地铁设备用房通风空调系统最优切换温度研究

中铁第四勘察设计院集团有限公司 严 清

0 引言

地铁设备用房通风空调系统为工作人员和设备提供了稳定、舒适的室内温湿度环境，是地铁车站设备系统的重要组成部分，也是主要的耗能系统之一，约占非牵引设备系统能耗的35%～50%[1]，具有很大的节能潜力。另外，通风空调系统的节能运行建立在节能的系统方案和运行工况的合理选择基础上。地铁设备用房通风空调系统可实现3种工况运行：通风工况、空调工况全新风运行(以下简称为全新风空调工况)、空调工况最小新风量运行(以下简称为最小新风空调工况)[2]。通风/空调工况通过比较室外空气干球温度与工况切换温度进行选择。是否存在一个最优的工况切换温度使得系统全年运行最节能，一直是亟需解决的疑问。

目前，国内外学者对通风空调系统节能运行的研究，主要集中在室内温度的设定[3]、负荷精准计算[1]、预测及前馈控制技术[4]、冷水机组变频技术[5]、水系统变流量技术[6-7]、风机变频技术[8]、冷却塔变频技术[9]、控制方法及算法[10-13]等方面，也有对参数的优化研究，如对冷水供回水温度及温差、冷却水供回水温度[7,14]等参数的优化研究，但是很少有对通风/空调工况切换温度优化研究的报道。文献[15]在不同设计送风温度下，比较了机械通风系统与全新风空调系统在变电所中的节能性，但也未从全年能耗角度分析2种系统工况转换的问题。本文以实际地铁工程项目为例，研究不同工况切换温度下系统全年运行总能耗的变化规律，得出的结论也适用于其他通风空调系统中。

1 地铁设备用房通风空调系统

地铁设备用房通风空调系统是为了排除室内的余热和余湿，从而满足人员和设备工作的温湿度要求。根据功能和温湿度要求的不同，地铁车站设备区一般设置4个通风空调系统[16]：小端设备用房及人员房间通风空调系统a；大端人员房间通风空调系统b；大端变电所设备用房(室内设计温度36 ℃)通风空调系统c；大端其他设备用房(室内设计温度27 ℃)通风空调系统d。限于篇幅，本文仅对系统d进行研究，其他系统的特点与之具有相似之处。

一般地，地铁设备用房通风空调系统d负担信号设备室、商用通信设备室、通信设备室、通信电源室、环控电控室、照明配电室、站台门设备室等房间，这些房间内的余热主要由设备发热量组成，且较为稳定。本文以郑州某地铁站为例，计算得出其系统总除热量为81.68 kW，总除湿量为3.1 kg/h。

通风空调系统一般由风机、冷源系统(包括冷水机组、水泵、冷却塔)等耗能设备组成，当系统在通风工况运行时，冷源系统停止运行。

2 工况切换温度优化

2.1 通风空调系统的工况切换

同时，风管系统阻力、风机的最低运行频率、冷水机组制冷性能系数、气候条件对系统全年运行能耗有影响，下面分析这些因素对最优工况切换温度的影响。

转换前工况转换后工况工况转换条件最小新风空调工况Ⅰ全新风空调工况ⅡhW≤hN-h0全新风空调工况Ⅱ最小新风空调工况ⅠhW>hN+h0通风工况ⅢtW≤tL通风工况Ⅲ全新风空调工况ⅡtW>tL备 注W:室外空气状态点N:室内空气状态点L:空调器机器露点hN:室内空气状态点比焓,kJ/kgh0:3.000kJ/kgtL:空调器机器露点干球温度,℃

图1 3种运行工况分区图

2.2 通风空调系统全年能耗模拟

2.2.1室外气象参数

根据我国城市建筑热工设计分区，郑州市位于寒冷地区[17]，图2显示了郑州市典型年室外空气干球温度变化情况。分析可得：若工况切换温度tL为18 ℃，则空调工况开始于3月中旬，直至11月初结束，空调工况总时长为3 748 h；若工况切换温度tL为24 ℃，全年空调工况运行时间为1 949 h。

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图2 郑州市典型年室外空气干球温度曲线

2.2.2通风空调系统全年能耗模拟

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为保护电动机不被烧坏，风机运行频率都设有最低值，目前市场上风机能达到的最低运行频率(fmin)为5 Hz，考虑成本因素和室内换气次数的要求，实际工程中风机能达到的fmin为25 Hz左右[19]。因此，分别选取fmin为15、20、25、30 Hz，计算系统全年总能耗随工况切换温度的变化情况，得出最优工况切换温度，结果如图6所示。显然，fmin越小，在低负荷工况下风机的能耗越小，而冷源系统的能耗不变，这样在通风工况下运行将更加节能。从图6可以看出：当fmin由15 Hz增大到30 Hz时，最优工况切换温度由19 ℃降低到15.5 ℃，两者为负相关；最优工况切换温度与fmin趋近线性关系，拟合优度R2为0.982 3；与线性曲线相比，fmin在15～30 Hz之间时，最优工况切换温度的最大偏差为0.19 ℃。

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(1)

式中Pc为冷源系统全年总能耗，kW·h；Qi为i时刻空调系统的实时冷负荷，kW；COP为冷水机组的制冷性能系数，为简化计算，不考虑COP随气象条件、负荷率等因素的变化；ΔT为时间间隔，h。

工况切换温度tL分别为18、24 ℃时通风空调系统全年能耗模拟结果如图3所示。

图3 通风空调系统全年能耗模拟结果(室内设计温度tN=27 ℃，风管系统阻力p=450 Pa，冷水机组COP=5.0，风机最低运行频率fmin=25 Hz)

进一步地，可以统计得到通风空调系统全年能耗，如表1所示。

表1 通风空调系统全年能耗 万kW·h

分析可得，当工况切换温度tL由18 ℃提高为24 ℃时，一方面全年空调工况运行时间由3 748 h缩短为1 949 h，缩短了48.0%，这对减少系统全年运行总能耗是有利的；另一方面，由于送风温差减小，送风量增加，风机耗电量将增大，同时通风工况的运行时间也将延长，这对减少系统全年运行总能耗是不利的。最终，全年通风空调系统运行总能耗反而有所增加，由11.91万kW·h增加为15.53万kW·h，增加了30.4%。那么，是否存在一个最优的工况切换温度，使通风空调系统全年总能耗最小？

2.3 工况切换温度优化

为解决上面的疑问，本文对不同工况切换温度下的全年能耗进行了计算，结果如图4所示。可以看出：随着工况切换温度的升高，空调工况全年运行时长逐渐减少，相应的通风工况运行时长将增加；同时，空调工况全年运行总能耗逐渐减小，通风工况全年运行总能耗逐渐增加，系统总能耗表现为先减小后增大的趋势，在工况切换温度为17 ℃时系统总能耗最小。因此，通风空调系统存在一个最优工况切换温度，在本算例中，最优工况切换温度为17 ℃。

图4 全年能耗随工况切换温度的变化(p=450 Pa，COP=5.0，fmin=25 Hz，郑州)

地铁设备用房通风空调系统可实现最小新风空调工况、全新风空调工况、通风工况3种运行工况。如图1所示，在焓湿图中，根据室外气象参数的不同，主要可分为3个区域，对应3种工况的运行条件。其中通风工况和空调工况之间切换的判别方法采用固定温度法，即通过比较室外空气干球温度tW与工况切换温度tL进行切换，若工况切换温度过高或过低，都有可能导致系统运行在更耗能的工况下；同时，工况切换温度决定了送风温度设计值，也是通风空调系统设计的重要依据。由于缺少相关的研究成果和理论依据，设计人员往往根据经验和工程需要确定工况切换温度。

2.3.1风管系统阻力的影响

地铁车站一般选用2台水冷变频螺杆机组，单台机组制冷量约为500 kW，根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的规定，冷水机组制冷性能系数(COP)不应小于4.70[17]，同时实际工程中设计人员往往有更高的要求。因此，分别选取COP为5.0、5.5、6.0、6.5，计算系统全年总能耗随工况切换温度的变化，得出最优工况切换温度，结果如图7所示。显然，COP越大，在空调工况下运行节能效果越显著。从图7可以看出：当COP由5.0增大到6.5时，最优工况切换温度由17 ℃降低到15.5 ℃，两者为负相关；随着COP的增大，最优工况切换温度降低的幅度增大。

图5 风管系统阻力对最优工况切换温度的影响(COP=5.0，fmin=25 Hz，郑州)

2.3.2风机最低运行频率的影响

结合郑州市典型年的气象参数，利用MATLAB软件进行数值计算，其中风机能耗计算公式可参考文献[18]，冷源系统能耗简化为

2.3.3冷水机组制冷性能系数的影响

图6 fmin对最优工况切换温度的影响(p=450 Pa，COP=5.0，郑州)

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一般地，一个地铁车站设备用房通风空调系统所负担的空调面积在300 m2以下，风管系统阻力(p)约为400～500 Pa[18]。因此，假定p在350～550 Pa之间，计算不同阻力条件下系统全年总能耗随工况切换温度的变化情况，得出最优工况切换温度，结果如图5所示。显然，p越小，通风工况下运行节能效果越显著。从图5可以看出：当p由350 Pa增大到550 Pa时，最优工况切换温度由18.8 ℃降低到16.4 ℃，两者为负相关；随着p值的增大，最优工况切换温度降低的幅度减小。

图7 COP对最优工况切换温度的影响(p=450 Pa，fmin=25 Hz，郑州)

2.3.4气候条件的影响

在其他条件都相同的情况下，分别计算了广州(夏热冬暖地区)、武汉(夏热冬冷地区)和郑州(寒冷地区)3个地区气候条件下，系统全年总能耗随工况切换温度的变化，得出最优工况切换温度，结果如图8所示。可以看出：不同地区全年总能耗有差别；武汉和郑州最优工况切换温度相同(17 ℃)，而广州则表现为工况切换温度越低越节能，由于末端空调器的制冷能力有限，本文假设送风温度最低限值为14 ℃，因此广州地区最优工况切换温度为14 ℃。

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图8 气候条件对最优工况切换温度的影响(p=450 Pa，COP=5.0，fmin=25 Hz)

3 结论

地铁设备用房通风空调系统有3种不同的运行工况，通风/空调工况间的切换依据是室外空气干球温度与工况切换温度的比较结果，本文通过比较不同工况切换温度下系统全年总能耗，对工况切换温度进行了优化研究，得出以下结论：

1) 随着工况切换温度的升高，系统全年总能耗先减小后增大，存在一个最优工况切换温度。

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2) 在一定条件下，当风管系统阻力由350 Pa增大到550 Pa时，最优工况切换温度由18.8 ℃降低到16.4 ℃，两者为负相关。同时，随着p值的增大，最优工况切换温度降低的幅度减小。

3) 在一定条件下，当风机最低运行频率由15 Hz增大到30 Hz时，最优工况切换温度由19 ℃降低到15.5 ℃，两者为负相关，且两者之间趋近线性关系。

考虑到实际工程情况，溶洞可能是完全中空，也可能被软弱土体所充填，不同的情况采取不同的处理措施，因此试验也设置两类工况进行模拟。第一类是溶洞无充填状态，采用泡沫混凝土充填溶洞且作桩，形成复合地基；第二类是溶洞被淤泥所充填，采用泡沫混凝土作桩形成复合地基。

4) 在一定条件下，当冷水机组制冷性能系数由5.0增大到6.5时，最优工况切换温度由17 ℃降低到15.5 ℃，两者为负相关。同时，随着冷水机组制冷性能系数的增大，最优工况切换温度降低的幅度增大。

5) 最优工况切换温度还受气候条件的影响，在本文的算例中，武汉(夏热冬冷地区)和郑州(寒冷地区)最优工况切换温度为17 ℃，而广州(夏热冬暖地区)为14 ℃。