模式二水泵选择变频控制后，流量随时间变化而变化，且有明显的起伏，这说明当末端负荷变化时，水泵流量也随之相应变化。由图8中水泵功率变化情况可以看出，相比较模式一中额定转速的水泵功率而言，模式二中变频水泵的功率有了明显的下降，水泵的能耗降低。

图8　模式二冷冻水流量和功率分布曲线Fig.8　Flow and power distribution curves of chilled water of mode 2

经计算，7月1日至8月31日，模式一定转速水泵的消耗的总电量为40 146 kW·h，模式二的变频水泵消耗的总电量为23 212 kW·h。相比较模式一，模式二水泵节约了42.2%的电源，节能效果明显。

4　结束语

由于地铁空调冷冻水系统的水泵以定频运行模式，造成了能量的浪费。本文根据水泵的变频技术以及控制原理，在定温差控制的基础上提出了变温差控制策略，并利用TRNSYS能耗模拟软件搭建了地铁空调水系统仿真模型。对以地铁水系统水泵定频运行模式和以变温差变频控制的优化模式运行的两种模型进行了仿真分析，由实验结果可以看到，由前馈－反馈控制策略控制水泵转速调节流量的效果显著，节能量大，同时也说明了空调水系统存在着很大的节能空间。随着现代制冷技术的不断发展与完善，通过变频技术来改造空调水系统将会成为地铁空调节能的重要途径。

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科技期刊关键词和引言的撰写

科技论文的关键词是从其题名、摘要和正文中选出来的。关键词包括3部分: 1)叙词(正式主题词)，经过规范化的并收入主题词表中的词或词组;2)非正式主题词(词表中的上位词+下位词+替代词);3)自由词(标引需要但主题词表中找不到的词)。

每篇论文中应专门列出3～8个关键词，其中叙词应尽可能多一些。关键词作为论文的组成部分，置于摘要段之后。

引言又称前言或绪论，是论文整体的有机组成部分。引言写在正文之前，属于整篇论文的引论部分。它的作用是向读者初步介绍文章内容。

引言要写得自然、概括、简洁、确切。引言中要写的内容大致有如下几项: 1)研究的理由、目的和背景; 2)理论依据、实验基础和研究方法;3)预期的成果及其作用和意义。

引言的写作要求是:1)开门见山，不绕圈子。注意一起笔就切题，不能铺垫太远; 2)言简意赅，突出重点; 3)尊重科学，不落俗套。

引言中要求写的内容较多，而篇幅有限，这就需要根据研究课题的具体情况确定阐述重点。共知的、前人文献中已有的不必细写，主要写好研究的理由和目的，使读者对论文有一个总体的了解。

Research on the Energy Saving Control for Subway Air－conditioning Water System

金国建1，2，3，4李亚芬1，2，3，4高学金1，2，3，4王普1，2，3，4
(北京工业大学电子信息与控制工程学院1，北京100124;数字社区教育部工程研究中心2，北京100124;城市轨道交通北京实验室3，北京100124;计算智能与智能系统北京市重点实验室4，北京100124)

摘要:针对地铁水泵定频运行方式造成的能量浪费问题，对地铁车站冷冻水系统采取一次泵变频方式运行进行研究。根据地铁车站空调负荷规律性变化的特点，结合温差控制显著的节能效果，提出基于前馈－反馈的变温差控制策略，并在瞬时系统模拟仿真平台(TRNSYS)上对节能控制策略进行了仿真验证。实验结果验证了变温差控制策略应用于地铁空调水系统的可行性和正确性，节能效果显著，表明变温差控制策略可作为地铁空调节能控制的研究发展方向。

关键词:冷冻水系统变频变温差控制TRNSYS节能 是论文的检索标志，是表达文献主题概念的自然语言词汇，一般是词和词组。

Abstract:Aiming at the problem of energy waste caused by the fixed frequency operation mode of the water pumps in subway，the variable frequency operating mode of the pumps in chilled water system of subway station is researched.In accordance with the features of regulative changes of the load of air conditioning in subway stations，and combining the obvious effects of energy saving of temperature difference control，the control strategy of variable temperature difference based on feedforward－feedback is proposed，and the simulation verification of the energy saving control strategy is conducted on transient system simulation platform (TRNSYS)platform.The experimental results verify the feasibility and correctness of the variable temperature difference control strategy applied in subway air conditioning water system; the effect of energy saving is obvious; this indicates that variable temperature difference control strategy will be the direction of research and development for subway air conditioning energy saving control.

Keywords:Chilled－water systemVariable frequency Variable temperature difference control TRNSYS Energy－saving

中图分类号:TH－3; TP273

文献标志码:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603021