火车空调变风量空调系统的节能控制及优化

田鹏飞 刘欢 孟宏伟

摘要：变风量空调系统是由单风道定风量空调系统演变而来的一种全空气空调系统。基于此，本文探讨了火车空调变风量空调系统的节能控制及优化。

关键词：变风量空调;节能控制;优化

当前，列车空调系统一般采用定风量系统，因客流量、车内人员活动量、室外空气温度的变化，从而使列车车厢内的空气参数无法时刻保持稳定，甚至严重偏离设计值，不能满足乘客的热舒适性要求。而变风量空调系统作为全空气空调系统，可通过改变送入室内的風量或新回风混合比、系统总风量或新风混合比来调节空调区域的温度。列车空调系统采用变风量空调系统，既能适应系统负荷的不断变化，又能在部分负荷下运行时，最大限度降低风机能耗、空调机组能耗和运行成本，并能同时满足各车厢负荷不同、温度要求不同的温度控制。

一、变风量空调系统简述

变风量空调系统（VAV）是全空气空调系统的一种形式，其工作原理是当空调房间负荷发生变化时，系统末端装置自动调节送入房间的风量，确保房间温度保持在设计要求范围内。同时，空调机组将根据各末端装置风量的变化，通过自动控制调节送风机的风量，以达到节能目的。

1、空调区域温度控制。采用典型的变风量单风道空调系统，每个车厢作为一个独立的空调区域，其送风量由变风量末端装置（VU）控制，每个VAV末端装置可设多个送风口。当车厢内负荷发生变化时，VAV末端装置根据温度变化调整送风量，保持温度稳定。

当前，变风量系统中广泛应用的末端装置主要有节流型、风机动力型两种。节流型变风量末端装置通过调节节流机构来改变送风量;风机动力型变风量末端装置通过串联或并联风机，保持室内送风稳定性，可避免小负荷下由于送风量的减少而导致的室内气流分布不稳定及温度分布不均，同时也会带来噪声和增加系统能耗。

根据风量调节方式的不同，将变风量末端装置分为压力有关型及压力无关型。

1）压力有关型变风量末端装置，由温控器直接控制风阀位置。温控器根据室内温度变化，修正风量控制器的风量设定值，实际送风量由末端装置入口处风道静压确定。即使室内温度不发生变化，VAV末端装置的送风量也会随着系统静压的变化而波动。

2）压力无关型变风量末端装置，由温控器直接控制送风量。在末端装置的入口处安装风量传感器，用于检测风管内的风量，温控器根据室内温度的变化调整所设定的风量值，风量控制器根据测得的风量值与设定值的差值来调节VAV末端装置的风阀开度，送风量不随系统静压的变化而变化。

考虑到火车载客量大、乘客数量时常变化的特点，车厢内仅有少数人的情况较少，本文采用节流压力无关变风量末端装置。

2、送风变静压控制。它主要与DDC控制器有效结合，通过计算阀门开度直接由计算机控制变频器。1）VAV末端设备的温度控制系统要有温度、风阀开度和风量传感器;2）温控器根据列车内温度的实际值及设定值计算出VAV末端设定值;

3）根据末端设备设定值及流阻特性，计算阀门全开情况下的风管阻力。选择风管回路最低静压的阻力作为送风设备的扬程。4）VAV末端设备设定值为送风量设备所需风量之和。根据风机设备转速-扬程-流量特点，计算送风设备转速设定值及电量;5）根据送风设备转速设定值及VAV末端设备阀门开度，控制转速。

3、PMV控制。在PMV控制设备中加入人工神经网络预测功能，动态调节温度，输出设定温度，实现空调的自动控制功能。

火车内温度和代替辐射温度相近，空体流速由下式来明确：其中，代表VAV末端设备的送风量，A代表火车内面积。

列车内部温度与代替辐射温度相似，空体流速由下式确定：

式中：Vsup-VAV末端装置送风量，m3/h;A-车厢面积，m2。

另外，根据季节变化，通过DDC控制设定乘客新陈代谢率和服装热阻。

4、新风量控制。1）在制冷条件下，△h>0，需应用最低新风量，降低制冷设备的运行负荷;2）制冷条件下，△h≤0，新风量温度度t0>送风温度t1时，需采用最高新风量;3）△h<0，t0，t1相等，应用最高新风量，新风引入冷量与列车内冷负荷相同，制冷设备不工作;4）△h<0，t0

二、火车空调变风量空调系统的自动化优化控制

1、VAV末端设备控制。PMV控制系统利用温湿度传感器采集列车内的空气温湿度，利用风量传感器采集VAV末端设备的送风量，通过DDC控制实行评估乘客新陈代谢及衣服热阻，计算PMV并与设定值进行比较。然后利用人工神经网络（ANN）模块对列车内部温度设定值进行调节。温控器将温度设定值与实际值进行比较，并计算出风设定值。出风量控制系统根据设定值与实际值的差值来控制VAV末端设备的阀门开度。

2、优化送风静压控制。全开阀量满足标准，总风量差值维持在要求范围内，则系统稳定。此时要保证静压设定值的稳定，需调节设定值来保证稳定。但风阀长期运行中容易发生硬故障，致使输出信号不准确，使总体送风量与所需发生偏差，影响优化效果。因此，有必要设置上限值，若连续发生频率高于上限值，则末端设备出现硬故障，静压控制自主调节到初始值。

3、焓的优化控制。焓控制设备通过相关的温湿度传感器采集新风及回风数据。新风量是通过该环节来评估的。焓控制设备采用气阀开度传感器采集VAV末端设备的送风量数据，求得总送风量，并与设定值进行比较，确定新风量值，并控制风机转速、风阀开度和红外测温仪水流量。

4、优化列车内部正压。在新风量控制优化过程中，应对回风设备进行控制，回风量应与送风量相对应。为了避免列车内的压力过小，空调车厢的压力应加以控制。变风量有效的压力控制方法是测量送风与回风管间的风流量，并对其进行比较后控制回风机内的风量。正压控制设备通过送风管及回风管中风量传感器采集送风回风流量，以确保回风设备的转速及风阀开度差值在规定范围内。

5、送风温度优化控制。降低系统负荷，静压控制通过降低风机转速来降低静压，从而提高末部设备风阀的开度，以满足风量需求。当负荷降低到一定值时，所需风量过低，可能会导致列车内空气流动性降低及新风量过低。在这种情况下，应提高送风温度，反之亦然。各末端有一个恒定的最大风量，对应于同一时间所需风量，该末端所需风量与最大风量之比即为其负荷率。更高的负荷率意味着更高的所需风量，这时部分末端所需风量可能不符合列车的内部舒适度标准，此时需降低送风温度设定值。当负荷很低时，红外测温仪的送风量下降，因此应借助送风温度的升高来增加室内送风量，以消除风量低带来的不利影响。

6、DDC优化控制。因计算机的输入输出信号为数字信号，检测和执行系统的输出输入信号通常属于模拟信号，则要添加到控制系统内主要的模数转换系统。基于微处理系统的PLC模块接收传感器发送的信号，根据流程计算和分析，经处理后向动作执行系统发出命令，最终实现被控目标的调整及控制优化。

参考文献：

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[2]李响.火车空调变风量空调系统的节能控制及优化[J].科技尚品，2016（05）.

[3]杨昌智.火车空调变风量空调系统的节能控制及优化[J].铁道标准设计，2015（S1）.