地铁车站空调系统节能控制策略

范颖慧

(上海申通地铁建设集团有限公司,201103,上海∥高级工程师)

目前地铁车站空调系统的能耗问题已日益凸显。研究表明,地铁车站空调系统能耗占地铁运营总能耗的30%以上,具有巨大的节能潜力。本文主要研究地铁车站空调系统的节能控制策略,这对实现地铁绿色低碳运营目标具有十分重要的意义。

1 空调水系统节能控制策略

1.1 冷水机组高效区寻优控制

寻优控制是以冷水机组的COP(制冷性能系数)特性曲线为基础,通过采取一定的控制策略,实现冷水机组在运行过程中尽量避开COP低效区间。图1为某品牌冷水机组COP特性曲线。由图1可见,冷水机组95%以上的时间是在部分负荷下运行。在相同工况下,不同品牌不同型号冷水机组部分负荷下的COP高效区分布不同。控制系统会对每台机组的COP特性曲线进行分析,找出部分负荷下COP高效区分布情况,并针对性调整控制策略。

图1 某品牌磁悬浮冷水机组不同冷却水温下的COP特性曲线

控制系统主动寻优控制策略会针对不同品牌机组设定不同的控制策略,基于运行累计的数据不断完善和优化控制策略,做到不同工况下冷水机组均能稳定运行在COP高效区,如图2所示。

图2 某品牌螺杆机组不同冷却水温下的COP特性曲线

传统的冷水机组控制方式是通过冷冻水总管温度来判断机组的加减载,不能对机组容量进行直接控制。根据空调系统节能控制研究结果,冷水机组COP高效区寻优控制方法为:采用压缩机容量直接控制技术,直接控制每台压缩机的输出容量,通过网关接口与冷水机组进行通信,并将空调系统计算的压缩机容量写入冷水机组机内部;根据冷水机组的进出水温、供回水温以及流量自动计算冷冻机房负荷变化趋势,再根据每台冷水机组压缩的容量,计算出与冷冻机房负荷最匹配的压缩机开启方案;最后通过冷冻机房负荷变化趋势,调节每台压缩机的输出容量,确保压缩机都能在COP高效区运行。

1.2 自适应变水温控制

为实现空调系统节能控制的目的,应实时采集空调系统数据,智能分析空调系统中各种负荷需求。根据地铁建筑内总负荷的实时变化情况,在满足末端舒适性需求的前提下,智能调节空调主机的供水温度以及空调系统的供水流量,实现冷源和输送系统的整体节能。在中央空调系统中,主机的能耗占整个空调系统能耗的50%以上,因此,中央空调系统要达到节能的目标,首先要做的就是对中央空调系统主机进行节能控制。通过试验发现,夏季供水温度每升高1 ℃,就会降低主机能耗的3%。由于夏季供冷时,不同季节和时段的建筑负荷会发生变化,因此必须确保供水温度随之变化,以及循环水泵和地下水泵的正常运行,以确保整个中央空调系统的稳定性。

1.3 冷冻水压差旁通控制

冷冻水系统流量与压差由冷冻水泵的运转、旁通来调节完成,因此必然存在大截流损失、高压力、大流量和低温差的情况,使中央空调系统的最末端达不到合理温度效果,造成电能浪费。为了解决上述问题,需冷冻水泵根据实时负载变化来调节水流量,同时需关闭旁通。冷冻水压差旁通控制方法为:首先是确保冷水机组最小供水量;其次是检测最不利端的设备压差,根据冷冻水循环系统压差值需求,调整分集水器压差的设定数据;第三,调节压差旁通阀合理配置PID(比例、积分和微分)控制系统参数,以尽量减小压差旁通阀的开度,减小旁通回流的能量浪费;第四,当压差旁路阀低于设定值时,应该采取措施,如检测冷凝器内部压差、更新设定值、确定冷凝器内部循环水压差;第五,对冷冻水回水温度进行监测,通过与冷冻机组的最佳工况回水温度进行比较后,进行温度闭环控制,以作为辅助调节手段对冷冻水泵进行变频调节,达到改变水泵转速并调节流量的目的。

1.4 冷冻水变压差控制

通过自动巡检冷冻水管网内末端动态平衡阀状态,来确定最不利的环路(最不利环路的动态平衡阀阀门开度最大)。若最不利环路的动态平衡阀阀门开度小于90%,则需要在降低冷冻水泵频率的同时,将最不利情况下的环路动态平衡阀调整为最大开度状态(阀门开度的90%～95%),以使当前冷冻水管路阻力为最低运行阻力。当巡检冷冻水管网最不利环路动态平衡阀阀门开度大于95%时,且此时大系统组合式空调机组送风温度高于送风温度设定值(含偏差±1 ℃)时,则提高冷冻水泵频率,确保水量负荷末端需求。

1.5 冷却塔变频主动寻优控制

根据室外气象监测传感器计算室外湿球温度,以室外湿球温度加逼近度作为冷却塔出水总管水温设定值,以冷却塔出水温度作为反馈值,控制冷却塔的开启数量和风机频率。理论情况下,冷却塔可以将冷却塔出水温度降到环境湿球温度,但在冷却塔实际运行过程中是很难达到的;冷却塔逼近度是根据冷却塔选型计算结果设定的出厂默认值,所以冷却塔出水温度设定值=环境湿球温度+冷却塔逼近度。空调系统节能控制通过主动寻优算法,自动调整冷却塔的逼近度设定点,以达到冷却塔降温效果最佳的目的,故在不同的环境湿球温度下,冷却塔出水温度设定值是动态变化的。空调系统根据室外温湿度传感器检测值自动计算室外焓值、露点温度和湿球温度。焓值用于空调模式判断,湿球温度用于冷却塔变频控制。空调系统根据室外湿球温度自动调整冷却塔的散热效果,确保冷却水回水温度尽量接近室外湿球温度,冷却塔风机的变频控制策略应通过主动寻优算法,自动调整冷却塔频率,使回水温度与室外的湿球温度尽量保持一致。对冷却塔的控制策略应以提高整个冷冻机房COP为目标,如果冷却塔的控制策略不利于冷冻机房COP的提高,空调系统会自动切换到更合适的控制策略上。

1.6 全局流量平衡控制

采用一定的预测算法,测算空调系统末端的实时冷负荷,以估算出空调末端对冷冻水的实时需求量。同时,数据采集阀在收到冷冻水的实时流量值后,将预测流量与实际流量进行比较,根据计算差值自动调节阀门的开度,以使空调系统中的所有末端设备均能达到最佳流量。随着末端流量的不断增加,冷凝水泵会自动调整其运转速度,从而使流量达到整体均衡。这样,即使是处于某些特定负载情况下,每台机器的流量仍然会被有效匹配。此外,为了达到更高的效果,机器的动力水泵会采用更少的工作压差,从而大幅度减少能源消耗。

根据冷冻供水、回水温度和冷冻机的运行和监测状况,准确计算出各车站所需的负荷;根据冷冻水的供水和回水压差监测情况,适时调节旁通阀,保证冷冻水压差的稳定;根据车站实际的动态负荷量,空调系统自动调整增减冷水机组的运行数量,以达到最佳的空调节能效果,降低地铁的运营成本。

2 空调风系统节能控制策略

根据室外空气参数、室内空气温度、组合式空调机组冷却器出风温度和露点温度,通过改变车站公共区的空调通风阀的位置,能够实现有效节能。为了节省能源,在早上运营开始之前,对车站进行预冷处理。在这个过程中,会关闭新风,以节省能源。晚上运营结束之前,会根据实际情况,提前关闭公共区域的空调系统,以节省能源。根据气象数据、地铁车站内热湿的变化情况,监测和分析全年空调系统的运行工况,提出经济、合理的调节预案,满足地铁环境室内温湿度要求。

3 地铁车站空调系统节能控制策略

地铁车站空调系统的节能控制,其最终目标在于根据室内温度需求,合理、经济地控制冷水机组的冷量供应。由下往上,空调系统的调节点分别是送风机、排风机、冷水机组、冷却泵、冷冻泵、冷却塔和采集阀。各个调节点间的控制一环扣一环,将整个空调系统有机地整合在一起。在常规空调系统的控制中,将末端控制与冷水机组的控制、风量控制与水阀控制相互独立,不能实现冷量供应与冷量需求间有效匹配,从而控制上存在一定的滞后,影响空调系统整体节能效果。空调系统节能控制技术本质是消除空调控制这座孤岛,采用一定的算法来计算空调的风量和水量,根据计算结果判断如何调节,是风量优先还是水量优先,并通过调节冷源系统的冷冻泵的流量、调节冷水机组的负荷,达到降低整个空调系统的综合能耗的目的。空调系统节能控制原理如图3所示。

图3 空调系统节能控制原理

基于空调系统节能控制策略,对空调系统中各控制子模块的惰性时间进行评估,并将修正时间存入数据库,为后续的各周期内时间片分段提供依据,指导下一周期各控制子系统的调节力度。通过优化空调节能技术,不仅可以满足不同车站的实际需求,而且可以实现节能。此外,可将地铁空调系统节能技术研究与风力发电和水力发电的变频控制技术结合起来研究,以实现地铁空调系统更好运转,避免出现系统振荡。

本文以华东地区某地铁车站为例,对空调系统在常规运行逻辑控制策略下与高效节能控制策略下的能耗进行比较,结果如表1所示。

表1 不同控制策略下地铁车站空调系统能耗

4 结语

通过加强地铁空调系统节能控制研究,采用空调系统节能技术,可以有效解决地铁空调系统能效低、控制不精准、热舒适性差等难题;在有效降低空调系统能耗的同时,可提高建筑能源利用效率、控制温室气体排放、保护生态环境,从而提高地铁环境的热舒适性,改善乘客的乘车体验。