地铁设备用房VAV变风量系统控制特性研究

王 艳,李焱池,篮 杰,夏三县,严 清,余伟之,肖云婷,严 天,徐新华

(1.中原工学院,郑州 450000； 2.长沙市轨道交通集团有限公司,长沙 410021； 3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430064； 4.郑州地铁集团有限公司,郑州 450000； 5.华中科技大学,武汉 430074)

引言

随着我国城市的不断发展，中心城市的人口逐渐攀升，地铁已成为大多数人所依赖的交通工具。由于地铁站内存在设备、电子屏、照明装置等热源，且列车运行和乘客往来都会使站内产生大量余热，地铁空调系统不可或缺，系统巨大运行能耗问题也备受关注[1]。调查显示，我国北方城市地铁的空调系统能耗占运营总能耗的1/3，而在南方城市其占比高达1/2[2]。因此，如何实现地铁空调系统的节能变得至关重要。

地铁空调系统主要可分为3个部分，分别为：隧道通风空调系统、地铁站公共区域空调系统和地铁设备管理用房空调系统。对于地铁设备管理用房，其空调形式多为全空气定风量空调系统，但由于各房间使用功能不同、设备运行时间不同，定风量空调系统常常出现系统风量过大、供冷过度、系统运行不节能等问题[3]。此时，变风量空调系统由于其节能、舒适和灵活性强等特点逐渐被应用到实际工程中[4]。

变风量空调系统起源于20世纪60年代的美国，于20世纪80年代开始在欧美、日本等地迅速发展。现如今，变风量空调系统在美国高层建筑的使用率已达到90 %以上，成为美国空调系统的主流[5]。上世纪末，随着我国技术水平的提升，VAV系统也开始进入国内研究人员的视野。文献[6]对变风量系统定静压控制策略进行了优化，使其在保证系统稳定的基础上最大限度地实现了节能。文献[7]提出了一种基于末端风机转速的总风量优化控制方法，使得室内温度及房间送风量的调节更加稳定，超调量小，同时缩短了调节时间。随着智能控制的逐渐成熟，又涌现出模糊控制、人工神经网络控制、分级阶梯控制等控制策略[8]。文献[9]提出了一种最佳送风温度和最小区域气流重置策略，提高了典型VAV系统的效率。对于变风量的舒适性问题，文献[10]提出采用动态PMV控制的变风量空调系统的舒适性更加突出。

在实际应用中，变风量空调系统仍然存在难以控制、能源浪费等问题。VAV系统由于结构复杂、多变量、强耦合、大滞后、不确定性大等特点，在运行过程中需要更加有效地控制[11-12]。文献[13]考虑了由多区域VAV组成的集总参数模型，并设计了滑模控制，通过调节风阀来控制房间的室内温度，使用滑模控制的结果确保了参数不确定时VAV系统的稳健运行。文献[14]建立了一种新的室温动态响应模型，该模型是一种多输入单输出的模型，可以清晰地描述出变风量系统的室温动态特性。当变风量系统服务于多个区域时，由于无法在部分负荷要求下实现有效的通风需求，常常出现能源浪费的问题。文献[15-16]提出了变风量系统的送风静压和送风温度优化控制方法以及多区域新风量优化控制方法，并在VAV空调系统的动态仿真平台上进行测试以评估其动态控制性能及空气品质特性。文献[17]进一步针对多区域变风量系统，提出关键区温度重设定的自适应按需新风控制策略，以最少的能耗满足各区的室内空气品质要求，并进行了模拟分析。文献[18]提出了3种基于占用率的重叠运营策略，根据3种不同的房间占用率来确定不同的最低要求风量，从而优化送风流量。文献[19]将VAV系统改造成VAV-DOAS系统，并通过实验证明改造后的系统在大连地区冬、夏工况下分别可节能16 %和21 %。类似的，地铁设备管理用房主要负荷来源于设备发热，其负荷变化与设备运行时间密切相关，房间需求风量也会有所差异。变风量空调系统需根据房间负荷的不同而调节送风量的多少，实现按需通风，以避免能量的浪费。

针对郑州某地铁站设备管理用房全空气变风量空调系统进行研究，基于Flowmaster模拟平台建立变风量空调系统模型及其控制策略模型，模拟在不同的负荷条件及风量需求下，通过控制变风量风阀开度从而调节送风量以控制室内温度，并进行其控制特性分析。

1 地铁设备用房VAV变风量系统

1.1 建筑及系统描述

车站共设置4个环控机房小系统，位于车站站厅两端设备管理用房区。各小系统的空调系统设置送回风管。送回风管设置支管，并在送风支管上均设置变风量末端装置。本次以其中一个小系统为对象进行研究，该系统如图1所示。系统共含7个通风空调房间，分别为0.4 kV开关柜室、控制室、35 kV开关柜室、直流开关柜室、再生装置控制室、整流变压器室1及整流变压器室2。

图1 某地铁车站小系统空调系统原理

1.2 系统边界条件

地铁设备用房变风量系统的主要功能是根据不同房间需求，合理送风以满足其不同的温度控制要求。不同的设备用房有不同的工作时间，0.4 kV开关柜室、35 kV开关柜室、再生装置室中设备的运行时间为6:00至23:00；2个整流变压器室中设备在6:00至23:00内全部运行，23:00至次日6:00内部分运行；控制室和直流开关柜室中设备全天运行。根据设备运行时间与发热量可得到各房间的设备得热量，如图2所示。

图2 地铁设备用房各房间得热量变化曲线

2 变风量系统按需控制原理

地铁设备用房VAV系统按需送风是根据房间负荷的变化合理控制系统的实际送风量。地铁设备用房围护结构外环境为地下空间，传热负荷较小，房间负荷主要取决于设备的运行发热量。VAV变风量系统可以根据设备运行时间进行开启与关闭，即在设备不运行的夜间，系统不送风；设备开始工作时，系统按需送风。

变风量系统按需控制原理如图3所示。首先，根据上述地铁设备用房的建筑特点在TRNSYS软件平台上建立各个房间的负荷模型，通过输入设备发热量、土壤温度等边界条件，模拟得到各个房间的空调负荷及需求风量。其次，在Flowmaster软件上建立上述地铁设备用房变风量空调系统模拟平台，模拟该变风量系统的风量特性。进一步将各个房间需求风量作为变风量系统的控制目标，利用PI控制器调节变风量箱风阀开度，控制房间风量的按需供给。在本文研究中房间送风温度设置为18 ℃，变风量系统可根据房间负荷的变化进行风量按需控制运行，在满足房间温度需求的同时，避免冷量浪费。

图3 变风量系统按需控制原理

3 VAV变风量系统模拟平台

3.1 风机模型

风机为空调通风系统提供动力，变速风机设计工况下的性能可以表示为

Pf=A0+A1Q+A2Q2

(1)

式中，Pf为风机的总压头，Pa；Q为风机风量，m3/h；A0、A1、A2为性能系数，选取风机系数分别为621.13，-10-16，-2×10-7。

3.2 阀门模型

VAV变风量系统中送风机与回风机为动力设备，系统中的其他元件，如过滤器、盘管、风管、风阀末端等可作为阻力元件来考虑。

在通风系统中，支路与干路可设置风量调节阀以调试阻力，给定开度下，阀门的阻力特性模型可表示为

ΔP=SvQ2

(2)

式中，Sv为阻抗系数，Pa/(m3/h)2；Q为风机风量，m3/h。

3.3 VAV变风量末端模型

VAVbox是可变的阻力元件，在不同阀门开度下，其阻力特性也不同，其中风阀开度与风量比(在某一压力下，末端阀门在末开度下风量与阀门全开时风量的比值)的关系式为

F=(1-c)×a+c×e0.789(c-1)

(3)

式中，F为风量比；c为阀门开度；a为泄漏系数，取0.01。

结合上述公式，可以计算出各阀门在任意开度下的阻抗系数Sv，同时也可以计算出各阀门在给定压差下，在任意开度下的送风量。

3.4 管网模型

系统管网的主要组成元件包括阀门、管段、三通、弯头、风机及末端设备，这些设备与部件的阻力特性可根据几何特征及物理特性来建立。管网特性曲线数学模型如下

H=B+SQ2

(4)

式中，H为风机全压，Pa；B为入口压力；S为管路阻抗系数，Pa/(cm3/h)2;Q为风量,m3/h。

3.5 系统模拟平台

基于Flowmaster仿真平台搭建系统模型，模型中主要部件(如风机、阀门、弯头、散流器等)的流阻特性均由设计选型手册确定。为简化系统，模型省略了所有排烟防火阀，管路附件阻力采用局部阻力件代替，其余元件均按实际情况设置。系统共7个末端支路，每条支路设置1个VAVbox。具体模拟模型如图4所示。

图4 Flowmaster变风量系统模型

4 平台调试分析

变风量空调系统可根据室内负荷及室内调控参数自动调节送风量，既能满足室内环境的控制要求又达到节约能源的目的。为保证系统模拟平台与实际系统匹配，首先需要对系统模型进行水力平衡调试。

4.1 模拟平台调试方法

变风量空调系统联合调试前进行静态平衡调试，启动空调机组送风机，通过调节送风干管、送风支管、VAVbox的风量调节阀，实现整个变风量风管系统的初平衡。使通过空调机组处理后的空气能够按照设计风量送入各房间的调试，即为空调系统风量的调初平衡过程。由流体力学可知，系统任一管段的阻力ΔP与风量Q的平方成正比，各管段风量Qi的比值与管段的阻抗系数Si比值关系如式(5)所示，对于同一管路系统，各支路管段阻抗基本不变，其风量的比例也基本恒定[20]。因此，变风量系统模拟平台调试即通过调节各支路阻抗使得各支路风量比与设计风量比值保持一致，并进一步调整主管段的阻抗使得系统风量与设计风量一致。

(5)

4.2 调试结果

为方便水力平衡调试，在支管及总管上设置手动风阀阀门，调试后送回风管路的平衡工况如表1、表2所示，可以看到，系统调试后，各支路运行风量与设计风量不平衡率均小于10%，系统模拟平台调试完成。

表1 送风系统

表2 回风系统

5 按需控制工况模拟分析

以典型年郑州室外气象参数为边界，模拟了上述地铁设备用房(7个房间)的负荷特性及其VAV变风量系统的控制特性。考虑篇幅限制，仅展示了0.4 kV开关柜室在夏季典型日(7月31日)与冬季典型日(1月31日)两天的模拟结果。

5.1 夏季典型日

图5为基于TRNSYS模拟平台所得的0.4 kV开关柜室夏季典型日7月31日的负荷及需求风量变化曲线，可见在室内温度设定在36 ℃、送风温度为18 ℃时，在夜间设备不运行时房间负荷为零，此时空调系统不工作；在白天设备运行时，房间的模拟结果显示室内负荷变化趋势与给定室内得热量变化趋势相同，室内需求风量也随之改变。全天最大负荷可达到38.73 kW，最大需求风量可达到5 597 m3/h。

图5 开关柜室夏季典型日负荷及需求风量

在模拟得到室内送风量的变化曲线后，将其作为变风量系统控制的控制目标，通过PI控制的算法输出VAVbox的阀门开度，并进行阀门调节，阀门调节后送入室内的实际送风量也随之变化，从而实现按需送风的目的。图6为VAVbox的阀门开度及实际送风量变化曲线，可以看到，该房间实际运行风量与房间需求风量基本重合，与房间需求风量偏差不超过1 %，控制效果较好。随着设备的开启，房间负荷于6:00开始逐步上升，此时需求风量增加，阀门开度变大，以保证房间的风量需求。夏季工况下房间最大风量可达5 597 m3/h。23:00后随着设备关闭，房间负荷减小，需求风量也随之减小，该支路的实际运行风量也逐渐减小到0。

图6 夏季典型日VAVbox阀门开度及实际风量变化曲线

5.2 冬季典型日工况

虽然冬季室外温度较低，但由于室内设备发热量大，所以仍需供冷。图7为基于TRNSYS模拟平台所得的冬季典型日1月31日0.4 kV开关柜室的负荷及需求风量变化曲线，室内设定温度为36 ℃，送风温度为18 ℃，同样的室内风量需求随室内负荷变化而变化。7:00前因设备不工作房间负荷为0，7:00点后随着设备的开启，负荷增加的同时，需求风量也随之增加，全天最大负荷可达到29.05 kW，最大需求风量为4 160 m3/h。冬季土壤温度较低，外界环境与室内设定温度温差较大，可通过围护结构排除一部分热量，房间负荷的变化相较于室内得热量的变化会有一定程度的延迟，室内风量需求响应有所改变。

图7 开关柜室冬季典型日负荷及需求风量

图8为阀门开度及实际送风量的变化曲线，与夏季工况结果类似，该房间支路实际运行风量与房间的需求风量基本吻合，与房间需求风量偏差不超过1 %，控制效果较好。随着设备开启，房间负荷于7：00出现明显上升，此时，需求风量增加，阀门开度变大，以保证房间的风量需求。房间最大风量达到4 160 m3/h。随着设备关闭，房间负荷及需求风量减小，该支路实际运行风量随之下降。

图8 冬季典型日VAVbox阀门开度及实际风量变化曲线

图9 两种不同空调系统下房间温度变化曲线

进一步比较了夏季典型日采用传统定风量空调系统和变风量空调系统送风房间的温度变化，图9为定风量空调系统及变风量空调系统下的室内温度曲线。可以看出，当房间送风量一定时，室内温度为20.9 ～34.2 ℃，明显低于设计温度(36 ℃)，造成了较大的冷量浪费。而当按需送风时，房间温度被很好地控制在设计值，既给设备运行提供了所需的环境，又避免造成冷量的浪费。

对于其他房间，采用按需控制送风后，各房间实际送风与房间需求风量也基本吻合，房间温度均满足设计需求。模拟结果进一步表明了本文提出的按需通风控制方式的可行性。

6 结论

以郑州某地铁车站小系统VAV变风量空调系统为研究对象，建立该地铁车站设备用房负荷模拟平台与变风量系统模拟平台，提出了房间按需通风控制原理，并通过模拟对地铁设备管理用房在按需送风控制运行下的风量特性及其控制特性进行了研究。结果表明，由于地铁车站设备管理用房使用性质和运行时间相互各异的特点，房间负荷差异性明显，需求风量会随着设备启停(得热量)而变化。采用VAV变风量系统按需控制运行可以对每个房间温度的独立灵活控制，将负荷模拟平台得到的房间需求风量作为VAV变风量系统的目标风量，通过PI控制器调节VAV末端阀门开度，使房间送风量可以依照室内负荷的变化而变化，实现按需送风，在保证室内的设计温度的同时，避免了系统冷量浪费。模拟结果进一步表明，采用按需通风控制后，VAV变风量系统实际运行风量与需求风量基本吻合，偏差率小于1%，房间温度满足设计需求。研究结果为地铁设备用房VAV变风量系统控制运行提供参考。