地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制策略

范穎慧

(上海申通地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,201103,上海∥高級工程師)

目前地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的能耗問題已日益凸顯。研究表明,地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)能耗占地鐵運(yùn)營總能耗的30%以上,具有巨大的節(jié)能潛力。本文主要研究地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制策略,這對實(shí)現(xiàn)地鐵綠色低碳運(yùn)營目標(biāo)具有十分重要的意義。

1 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制策略

1.1 冷水機(jī)組高效區(qū)尋優(yōu)控制

尋優(yōu)控制是以冷水機(jī)組的COP(制冷性能系數(shù))特性曲線為基礎(chǔ),通過采取一定的控制策略,實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組在運(yùn)行過程中盡量避開COP低效區(qū)間。圖1為某品牌冷水機(jī)組COP特性曲線。由圖1可見,冷水機(jī)組95%以上的時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行。在相同工況下,不同品牌不同型號冷水機(jī)組部分負(fù)荷下的COP高效區(qū)分布不同。控制系統(tǒng)會對每臺機(jī)組的COP特性曲線進(jìn)行分析,找出部分負(fù)荷下COP高效區(qū)分布情況,并針對性調(diào)整控制策略。

圖1 某品牌磁懸浮冷水機(jī)組不同冷卻水溫下的COP特性曲線

控制系統(tǒng)主動尋優(yōu)控制策略會針對不同品牌機(jī)組設(shè)定不同的控制策略,基于運(yùn)行累計(jì)的數(shù)據(jù)不斷完善和優(yōu)化控制策略,做到不同工況下冷水機(jī)組均能穩(wěn)定運(yùn)行在COP高效區(qū),如圖2所示。

圖2 某品牌螺桿機(jī)組不同冷卻水溫下的COP特性曲線

傳統(tǒng)的冷水機(jī)組控制方式是通過冷凍水總管溫度來判斷機(jī)組的加減載,不能對機(jī)組容量進(jìn)行直接控制。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制研究結(jié)果,冷水機(jī)組COP高效區(qū)尋優(yōu)控制方法為:采用壓縮機(jī)容量直接控制技術(shù),直接控制每臺壓縮機(jī)的輸出容量,通過網(wǎng)關(guān)接口與冷水機(jī)組進(jìn)行通信,并將空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算的壓縮機(jī)容量寫入冷水機(jī)組機(jī)內(nèi)部;根據(jù)冷水機(jī)組的進(jìn)出水溫、供回水溫以及流量自動計(jì)算冷凍機(jī)房負(fù)荷變化趨勢,再根據(jù)每臺冷水機(jī)組壓縮的容量,計(jì)算出與冷凍機(jī)房負(fù)荷最匹配的壓縮機(jī)開啟方案;最后通過冷凍機(jī)房負(fù)荷變化趨勢,調(diào)節(jié)每臺壓縮機(jī)的輸出容量,確保壓縮機(jī)都能在COP高效區(qū)運(yùn)行。

1.2 自適應(yīng)變水溫控制

為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制的目的,應(yīng)實(shí)時(shí)采集空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù),智能分析空調(diào)系統(tǒng)中各種負(fù)荷需求。根據(jù)地鐵建筑內(nèi)總負(fù)荷的實(shí)時(shí)變化情況,在滿足末端舒適性需求的前提下,智能調(diào)節(jié)空調(diào)主機(jī)的供水溫度以及空調(diào)系統(tǒng)的供水流量,實(shí)現(xiàn)冷源和輸送系統(tǒng)的整體節(jié)能。在中央空調(diào)系統(tǒng)中,主機(jī)的能耗占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的50%以上,因此,中央空調(diào)系統(tǒng)要達(dá)到節(jié)能的目標(biāo),首先要做的就是對中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),夏季供水溫度每升高1 ℃,就會降低主機(jī)能耗的3%。由于夏季供冷時(shí),不同季節(jié)和時(shí)段的建筑負(fù)荷會發(fā)生變化,因此必須確保供水溫度隨之變化,以及循環(huán)水泵和地下水泵的正常運(yùn)行,以確保整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 冷凍水壓差旁通控制

冷凍水系統(tǒng)流量與壓差由冷凍水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、旁通來調(diào)節(jié)完成,因此必然存在大截流損失、高壓力、大流量和低溫差的情況,使中央空調(diào)系統(tǒng)的最末端達(dá)不到合理溫度效果,造成電能浪費(fèi)。為了解決上述問題,需冷凍水泵根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載變化來調(diào)節(jié)水流量,同時(shí)需關(guān)閉旁通。冷凍水壓差旁通控制方法為:首先是確保冷水機(jī)組最小供水量;其次是檢測最不利端的設(shè)備壓差,根據(jù)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)壓差值需求,調(diào)整分集水器壓差的設(shè)定數(shù)據(jù);第三,調(diào)節(jié)壓差旁通閥合理配置PID(比例、積分和微分)控制系統(tǒng)參數(shù),以盡量減小壓差旁通閥的開度,減小旁通回流的能量浪費(fèi);第四,當(dāng)壓差旁路閥低于設(shè)定值時(shí),應(yīng)該采取措施,如檢測冷凝器內(nèi)部壓差、更新設(shè)定值、確定冷凝器內(nèi)部循環(huán)水壓差;第五,對冷凍水回水溫度進(jìn)行監(jiān)測,通過與冷凍機(jī)組的最佳工況回水溫度進(jìn)行比較后,進(jìn)行溫度閉環(huán)控制,以作為輔助調(diào)節(jié)手段對冷凍水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié),達(dá)到改變水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)流量的目的。

1.4 冷凍水變壓差控制

通過自動巡檢冷凍水管網(wǎng)內(nèi)末端動態(tài)平衡閥狀態(tài),來確定最不利的環(huán)路(最不利環(huán)路的動態(tài)平衡閥閥門開度最大)。若最不利環(huán)路的動態(tài)平衡閥閥門開度小于90%,則需要在降低冷凍水泵頻率的同時(shí),將最不利情況下的環(huán)路動態(tài)平衡閥調(diào)整為最大開度狀態(tài)(閥門開度的90%～95%),以使當(dāng)前冷凍水管路阻力為最低運(yùn)行阻力。當(dāng)巡檢冷凍水管網(wǎng)最不利環(huán)路動態(tài)平衡閥閥門開度大于95%時(shí),且此時(shí)大系統(tǒng)組合式空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度高于送風(fēng)溫度設(shè)定值(含偏差±1 ℃)時(shí),則提高冷凍水泵頻率,確保水量負(fù)荷末端需求。

1.5 冷卻塔變頻主動尋優(yōu)控制

根據(jù)室外氣象監(jiān)測傳感器計(jì)算室外濕球溫度,以室外濕球溫度加逼近度作為冷卻塔出水總管水溫設(shè)定值,以冷卻塔出水溫度作為反饋值,控制冷卻塔的開啟數(shù)量和風(fēng)機(jī)頻率。理論情況下,冷卻塔可以將冷卻塔出水溫度降到環(huán)境濕球溫度,但在冷卻塔實(shí)際運(yùn)行過程中是很難達(dá)到的;冷卻塔逼近度是根據(jù)冷卻塔選型計(jì)算結(jié)果設(shè)定的出廠默認(rèn)值,所以冷卻塔出水溫度設(shè)定值=環(huán)境濕球溫度+冷卻塔逼近度?？照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制通過主動尋優(yōu)算法,自動調(diào)整冷卻塔的逼近度設(shè)定點(diǎn),以達(dá)到冷卻塔降溫效果最佳的目的,故在不同的環(huán)境濕球溫度下,冷卻塔出水溫度設(shè)定值是動態(tài)變化的?？照{(diào)系統(tǒng)根據(jù)室外溫濕度傳感器檢測值自動計(jì)算室外焓值、露點(diǎn)溫度和濕球溫度。焓值用于空調(diào)模式判斷,濕球溫度用于冷卻塔變頻控制。空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)室外濕球溫度自動調(diào)整冷卻塔的散熱效果,確保冷卻水回水溫度盡量接近室外濕球溫度,冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻控制策略應(yīng)通過主動尋優(yōu)算法,自動調(diào)整冷卻塔頻率,使回水溫度與室外的濕球溫度盡量保持一致。對冷卻塔的控制策略應(yīng)以提高整個(gè)冷凍機(jī)房COP為目標(biāo),如果冷卻塔的控制策略不利于冷凍機(jī)房COP的提高,空調(diào)系統(tǒng)會自動切換到更合適的控制策略上。

1.6 全局流量平衡控制

采用一定的預(yù)測算法,測算空調(diào)系統(tǒng)末端的實(shí)時(shí)冷負(fù)荷,以估算出空調(diào)末端對冷凍水的實(shí)時(shí)需求量。同時(shí),數(shù)據(jù)采集閥在收到冷凍水的實(shí)時(shí)流量值后,將預(yù)測流量與實(shí)際流量進(jìn)行比較,根據(jù)計(jì)算差值自動調(diào)節(jié)閥門的開度,以使空調(diào)系統(tǒng)中的所有末端設(shè)備均能達(dá)到最佳流量。隨著末端流量的不斷增加,冷凝水泵會自動調(diào)整其運(yùn)轉(zhuǎn)速度,從而使流量達(dá)到整體均衡。這樣,即使是處于某些特定負(fù)載情況下,每臺機(jī)器的流量仍然會被有效匹配。此外,為了達(dá)到更高的效果,機(jī)器的動力水泵會采用更少的工作壓差,從而大幅度減少能源消耗。

根據(jù)冷凍供水、回水溫度和冷凍機(jī)的運(yùn)行和監(jiān)測狀況,準(zhǔn)確計(jì)算出各車站所需的負(fù)荷;根據(jù)冷凍水的供水和回水壓差監(jiān)測情況,適時(shí)調(diào)節(jié)旁通閥,保證冷凍水壓差的穩(wěn)定;根據(jù)車站實(shí)際的動態(tài)負(fù)荷量,空調(diào)系統(tǒng)自動調(diào)整增減冷水機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量,以達(dá)到最佳的空調(diào)節(jié)能效果,降低地鐵的運(yùn)營成本。

2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能控制策略

根據(jù)室外空氣參數(shù)、室內(nèi)空氣溫度、組合式空調(diào)機(jī)組冷卻器出風(fēng)溫度和露點(diǎn)溫度,通過改變車站公共區(qū)的空調(diào)通風(fēng)閥的位置,能夠?qū)崿F(xiàn)有效節(jié)能。為了節(jié)省能源,在早上運(yùn)營開始之前,對車站進(jìn)行預(yù)冷處理。在這個(gè)過程中,會關(guān)閉新風(fēng),以節(jié)省能源。晚上運(yùn)營結(jié)束之前,會根據(jù)實(shí)際情況,提前關(guān)閉公共區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng),以節(jié)省能源。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、地鐵車站內(nèi)熱濕的變化情況,監(jiān)測和分析全年空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行工況,提出經(jīng)濟(jì)、合理的調(diào)節(jié)預(yù)案,滿足地鐵環(huán)境室內(nèi)溫濕度要求。

3 地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制策略

地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制,其最終目標(biāo)在于根據(jù)室內(nèi)溫度需求,合理、經(jīng)濟(jì)地控制冷水機(jī)組的冷量供應(yīng)。由下往上,空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)點(diǎn)分別是送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔和采集閥。各個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的控制一環(huán)扣一環(huán),將整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)有機(jī)地整合在一起。在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的控制中,將末端控制與冷水機(jī)組的控制、風(fēng)量控制與水閥控制相互獨(dú)立,不能實(shí)現(xiàn)冷量供應(yīng)與冷量需求間有效匹配,從而控制上存在一定的滯后,影響空調(diào)系統(tǒng)整體節(jié)能效果?？照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)本質(zhì)是消除空調(diào)控制這座孤島,采用一定的算法來計(jì)算空調(diào)的風(fēng)量和水量,根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷如何調(diào)節(jié),是風(fēng)量優(yōu)先還是水量優(yōu)先,并通過調(diào)節(jié)冷源系統(tǒng)的冷凍泵的流量、調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的負(fù)荷,達(dá)到降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的綜合能耗的目的。空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制原理如圖3所示。

圖3 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制原理

基于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制策略,對空調(diào)系統(tǒng)中各控制子模塊的惰性時(shí)間進(jìn)行評估,并將修正時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫,為后續(xù)的各周期內(nèi)時(shí)間片分段提供依據(jù),指導(dǎo)下一周期各控制子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)力度。通過優(yōu)化空調(diào)節(jié)能技術(shù),不僅可以滿足不同車站的實(shí)際需求,而且可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外,可將地鐵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究與風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電的變頻控制技術(shù)結(jié)合起來研究,以實(shí)現(xiàn)地鐵空調(diào)系統(tǒng)更好運(yùn)轉(zhuǎn),避免出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩。

本文以華東地區(qū)某地鐵車站為例,對空調(diào)系統(tǒng)在常規(guī)運(yùn)行邏輯控制策略下與高效節(jié)能控制策略下的能耗進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示。

表1 不同控制策略下地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)能耗

4 結(jié)語

通過加強(qiáng)地鐵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制研究,采用空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù),可以有效解決地鐵空調(diào)系統(tǒng)能效低、控制不精準(zhǔn)、熱舒適性差等難題;在有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的同時(shí),可提高建筑能源利用效率、控制溫室氣體排放、保護(hù)生態(tài)環(huán)境,從而提高地鐵環(huán)境的熱舒適性,改善乘客的乘車體驗(yàn)。