高架站设备用房通风空调系统优化研究

严清

中铁第四勘察设计院集团有限公司

目前，地铁高架站强电设备用房的通风空调系统采用通风与多联机系统相结合的方案[1-2]。通风系统要比多联机系统运行能耗低，但是当室外温度较高时，通风系统无法排除室内余热，此时必须启动多联机系统[3]。提高切换温度，可以减少多联机系统运行时间和全年运行能耗，但同时将导致通风系统的设计温差降低，增加通风量和风机功率，从全年运行考虑，这将增加通风系统的全年能耗[4]。本文对这个问题进行了深入的研究，建立了准确的通风空调系统能耗的数值模型，通过比较不同切换温度下的全年运行能耗，最终得出了最优值。同时，本文还对中国五大典型气候区域分别进行了分析研究。

1 地铁高架站强电设备用房通风空调系统

一般地，为满足地铁正常运行，需设置35 kV 开关柜室、0.4 kV 开关柜室、直流开关柜室、制动能量回馈装置室、1#整流变压器室、2#整流变压器室等设备房间。这些强电设备用房布置有发热量很大的设备，表1给出了这些设备房间的散热量。6 个强电设备用房总的散热量为203.8 kW。

如图1 所示，为地铁高架站强电设备用房的布置和通风空调系统原理图。6 个强电设备用房共用一套多联机系统，各房间分别设置多联机室内机。设置1台送风机和1 台排风机，其中，1#整流变压器室、2#整流变压器室、35kV 开关柜室三个房间靠外墙，设置自然补风口从室外进行补风。

图1 地铁高架站强电设备用房通风空调系统原理图

2 通风空调系统能耗模型

2.1 多联机系统能耗模型

多联机系统的总能耗主要由两部分组成：室内机能耗和室外机能耗。能效比EER 是从整体上评价多联机系统的性能重要指标，等于运行室内机实际制冷量之和与系统总能耗之比。实验结果表明，多联机机组的能效比EER 跟多联机作用域，室内外的温湿度条件，系统的负荷率LR 和各房间的负荷不均匀性指数UI 有关[5]。换而言之，对于选定的多联机空调系统，其系统配管长度、室内机和室外机高差、室内机之间的高差等多联机作用域参数是相同的，此时，多联机作用域多联机系统能耗模型中，能效比EER 可表示为：

特别地，对于地铁高架站中强电设备用房，室内空调负荷主要为建筑设备的散热量，而由围护结构、人体散热等其他因此产生的冷负荷，相比之下可以忽略不计。另一方面，建筑设备的散热量基本不变，也即可以认为各强电设备用房的空调冷负荷是不变的。因此，该系统中系统的负荷率LR 和各房间的负荷不均匀性指数UI 也可以近似认为是不变的。

室内外空气参数，是影响多联机系统的能效比的重要因素，其具体影响如下：当室内机运行时，进风温度通常是周边环境空气温度，当室外空气干球温度升高时，势必减少室外机的冷凝器散热量，这将直接导致机组冷凝温度和压力的升高，进一步使得多联机系统的能效比下降。同样地，当室内湿球温度设定值降低时，将直接导致机组蒸发温度和压力的降低，进一步使得多联机系统的能效比下降。而多联机实际运行时，通常控制室内温度保持为一个定值，特别地，对于地铁高架站强电设备用房，通常将室内温度设定为36 ℃。故本文也考虑室内环境对多联机能效比的影响。综上所述，针对地铁高架站中强电设备用房的多联机空调系统，其能效比EER 可简化为：

文献[6]研究了多联机空调系统在不同室外温度工况下运行时，系统能效比EER 值的变化情况，如图2 所示。

图2 能效比EER 随室外温度变化曲线

通过是数值拟合，可以将多联机空调系统能效比EER 与室外温度tout的关系近似表示为：

如果多联机室内机容量采用连续控制模式，即采用室内机电子膨胀阀的开度控制其室温，则可认为多联机的运行状态和房间的负荷变化分布是同步的，室内机的瞬时制冷量等于房间的瞬时负荷，也等于设备的散热量。因此，地铁高架站中强电设备用房的多联机空调系统的用电能耗可以表示为：

式中：q(τ)为τ 时刻系统的用电能耗；QS为设备的散热量；EER(τ)为τ 时刻系统的能效比；K(τ)为判别参数，当多联机系统运行时取1，当多联机关闭时取0；qr为多联机空调系统的全年用电能耗。

2.2 通风系统能耗模型

地铁高架站中强电设备用房通风系统通常由多台送、排风机组成。各风机的能耗和全年总能耗模型如下所示：

式中：qi、Pi、Qi分别表示各风机的能耗、风压和所需要排除的热量；c 为空气的比热容；Δt 为通风系统的设计温差；ρ 为空气密度；η0为风机内效率，大风机一般取0.85；η1为风机的机械效率，采用联轴器联接取0.95；k为电动机功率储备系数，取1.1；H(τ)为判别参数，当风机运行时取1，当风机关闭时取0；N 为风机总台数；qv为通风系统全年运行总能耗。

3 通风空调系统控制策略

通常，通过传感器实时检测室外空气温度或者室外空气温度，通过与设定值进行比较，从而控制通风系统和多联机系统的启闭。由于地铁高架站强电设备用房消除余热是一定的，当风机选定后，通风的温差也是一定的，因此，从控制结果上看，通过室外空气温度或者室外空气温度进行控制，其控制结果是一样的，本文以室外空气温度控制系统的切换运行。

一个合理的控制策略，应既能满足系统的控制要求，同时应避免设备间的频繁切换。一般地，控制系统需设定一个临界控制温度Tk0，通过将传感器的实时监测值与该值进行比较，并通过一定的逻辑判断后由控制系统发出指令，实现设备间的切换运行。为了避免由于室外温度波动，导致风机和多联机系统之间的频繁启停，本文为临界控制温度Tk0考虑了1 ℃的冗余值，从而得到两个切换点Tk0和Tk0-1，具体的控制策略如下：

1）当室外温度高于或等于Tk0时，多联机系统启动运行，通风系统停止运行。

2）当室外温度低于Tk0-1 时，多联机系统停止运行，通风系统启动运行。

3）当室外温度高于或等于Tk0-1 且低于Tk0时，保持设备的运行状态。

当然系统运行时，也应同时检测室内温度，以满足多联机的变频运行控制要求和反馈设备工作不正常的报警信号。由于这一控制不涉及设备间的切换，故在此不进行赘述。

4 通风空调系统全年能耗模拟

利用上述能耗模型以及系统控制策略，本文以武汉的气象参数为例，对通风空调系统全年能耗进行模拟和分析。

4.1 室外空气干球温度曲线

如图3、4 所示，分别为武汉全年日平均干球温度变化曲线和6 月26 日室外逐时温度变化曲线，本参数来源于武汉气象站提供的典型气象年逐时参数报表。从图4 中可以看出，当室外干球温度在控制点Tk0上下波动时，将出现通风系统与多联机系统之间的切换。

图3 武汉全年日平均干球温度变化曲线

图4 武汉6 月26 日室外逐时温度变化曲线

4.2 通风空调系统运行时间统计

从图4 中可以看出，当Tk0取28 ℃时，6 月26 日清晨室外温度一直低于Tk0-1，故此时通风系统启动运行，多联机系统停止运行。随着时间的推移，在切换点1 处，室外温度首次高于Tk0，通风系统将停止运行，多联机系统启动运行。同样地，在切换点3 处，室外温度再次高于低于Tk0-1，通风系统启动运行，多联机系统停止运行，一直维持这种状态到这天结束。如图5 所示，给出了6 月26 日多联机系统和通风系统运行时间分布情况。

图5 多联机系统和通风系统运行时间分布（武汉6 月26 日）

同样地，结合武汉每天的室外逐时温度，可以得出每天多联机系统和通风系统运行情况。如表2 所示，统计了全年多联机系统和通风系统运行时间。从表中可以看出，除7 月～9 月份外，多联机系统运行时长均小于通风系统，特别是在1 月～3 月、10 月～12 月，多联机系统基本不运行。根据统计，全年多联机系统运行1600 小时，通风系统运行7160 小时，通风系统运行时长远大于多联机系统，接近4.5 倍。

表2 多联机系统和通风系统运行时长统计

4.3 通风空调系统能耗统计

利用多联机和通风系统能耗模型，结合室外干球温度和系统运行时间分布，可以计算系统的逐时能耗。如图5 所示，给出了当Tk0取28 ℃时，武汉6 月26日多联机系统和通风系统运行能耗分布。从图中可以看出，在单位时间内，多联机系统的能耗远大于通风系统。

图5 多联机系统和通风系统运行能耗分布（武汉6 月26 日）

通过计算每天系统的能耗分布，可以得出全年的总能耗。经计算得出，当Tk0取28 ℃时，通风系统全年总能耗为13.5 万kWh，多联机系统全年总能耗为10.7万kWh，整个系统全年总能为24.2 万kWh。同样地，可以计算Tk0不同取值时的全年总能耗，如图6 所示。

图6 系统全年总运行能耗统计（武汉）

从图6 中可以看出，随着Tk0的增加，通风系统总能耗逐渐增加，这是因为Tk0的增加，虽然通风系统运行的时间有所减少，担使得通风系统设计计算温差增大，通风系统容量增大，最终使得通风系统全年总能耗增大。另一方面，随着Tk0的增加，多联机系统的全年运行总能耗减少，这是因为多联机系统运行时间减少的缘故。同时，从图中可以看出，整个系统总能耗先减少后增大，并当Tk0为29 ℃时，总能耗达到最小值。因此，地铁高架站强电设备用房的通风空调系统，应将室外干球温度控制临界值Tk0设置为29 ℃，此时的系统总能耗最小。换言之，系统存在一个临界控制温度，在该临界控制温度下的控制策略最节能。由于室内计算干球温度为36 ℃，因此以之对应的通风计算温差为7 ℃。

武汉是典型的夏热冬冷气候城市，考虑到不同气候对结果的影响，本文继续对其他气候区域进行分析。如图7、8、9 所示，分别为严寒地区（以哈尔滨为代表）、寒冷地区（以郑州为代表）、夏热冬暖地区（以广州为代表）的全年运行能耗统计结果。从图中可以看出，和夏热冬冷气候区域的计算结果相似，系统全年总运行能耗随临界控制温度Tk0的增大表现为先减小后增大的趋势。另一方面，不同气候区域的最后临界控制温度存在区别，四大气候下最佳控制温度分别为25.5 ℃、28 ℃、30 ℃。同时，以之对应的通风计算温差分别为10.5 ℃、8 ℃、6 ℃。很明显地，随着气候的变暖，最佳临界控制温度逐渐升高，通风计算温差逐渐减少。特别地，对温和地区（以昆明为代表）进行分析，发现昆明室外干球温度最大值为30.2 ℃，可以全年采用机械通风降温，可不设置多联机系统。

图7 系统全年总运行能耗统计（哈尔滨）

图8 系统全年总运行能耗统计（郑州）

图9 系统全年总运行能耗统计（广州）

5 结论

本文对地铁高架站强电设备用房通风空调系统控制策略进行研究，建立了多联机系统和通风系统的能耗模型，制定了一种多联机系统和通风系统的控制策略。采用本文提出的控制策略系统，可以有效的避免由于室外温差波动造成设备频繁启停的问题。利用该模型对系统全年能耗进行模拟，通过比较临界控制温度在不同取值时的运行能耗，得出一个最优的控制策略，并得出以下结论：

1）采用多联机系统和通风系统联合运行时，随着临界控制温度的增大，系统全年总运行能耗先减小后增大，临界控制温度存在一个最优值，取该值时，控制策略最节能。

2）不同气候区域，临界控制温度最优值略有不同，严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区分别取值为25.5 ℃、28 ℃、29 ℃、30 ℃。以之对应的通风计算温差分别为28 ℃、10.5 ℃、8 ℃、7 ℃、6 ℃。特别地，温和地区应全年采用机械通风系统降温。