地鐵變風(fēng)量空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)控制方法研究

劉俊 劉健 車輪飛

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

地鐵變風(fēng)量空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)控制方法研究

劉俊 劉健 車輪飛

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

對地鐵站變風(fēng)量空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)提出三種控制方法，即送回風(fēng)溫度控制法、優(yōu)先控制水閥法和優(yōu)先控制風(fēng)機法。以武漢地鐵2號線螃蟹甲站的空調(diào)系統(tǒng)作為模擬研究對象，建立了房間、風(fēng)機、水閥、盤管和控制器等數(shù)學(xué)模型，以TRNSYS為仿真平臺，搭建了地鐵站變風(fēng)量系統(tǒng)的模型，比較三種控制方法與定風(fēng)量控制下系統(tǒng)在制冷季節(jié)的運行情況。模擬結(jié)果表明，送回風(fēng)溫度控制法能較好地控制室內(nèi)溫度，且在適當(dāng)?shù)某鲲L(fēng)溫度設(shè)定值下，功耗能達(dá)到最小。在不考慮送風(fēng)結(jié)露和考慮送風(fēng)結(jié)露的情況下，節(jié)能率分別達(dá)到67.0%和55.9%。

地鐵環(huán)控變風(fēng)量系統(tǒng)控制方法能耗TRNSYS

0前言

地鐵車站公共區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)常采用定風(fēng)量控制方法運行[1]。由于系統(tǒng)大部分時間運行在部分負(fù)荷工況下，定風(fēng)量控制方法通過采用風(fēng)閥節(jié)流勢必造成較大的能源浪費。變風(fēng)量系統(tǒng)作為一種通過改變送入房間的風(fēng)量來適應(yīng)房間負(fù)荷變化的全空氣系統(tǒng)，具有良好的節(jié)能性[2]。

嚴(yán)格意義上的變風(fēng)量系統(tǒng)由變風(fēng)量空調(diào)機組和變風(fēng)量末端兩部分組成。變風(fēng)量末端通常為變風(fēng)量箱，該末端可以根據(jù)室內(nèi)要求控制其送風(fēng)量[3]。這種空調(diào)形式由于需要變風(fēng)量末端，成本和技術(shù)要求較高。目前在國內(nèi)應(yīng)用并不是很廣泛。

目前對于沒有變風(fēng)量末端的全空氣系統(tǒng)也可以只通過改變空氣處理機的風(fēng)量來達(dá)到變風(fēng)量的目的。這種系統(tǒng)也稱為變風(fēng)量系統(tǒng)，其弊端是末端的風(fēng)口不能自行調(diào)節(jié)風(fēng)量，因而室內(nèi)的氣流組織及室內(nèi)的舒適度比不上帶有變風(fēng)量末端的空調(diào)系統(tǒng)，但是室內(nèi)熱舒適性也基本可以接受，因而這種系統(tǒng)在實際工程中應(yīng)用也十分廣泛[4]。

本文針對沒有變風(fēng)量末端的全空氣系統(tǒng)，提出三種控制方法，通過模擬計算，將其能耗和運行效果與定風(fēng)量控制進(jìn)行比較分析。

1控制方法

1.1優(yōu)先控制風(fēng)機法

優(yōu)先控制風(fēng)機法控制流程圖如圖1所示。系統(tǒng)開始運行時，水閥全開，由室內(nèi)溫度決定送風(fēng)機的送風(fēng)量F，如式（1）所示：

式中：Fmin為風(fēng)機運行最低頻率，Hz；Fmax為工頻，Hz；Tmax為室內(nèi)允許最大溫度，℃；Tmin為室內(nèi)允許最低溫度，℃；Tin為室內(nèi)溫度，℃。

圖1優(yōu)先控制風(fēng)機法控制流程圖

如Tin＞Tmax，則F=Fmax，如Tin＜Tmax，F(xiàn)=Fmin。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)機運行頻率為Fmin且室內(nèi)溫度小于Tmin的情況時，系統(tǒng)繼續(xù)運行一段時間（比如5分鐘），如果還是溫度小于Tmin，說明水閥開度大，使得送風(fēng)溫度太低。此時風(fēng)機以最低頻率運行，由PID控制器輸出控制信號調(diào)節(jié)水閥開度，PID控制器的控制變量為室內(nèi)溫度。

當(dāng)風(fēng)機最低頻率運行出現(xiàn)水閥開度為1且室內(nèi)溫度大于Tmax時，系統(tǒng)也是繼續(xù)運行一段時間（比如5分鐘），如果還是溫度大于Tmax，說明風(fēng)機送風(fēng)量小，使得室內(nèi)溫度高于設(shè)定最大值，此時風(fēng)機頻率按式（1）運行，水閥開度為1，回到系統(tǒng)剛開始運行時控制方式。

1.2優(yōu)先控制水閥法

優(yōu)先控制水閥法控制流程圖如圖2所示。系統(tǒng)開始運行時，風(fēng)機以最低頻率運行，水閥開度由PID控制器控制，PID控制器控制變量為室內(nèi)空氣溫度，當(dāng)水閥開度為1，室內(nèi)溫度大于室內(nèi)允許最高溫度Tmax，時，系統(tǒng)繼續(xù)運行一段時間（如5分鐘），如果還是出現(xiàn)室內(nèi)溫度大于Tmax，的情況，則說明送風(fēng)量少，此時水閥開度為1，風(fēng)機運行頻率由式（1）求得。

圖2優(yōu)先控制水閥法控制流程圖

當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)機頻率以最低頻率運行，室內(nèi)溫度小于室內(nèi)運行最低溫度Tmin的情況時，系統(tǒng)繼續(xù)運行一段時間（比如5分鐘），如果還是室內(nèi)溫度小于Tmin，則說明閥門開度大，使得送風(fēng)溫度低，此時風(fēng)機頻率以最低頻率運行，閥門重新由PID控制。

1.3送回風(fēng)溫度控制法

送回風(fēng)溫度作為控制變量通過PID控制，系統(tǒng)在該控制方法下設(shè)置兩個PID控制器。PID控制器1根據(jù)送風(fēng)溫度控制水閥的開度以維持送風(fēng)溫度在設(shè)定值，PID控制器2根據(jù)回風(fēng)溫度控制送風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而控制回風(fēng)溫度在設(shè)定值。標(biāo)準(zhǔn)PID算法如式（2）所示：

式中：Ti是積分周期；Ts是采樣周期；Td是積分周期；Kp為比例增益。

由上式可得第k-1個采樣時刻的輸出值：

增量式PID可以避免算法飽和，輸出值u(k)如式（4）所示：

根據(jù)上述公式，可以繪出增量式PID控制算法流程圖，如圖3所示。

圖3增量式PID控制算法流程圖

2變風(fēng)量系統(tǒng)模擬建模

本文以武漢地鐵2號線螃蟹甲站的空調(diào)系統(tǒng)作為研究對象。該站為地下兩層標(biāo)準(zhǔn)島式站臺車站，新風(fēng)機額定流量為6.3kg/s，設(shè)計功耗為8.3kW，風(fēng)機全壓250Pa；送風(fēng)機額定流量為29.53kg/s，設(shè)計功耗為35kW，風(fēng)機全壓680Pa；回風(fēng)機額定流量為23.6kg/s，設(shè)計功耗為28kW，風(fēng)機全壓680Pa。車站運行時間為每天5:00～23:00。

2.1模型簡化

對于地鐵站而言，地鐵站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與外界換熱主要包括軌底風(fēng)道與站臺層底板換熱，軌頂風(fēng)道與屏蔽門上豎墻換熱，軌頂風(fēng)道與站廳層底板換熱以及屏蔽門與軌道之間換熱；地鐵站站廳與站臺內(nèi)空氣主要是與站臺層底板、屏蔽門上豎墻、站廳層底板、屏蔽門以及房間內(nèi)部物體之間換熱。在系統(tǒng)模型中，變風(fēng)量系統(tǒng)可以看作一個由許多相互連接部件組成的回路。這些部件包括建筑、盤管、風(fēng)機、水泵及傳感器等[5]。

2.2建筑熱濕平衡方程

圖4是簡化的熱網(wǎng)模型示意圖，站臺層底板，屏蔽門上豎墻以及站廳層底板考慮為2R1C（即兩個熱阻一個熱容）模型，房間內(nèi)部物體為2R2C模型，屏蔽門的換熱簡化為Q＝KΔT，其中K為軌道與站臺內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)，ΔT為軌道與室內(nèi)空氣之間溫差（設(shè)計值為12℃）。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)空氣和房間內(nèi)部物體的熱平衡方程如式（5）～式（8）所示，房間空氣濕平衡和空氣CO2濃度方程如式（9）～（10）所示：

式中：Mvav為送風(fēng)量，kg/s；Minf為滲透風(fēng)量，kg/s；Gvav為送風(fēng)含濕量，kg/kg；Ginf為滲透風(fēng)含濕量，kg/kg；Gin(t)為室內(nèi)空氣含濕量，kg/kg；Kd為屏蔽門與周圍空氣的傳熱系數(shù)；i=1，2，3，分別表示第i個圍護(hù)結(jié)構(gòu)；Mass為房間空氣質(zhì)量，kg；Goc為人員散濕量，kg/kg；CO2oc為人員呼吸產(chǎn)生CO2濃度，ppm。

通過上述方程可以得到任何一個時刻地鐵站內(nèi)房間空氣的狀態(tài)。

圖4建筑模型熱網(wǎng)示意圖

2.3盤管模型

盤管模型是用來動態(tài)模擬盤管內(nèi)流體換熱的，它是在Lebrun提出的盤管數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建立的[6]。盤管模型可以抽象為一個2R1C模型，利用能量守恒公式，可得式（11）：

式中：Cc為總熱容，kJ/℃；Tc盤管內(nèi)平均溫度，℃；Tair,in盤管進(jìn)風(fēng)溫度，℃；Tw,in盤管進(jìn)水溫度，℃；R1空氣側(cè)傳熱熱阻，℃/kW；R2冷凍水側(cè)傳熱熱阻，℃/kW。

干工況時，總的傳熱熱阻R由如下公式求出[7]：

式中：NTU為傳熱單元數(shù)；ε為效能；Cmin為空氣側(cè)熱容Cair與冷凍水側(cè)熱容Cw的最小值，kJ/℃；Cmax為空氣側(cè)熱容Cair與冷凍水側(cè)熱容Cw的最大值，kJ/℃；Ra，Rm，Rw分別為空氣側(cè)，盤管金屬側(cè)，冷凍水側(cè)對流傳熱熱阻，℃·m2/kW；A為換熱面積，m2；Nrow為管排數(shù)，當(dāng)Nrow大于2時，冷凍水與空氣的流動形式是逆流；當(dāng)Nrow小于或等于2時，流動形式是交叉流。

濕工況時，先假設(shè)一組氣流，它的比熱與飽和濕空氣在溫度為盤管進(jìn)風(fēng)濕球溫度與盤管進(jìn)水溫度平均值時的比熱相等?？偟膿Q熱熱阻R計算方法同干工況時一樣：

其中下標(biāo)f表示流體，wt表示濕工況。

求出總的換熱熱阻后，空氣側(cè)換熱熱阻R1及冷凍水側(cè)換熱熱阻R2就可以通過公式求出：

式（11）～式（21）中，分別可以求出盤管內(nèi)平均溫度Tc，空氣側(cè)傳熱熱阻R1，冷凍水側(cè)傳熱熱阻R2。盤管出口側(cè)的冷凍水溫度，空氣溫度則可以通過熱平衡公式求得。

式中：Tair,out為空氣側(cè)出風(fēng)溫度，℃；Tw,out為盤管冷凍水出水溫度，℃；SHR為顯熱比。

2.4風(fēng)機及水泵模型

風(fēng)機在給定頻率下的輸出流量和功耗公式如下：

式中：f和fdesign為風(fēng)機的即時頻率和工頻運行頻率（通常為50Hz）；M和Mdesign為風(fēng)機的即時風(fēng)量與設(shè)計風(fēng)量，kg/s；P和Pdesign為風(fēng)機的即時功耗與設(shè)計功耗，kW。

通過式（26）和式（27）分別計算風(fēng)機傳熱給空氣造成的冷損失功耗和風(fēng)機的實際出風(fēng)溫度。

式中：η為風(fēng)機效率；ξ為風(fēng)機發(fā)熱到空氣中的系數(shù)；cair為空氣比熱，kJ/(kg·℃)。

水泵功率公式如下：

式中：g為重力加速度；H為水泵揚程。

2.5閥門模型

水流量隨閥門開度變化的特性曲線如圖5所示，特性曲線表明，當(dāng)閥門開度（Pos）小于某一值（Posmin）時，水流量為最小流量（Qmin）；當(dāng)閥門開度大于等于某一值（Posmax）時，水流量為最大流量（Qmax）；當(dāng)閥門開度介于二者之間時，水流量由式（29）、式（30）求出：

圖5水流量隨閥門開度變化特性曲線

2.6執(zhí)行器及傳感器模型

假設(shè)執(zhí)行器加速非?？欤鞒虉D如圖6所示。執(zhí)行器模型還能通過DC的符號(DC為負(fù)號，表明執(zhí)行器反轉(zhuǎn)，DC為0表明執(zhí)行器不運行，DC為正號，表明執(zhí)行器正轉(zhuǎn))統(tǒng)計執(zhí)行器的啟停次數(shù)。閥門的行程距離以及執(zhí)行器的啟停次數(shù)可以反映閥門運行時的穩(wěn)定性。

圖6執(zhí)行器輸出計算流程圖

溫度傳感器模型采用時間常數(shù)法。時間常數(shù)是當(dāng)給傳感器階躍輸入時，輸出達(dá)到變化穩(wěn)定值的63.2%時間。根據(jù)傳感器測量端熱平衡方程[8]得出式（31）：

式中：y為測量變量的真實值；y'為傳感器輸出值；Tc為時間常數(shù)。

3 模擬分析

3.1模擬條件

根據(jù)上述建立的模型，以TRNSYS[9]作為仿真平臺建立了地鐵站空調(diào)系統(tǒng)，如圖7所示。使用該平臺分別模擬定風(fēng)量控制、優(yōu)先控制風(fēng)機法、優(yōu)先控制水閥法以及送回風(fēng)溫度控制法，以比較系統(tǒng)能耗和運行情況。采用定風(fēng)量控制法時，室內(nèi)溫度設(shè)定值為29℃。采用優(yōu)先控制風(fēng)機法以及優(yōu)先控制水閥法時，室內(nèi)允許最高溫度Tmax為30℃，室內(nèi)允許最低溫度Tmin為28℃，風(fēng)機運行最大頻率50Hz，變風(fēng)量系統(tǒng)分別對風(fēng)機運行最低頻率為25Hz，30Hz，35Hz，40Hz，45Hz的情況進(jìn)行模擬計算。采用送回風(fēng)溫度控制法時，變風(fēng)量系統(tǒng)分別對出風(fēng)溫度設(shè)定值為13℃，14℃，15℃，

圖7變風(fēng)量系統(tǒng)模擬平臺

3.2制冷季運行情況

制冷季從5月15日到10月15日，車站運行時間為5:00～23:00。結(jié)果如表1所示。

表1顯示，定風(fēng)量控制下能耗最大。采用送回風(fēng)溫度控制法時，隨著出風(fēng)溫度設(shè)定值降低，風(fēng)機功耗（送風(fēng)機＋新風(fēng)機＋回風(fēng)機）逐漸下降而水泵功耗逐步上升，這是因為盤管的出風(fēng)溫度是通過水閥控制的，要使出風(fēng)溫度降低，水流量就得相應(yīng)增大，因此水泵功耗會增大，水閥開度也就增大，水閥需要調(diào)整的次數(shù)及行程要少于出風(fēng)溫度設(shè)定值較高的情況。表1還顯示，對于優(yōu)先控制風(fēng)機法與優(yōu)先控制水閥法，在整個制冷季不同的運行情況大致相同。三種控制方法下總功耗最小的工況出現(xiàn)在送回風(fēng)溫度控制法控制出風(fēng)溫度為15℃的時候。

3.3不同控制方法綜合比較

隨著風(fēng)機運行最低頻率降低，送風(fēng)量減少，為了維持室內(nèi)溫度，需降低送風(fēng)溫度，而送風(fēng)溫度過低會引起送風(fēng)結(jié)露。為了綜合比較送風(fēng)結(jié)露對不同控制方法下系統(tǒng)運行情況的影響，當(dāng)不考慮送風(fēng)結(jié)露時，送回風(fēng)溫度控制下的出風(fēng)溫度為15℃，最低頻率25Hz；優(yōu)先控制風(fēng)機法和優(yōu)先控制水閥法的風(fēng)機運行最低頻率為30Hz。當(dāng)考慮送風(fēng)結(jié)露時，設(shè)置送回風(fēng)溫度控制下出風(fēng)溫度為18℃，最低頻率25Hz；優(yōu)先控制風(fēng)機法和優(yōu)先控制水閥法的風(fēng)機運行最低頻率為45Hz。不同控制策略下，綜合統(tǒng)計表分別如表2、3所示。

表1變風(fēng)量系統(tǒng)制冷季模擬結(jié)果表

表2不同控制方法綜合比較（不考慮送風(fēng)結(jié)露）

表3不同控制方法綜合比較（考慮送風(fēng)結(jié)露）

從上表可以看出，送回風(fēng)溫度控制法下，室內(nèi)溫度平均誤差均小于優(yōu)先控制風(fēng)機法與優(yōu)先控制水閥法，表明能更好地維持室內(nèi)溫度在設(shè)定值。三種控制方法下，在不考慮送風(fēng)結(jié)露時全年能耗大致相當(dāng)。當(dāng)考慮送風(fēng)結(jié)露時，三種控制方法的全年能耗均有所增加，但仍然低于定風(fēng)量控制法，且兩種工況下，送回風(fēng)溫度控制法最節(jié)能，節(jié)能率分別達(dá)到67.0%和55.9%。

4結(jié)論

本文以武漢地鐵2號線螃蟹甲站作為研究對象，采用模擬方法對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)不同控制方法的能耗進(jìn)行了分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）針對無變風(fēng)量末端的變風(fēng)量系統(tǒng)，本文提出了3種控制方法，即送回風(fēng)溫度控制法，優(yōu)先控制水閥法以及優(yōu)先控制風(fēng)機法。建立了房間、風(fēng)機、水閥、盤管和控制器等的數(shù)學(xué)模型，以TRNSYS為仿真平臺，搭建了地鐵站房變風(fēng)量系統(tǒng)的模型，以比較3種控制方法與定風(fēng)量控制下系統(tǒng)在制冷季節(jié)和全年的運行情況。

（2）模擬結(jié)果表明，優(yōu)先控制水閥法與優(yōu)先控制風(fēng)機法效果基本一致，送回風(fēng)溫度控制法較前者能更好地控制室內(nèi)溫度，且在適當(dāng)?shù)某鲲L(fēng)溫度設(shè)定值下，能耗能達(dá)到最小，在不考慮送風(fēng)結(jié)露和考慮送風(fēng)結(jié)露情況下，節(jié)能率分別達(dá)到67.0%和55.9%。

（3）對于地鐵站的變風(fēng)量系統(tǒng)，從維持室內(nèi)溫度與節(jié)能的角度出發(fā)，采用送回風(fēng)溫度控制法最為合適，在不考慮送風(fēng)結(jié)露的條件下控制出風(fēng)溫度在15℃，考慮送風(fēng)結(jié)露條件下應(yīng)控制出風(fēng)溫度為18℃（建議風(fēng)機運行最低頻率為25Hz）。

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Study on Control Sc he m e s of VAV Sys te m in Subw a y

LIU Jun,LIU Jian,CHE Lun-fei
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

Three control schemes applied to Variable Air Volume(VAV)system without VAV boxes are proposed. They are supply-return air temperature control scheme,water valve priority control scheme and fan priority control scheme.Take the air conditioning system of Pangxiejia station of Wuhan metro line 2 as the simulation object.The mathematical models of room,fan,water valve,coil and controller were established.TRNSYS was used as the simulation platform to build up the model of VAV system of subway station.The operational conditions of three control schemes were compared with those of constant air volume.The simulation results show that supply-return air temperature control scheme does relatively well in maintaining indoor temperature,whose energy consumption attains minimum in condition of proper supply air temperature.The energy conservation ratio reaches 67.0%and 55.9%, respectively,when supply air condensation is neglected and considered.

subway environmental control,VAV system,control scheme,energy consumption,TRNSYS

1003-0344（2014）05-010-6

2013-8-14

劉?。?982～），男，博士，高工；武漢市武昌區(qū)和平大道745號鐵四院城地院暖通所（430063）；027-51156167；

E-mail:xqliujun@163.com