浅析轨道交通通风空调系统在优化控制方面的探索

张东海

摘 要：本文首先介绍了轨道交通通风空调能耗概况，轨道交通空调系统的组成，然后分别详细阐述了空调系统的节能控策略，包括末端风机系统，冷冻主机，循环水泵，冷却塔组等主要设备的优化控制。

关键词：优化控制；焓值；水系统；风系统

Abstract：this paper first introduced the general situation of energy consumption of subway ventilation and air conditioning， the composition of subway air conditioning system， and then elaborated the energy-saving control strategy of the air conditioning system in detail， including the optimal control of the terminal fan system， the main engine of refrigeration， circulating water pump， cooling tower group and other main equipment.

Keywords：optimal control， enthalpy， water system， wind system

1 轨道交通空调能耗概况

21世纪以来，具有节能﹑快捷和大运量特征的城市轨道交通建设越来越受到众多城市的关注，但是轨道交通空间作为典型的地下大空间建筑，其空调运行能耗是轨道交通总能耗的重要组成部分，其中空调系统耗能约占机电系统总能耗的40%左右。轨道交通基本上都是城市的能耗大户，因此，对于轨道交通机电系统比如通风空调系统的节能优化就显得尤为重要。如何才能使空调系统更节能﹑高效的运行，除了选用高效的空调设备外，控制方法和控制策略的选择也尤为重要，下文将仔细描述空调系统的节能控制策略。

2 轨道交通空调系统的组成

轨道交通空调系统按功能特点可分为车站站厅、站台公共区空调系统，简称为大系统；车站设备、管理用房空调系统，简称为小系统。为大系统和小系统提供冷源的中央空调冷冻站称为水系统。大系统主要在乘客活动区域内为乘客提供舒适、卫生的过渡性环境，小系统则主要为工作人员提供舒适的工作环境和为车站设备提供适宜的运行环境[1]。

大系统空调负荷主要由六部分组成，包括人体散热、散湿负荷，围护结构散热、散湿负荷，照明负荷，新风负荷，空气渗透负荷，车站公共区设备发热负荷。

小系统空调负荷主要由五部分组成，包括人体散热、散湿负荷，围护结构散热、散湿负荷，照明负荷，新风负荷，设备发热负荷。人体散热、散湿负荷来源于车站工作人员，以及设备、管理用房内相关人员。

3 空调系统的节能控制

3.1 通风空调风系统的节能控制

车站公共区空调系统采用变风量系统，系统原理图如图 1 所示。包括：空调机组（变频）﹑回排风机（变频）﹑回风电动调节阀﹑新风调节阀﹑回排风道温湿度传感器、送风道温湿度传感器、车站公共区温湿度、CO2传感器和压力传感器等。

图1

空气处理机上设新风电动阀，回风电动阀﹑混风电动阀﹑排风电动阀和单独的最小新风机，回风机和排风机。系统根据实时二氧化碳的采集，通过对回风风机﹑混风电动调节阀以及小新风机的控制，来调节混风室内的的二氧化碳的含量。同时也通过调节排风电动阀的开度和排风机的转速来维持站内的空气质量要求，这种方法不仅可以保证站厅内的空气质量，还可以在设计状态下提供足够的回风量。

系统可在上述控制策略的情况下进行进一步优化，采用焓值控制。焓值控制可以根据室内空气状态（温度、湿度、二氧化碳等）的允许波动范围，充分利用过度季节新风的冷却能力，在保证站厅内的空气质量的同时，扩大过渡季节不使用冷量的时间，充分利用免费冷源，减少设备使用时间，达到降低系统能耗的目的。

在供冷工况下，若新风焓大于回风焓，采用最小新风新风阀门开度最小，小新风机变风量运行输送最低冷量，加大混风调节阀的开度，并通过调节水阀的水量实现露点送风控制，由于空调提供的冷量为室内冷负荷与新风负荷之和，所以当新风量最小时，冷量最小。在供冷工况下，若新风阀已开到最大，且新风焓仍小于回风焓，但新﹑回风焓差不足以抵消冷负荷，则调节水阀对新风进行冷却后送入室内，这样既可以保证站厅对冷负荷的需求也可以充分利用新风的冷量。

该方法的控制步骤如下：

（1）当空气处理机运行时，开启送风机，同时开启回风机。

（2）通过控制风机的转速，将回风机出口处的静压值维持在设定值。

（3）开启最小新风电动阀，然后开启排风电动阀，根据出回风的二氧化碳的含量，来对排风机进行控制。从而保证站内的空气质量。

（4）当室外焓值低于目标控制焓值时，开启新风机和新风阀。

3.2 冷冻主机的控制策略

在中央空调系统包括：冷冻主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、电动阀门等设备。在所有的设备中冷冻主机是冷源制造设备，其他所有的设备都是辅助设备，都是为冷冻主机提供服务的。同时冷冻主机的功耗在所有的设备中也是最大的，所以冷冻主机无论是功能的重要性，还是在减少能耗方面的重要性都是至关重要的。

其具体措施有以下几点：

（1）在滿足末端需求与冷冻主机最小做功找到平衡点。

（2）在满足冷冻主机冷却需要与冷却系统节能找到平衡点，冷冻主机高负荷做功 时，以满足冷冻主机需求为首要。

（3）通过调节流量与做功冷冻主机的台数，将冷冻主机运行负荷控制在高能效比区间内。

3.3 循环水泵的频率控制

在现有的中央空调群控控制系统中，都是把冷冻系统和冷却系统分开来考虑的，对于冷冻水泵和冷却水泵的频率控制，都是依据各自的控制条件。而现实中却不是这样的。比如在末端负荷增加，要求冷冻主机输出冷量增加的同时，冷冻主机做功也相应的增加，这就要求冷却水量、冷却塔的排风量也相应的增加。如果没有意识到这一点，所有的控制都是滞后的，就不能合理的控制中央空调系统，就不能有效的提升节能空间[1]。

对冷源中的冷冻水泵、冷却水泵进行的智能变频调速控制，其主要控制依据通过检测水温度、压力、流量监视末端负荷变化，根据水温度、压力、流量计算该工况下所需的冷冻水、冷却水、等流量，从而通过调整频率调节水泵的输出流量，达到节能目的。在水泵调节过程中采用多元参数采集，根据参数变化区间对电机频率和频率变化幅度进行分段调整，兼顾各参数、参量变化的耦合关系，使调整结果最优。

水泵变频优化说明：当系统负荷变化时，根据实时采集参数并结合历史数据进行负荷变化预测，实现水系统运行的主动前馈控制，及时精确控制设备运行，使系统冷量所供即所需，降低部分负荷能耗，达到系统舒适、节能、高效运行。优化运行策略设定为机房系统，多台水泵变频、轮换使用，用户可通过上位机界面自行选择使用任意一台水泵，使系统在部分负荷时段，较大幅度节能并延长设备使用寿命。

3.4 冷却塔组的优化控制

该控制策略是：以冷冻主机输出的热负荷为最终控制目标，合理的搭配冷却塔风机的台数和频率的变化，从而满足冷冻主机对冷却水量的要求。根据冷却水回水总管的温度和冷却水供水总管的温度、流量，通过系统智能管理控制器自动计算，调整冷却塔运行参数，控制冷却塔运行台数；同时采集各冷冻水主机冷却水进出水管道温度传感器所测温度，控制冷却水泵运行台数、频率；实现冷却水侧管路运行监控及数据采集修正，实时调整冷却水侧运行参数，使冷却水侧运行平稳。

3.5 末端区域水力平衡的控制

在冷冻站中分水器的作用，是把冷负荷通过支管将冷量分配给不同的符合需求区域。集水器则是把各个区域交换后的高温水集中起来通过冷冻水泵进入冷冻主机。 对于末端多区域供冷的空调系统来说，由于各区域之间的阻力特性及负荷需求存在不同，所以在实际的运行中可能就存在着某些区域的冷量过剩，而某些区域的冷量不够的现象，此现象可以从各区域的供回水管的监测温差反映出来，温差大说明冷量需求较大，温差小的说明冷量需求较小，存在着“大流量，小温差”的浪费现象，所以如何解决好各区域的冷量平衡对于整体中央空调的COP值有着非常大的作用[2]。

末端区域水力平衡通过对相应的设备合理的控制，根据末端实际负荷需要，对冷量进行分配，从而避免了末端的分配不均，不仅提高了末端用户的舒适性，而且进一步提升了节能空间。

本系统具有基于冷水系统能量分配平衡的动态水力平衡优化控制，可以实现整个空调冷冻水系统负荷侧和冷源侧的动态水力平衡。在集水器各个支管设置电动调节阀，从整个冷冻水系统全局的水力工况出发，电动调节阀在调节各环路所需冷冻水流量的同时，也会进行各环路的阻力匹配，有效屏蔽其他支路冷冻水流量变化的影响，保证在总管变流量的情况下，实现各支路水利平衡。同时通过各环路上的温度传感器所采集的数据计算出每个区域的负荷需求，通过调节阀对各个区域的负荷进行分配，以达到冷源侧到负荷侧整个水系统的动态能量平衡，实现系统节能稳定运行。

4 控制依据的选择

在以温度为主要控制参数的系统中，由于温度的时滞性，所以往往控制落后于系统的实际情况，从而达不到合理控制系统的要求，而用压力为主要控制的系统中，虽然压力没有时滞性，但压力不能够真正反映末端的实际使用需求。本控制系统通过负荷预测技术很好的解决了这个问题。通过对冷冻回水的温度变化趋势，判断出末端的符合需求是增加还是减少，得出结论的同时对控制元件作出相应的调整，达到节能的目的。

5 结束语

事实证明轨道交通空调系统经过节能优化控制以后，在保证末端的温度﹑湿度和风量的基础上节能效果明显，降低了系统的运营费用，为城市级节能降耗做出重要贡献。

参考文献：

[1] 刘静纨著.變风量空调模糊控制技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 李玉街，蔡小兵，郭林.中央空调系统模糊控制节能技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.