基于最小水流量的地铁车站空调系统节能控制研究

何大四， 赵忠涛， 夏三县， 余伟之， 篮 杰

(1.中原工学院 能源与环境学院， 河南 郑州 450007； 2.郑州地铁集团有限公司 技术管理部， 河南 郑州 450001；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司 城市轨道与地下工程设计研究院， 湖北 武汉 460063)

据统计，截至2020年底，地铁运营线路占城轨交通运营线路总长度的五分之四[1]，全年城轨交通总能耗168.6亿千瓦时，空调通风系统能耗约占地铁运行总能耗的1/3[2]，空调系统节能优化成为诸多学者的研究热点。随着传感器技术、变频调节技术、物联网以及人工智能的快速发展，压差控制和温差控制两类节能调节技术在地铁车站空调系统中得到了广泛的应用[3-4]。何湘勇、周红丹等[5-6]采用理论分析的方法对定温差控制策略进行研究，发现温差控制对空调水系统总流量影响较大，各支路的流量分配与冷冻水管网的结构以及各房间负荷分布有关。由于不同表冷器的除湿、换热特性不同，负荷、流量以及温差之间对应关系较复杂，同时受用户使用情况的影响，定温差控制的可靠性较差。何雪花[7]采取冷冻水泵变频、运行台数调节以及根据水阀相对开度对压差设定值优化的控制策略，相比定压差控制节能效果显著。常赛南[8]采用TRNSYS仿真软件分别研究定压差、变压差以及无压差控制策略下单一支路水阀调节过后其他支路的水力特性，变压差控制效果最好，节能27.1%。倪晓晨[9]利用MATLAB软件对空调水系统进行模拟，结果表明：虽然温差控制有明显节能优势，但存在用户侧温度高于室内设计温度的情况。秦汉[10]搭建了变流量空调系统试验台，试验研究结果表明，只关注变频水泵的节能率可能会夸大系统的节能效果。从降低空调输配系统能耗和冷水机组能耗的角度来看，采用变频调节实现空调水系统变流量节能控制无疑是研究的重点及热点。

综合现有研究，空调水系统温差控制策略具有较好节能效果。但温差控制可靠性相对较差，易出现末端流量不足导致用户侧温度高于室内设计温度的现象。针对该问题，本文提出一种基于最小水流量的空调系统控制策略，并以郑州市苑陵路站地铁车站空调系统为研究对象，利用TRNSYS仿真软件对基于最小水流量的空调系统控制策略以及节能效果进行研究。

1 工程概况

苑陵路站为地下两层岛式车站，总建筑面积为24 178 m2。其中，主体建筑面积为18 829 m2，附属建筑面积为5 349 m2。车站设计客流量按远期客流量考虑。地下车站公共区域室内设计参数(以站厅、站台为例)为：站厅干球温度29 ℃，站台干球温度28 ℃，相对湿度40%～70%。该地铁车站环控系统采用集中冷源的集中式空调系统。车站空调系统的大系统包括站厅、站台以及1号出入口。站厅、1号出入口平面图如图1所示，站台平面图如图2所示。站厅和站台由2台组合式空气处理机组(AHU-A1和AHU-B1)共同承担室内冷负荷，1号出入口由6台相同型号的风机盘管(FP-204)共同承担室内冷负荷。小系统包括4个，分别是a1、b1、b2以及b3系统，每个系统均由1台空气处理机组承担室内冷负荷。地铁车站空调机房主要设备如表1所示。

图2 站台平面图Fig. 2 Floor plan of the platform

表1 地铁车站空调机房主要设备及其参数

2 数学模型

2.1 水泵、风机模型

变频水泵、风机特性曲线方程以及变频水泵流量-效率曲线方程均为三次多项式[10]。

变频水泵有效功率方程为：

(1)

变频水泵能耗方程为：

(2)

式(1)-(2)中：q为流量，kg/h；P为水泵功率，kW；f为电源频率，Hz；η为水泵运行效率；Pe为水泵的有效功率，kW；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；f0为电源工频频率，Hz；Pn为变频器功率，kW；h为扬程，mH2O。

TRNSYS仿真软件中Type662-2中风机功率为：

P=Pr(a0+a1γ+a2γ2+a3γ3+a4γ4+…)

(3)

式中:P为风机运行时的功率，kW；Pr为风机的额定功率，kW；γ为风机的风量控制信号；a0、a1、a2等均为多项式的系数。

2.2 冷却盘管模型

冷却盘管模拟计算时，将通过盘管的空气分为两部分(冷却盘管的示意图见图3)：一部分与盘管直接发生换热，当空气达到饱和状态后以冷却盘管内的流体的温度流出；另一部分先通过旁通通道，不与冷却盘管发生换热，然后与第一部分发生换热的空气混合。

图3 冷却盘管示意图Fig. 3 Cooling coil diagram

设定进入冷却盘管的空气流量和旁通量，假定空气的出口温度并进行迭代，直到从空气传递的能量与转移到水流中的能量相匹配为止。冷凝水的质量计算公式为：

mc=ma(1-f)(dao-dai)

(4)

式中：mc为从盘管排除冷凝水流量，kg/h；ma为通过盘管空气总量，kg/h；f为旁通空气比例；dao为尚未混合出口空气含湿量，kg/kg(a)；dai为进口空气含湿量，kg/kg(a)。

让冷凝水和空气都在相同温度下流出冷却盘管，通过TRNSYS的程序可得到冷凝水的焓值。空气转移到冷冻水的热量为：

Qf=[ma(1-f)(hai-hao)-mchc]/3 600

(5)

式中：hao为混合前出口空气焓值，kJ/kg(a)；hai为进口空气焓值，kJ/kg(a)；hc为冷凝水焓值，kJ/kg。

可用式(6)算出一个新的出口流体温度，即：

(6)

式中：tfo为出口流体温度，℃；tfi为入口流体温度，℃；mf为盘管总流量，kg/h；Cpf为流体比热，kJ/(kg·K)。

3 系统模型搭建

首先，根据苑陵路站设计资料，在TRNSYS平台上搭建建筑围护结构模型并对逐时负荷进行模拟；其次，搭建工频运行空调系统模型；最后，搭建基于最小水流量的空调系统模型。

3.1 建筑负荷模型

地铁车站的建筑负荷模型如图4所示。在TRNbuild中输入各个热区的建筑参数。它具体包括：通风、制冷、内部得热、工作时间以及建筑的围护结构相关热工参数。地铁空调系统夏季制冷工况运行时间为5月15日-10月1日，空调开启时间为每日6:00～23:00。

图4 地铁车站的建筑负荷模型Fig. 4 Building load model diagram of the metro station

基于以上模型仿真所得郑州市苑陵路站地铁逐时冷负荷的分布如图5所示。其中最大负荷出现在第4 903 h(全年8 760 h)，地铁车站模拟总负荷最大值为967.87 kW，与设计计算总负荷相比误差在3%以内。

图5 地铁车站逐时冷负荷Fig. 5 Hourly cooling load diagram of the metro station

3.2 工频运行空调系统模型

在找寻苑陵路站的建筑围护结构模型后，需要找寻工频运行空调系统模型，作为基于最小水流量控制策略节能性分析的对照模型。所搭建的空调系统基础模型如图6所示。工频运行即空调系统中所有的电气设备均采用额定频率50 Hz运行。工频运行空调系统模型主要包括风系统、水系统以及外部输入系统。

图6 地铁车站空调系统基础模型Fig. 6 Basic model diagram of air conditioning system in the metro station

3.3 基于最小水流量的空调系统模型

最小水流量指各末端设备在均能满足房间负荷需求的情况下，整个冷冻水系统所需的最小水流量。

最小水流量的计算，首先需要研究末端设备的除湿、换热特性，得到末端设备的制冷量刚好满足对应房间负荷要求的水流量，即末端设备的最小水流量。此外，对于水系统而言，水流量的分配是和管网系统阻抗值有关的。根据各管段的阻抗值，可求得每个末端设备的流量占比。对于每个末端设备都可以求出一个水系统的最小水流量，在所求出的所有的水系统最小水流量中取一个最大值，即为可以满足所有末端设备负荷要求的水系统的最小水流量。

通过已开发好的表冷器最小水流量部件和管网系统控制策略部件[11]，在工频运行空调系统模型上进行优化。得到基于最小水流量控制的空调系统模型(见图7)。风侧采取根据负荷变化的高、中、低3档调节方式；水侧则采取最小水流量控制策略。

图7 基于最小水流量的空调系统模型Fig. 7 Air conditioning system model diagram based on minimum water flow

4 结果分析

4.1 全工况分析

本文对苑陵路站工频运行空调系统和基于最小水流量空调系统的模拟结果进行了分析。其中风系统主要包括末端设备、新风机以及回风机的能耗；水系统主要包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵以及冷却塔的能耗。空调系统能耗汇总如表2所示。

表2 空调系统能耗汇总

基于最小水流量的空调系统总能耗相比工频运行空调系统，节能率为53.1%。其中风系统节能54.5%；水系统节能52.7%。

可对工频运行策略下和基于最小水流量运行策略下的苑陵路站典型房间的温度(以站厅、站台为例)进行模拟。模拟结果如图8-图9所示。工频运行策略下，室内房间温度均满足室内设计要求。由建筑负荷模型模拟结果可知，空调系统全年90%的时间在部分负荷下运行。因此，地铁车站空调系统各设备在工频运行的时候，对于表冷器而言，额定工况下的制冷量远大于室内冷负荷，房间温度低于室内设计温度。此时能耗也较高，极具节能潜力。

图8 工频运行的站厅、站台温度Fig. 8 Station hall and platform temperature with working frequency operation

图9 基于最小水流量的站厅、站台温度Fig. 9 Station hall and platform temperature with minimum water flow control operation

在最小水流量运行策略下，站厅以及站台的温度控制效果较好，除刚开始和临近结束的过渡季外，空调系统工作的其他时段内站厅温度大多控制在设计温度29 ℃±0.5 ℃，站台温度大多控制在设计温度28 ℃±0.5 ℃，房间温度均满足室内设计要求。在空调开启的情况下，房间温度并没有受房间负荷波动的影响。

4.2 部分负荷率下工况分析

结合苑陵路站建筑负荷模型，对输出的逐时负荷进行处理，并对逐时负荷按每日进行累计，24 h为1个周期，得到了苑陵路站逐日负荷。对地铁车站逐日冷负荷进行筛选，根据累计日负荷的数据，以7月24日累计热负荷最大值12.2 MW作为100%负荷率，在此基础上对75%负荷、50%负荷以及30%负荷进行了筛选。具体筛选结果如表3所示。

表3 不同负荷率结果汇总

在不同负荷率下对站厅的温度进行了模拟输出。其结果如图10所示。整体来看，在空调开启的时间段内不同负荷率下站厅温度均低于29.5 ℃；30%负荷率下和50%负荷率下房间温度出现了低于25.8 ℃的情况。此时，空调关闭的情况下，室内温度仍能满足设计要求。

图10 不同负荷率下站厅温度Fig. 10 The temperature of the station hall at different load rates

5 结语

本文以郑州市苑陵路站空调系统为研究对象，利用TRNSYS仿真软件对工频运行策略和基于最小水流量运行策略的温度控制以及节能效果进行了分析。结果表明：

(1) 工频运行空调系统总能耗为487.2 MW·h，其中风系统能耗为123.9 MW·h，占总能耗的25.4%；水系统为363.3 MW·h，占总能耗的74.5%；

(2) 基于最小水流量的空调系统总能耗为228.2 MW·h，相比较工频运行策略节能率为53.1%。其中风系统节能54.5%；水系统节能52.7%；

(3) 基于最小水流量控制策略的整体温度控制效果较好，房间温度能控制在室内设计温度±0.5 ℃范围以内。