陸源清

地鐵空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能分析

陸源清

空調(diào)系統(tǒng)的變頻節(jié)能控制可有效提高資源的利用效率，文章通過分析空調(diào)各換熱環(huán)節(jié)的換熱過程，提出了基于功率偏離的空調(diào)節(jié)能分析方法；通過具體案例分析了空調(diào)各設備的變頻節(jié)能效果，提出了優(yōu)化建議。

地鐵；空調(diào)系統(tǒng)；變頻；節(jié)能優(yōu)化

地鐵是大運力、高耗能的地下交通工具，地鐵空調(diào)系統(tǒng)耗能約占地鐵總能耗的40%，且絕大多數(shù)時間處于選型負荷的60%以下運行。因此，地鐵空調(diào)系統(tǒng)的能耗控制，可以有效提高資源的利用效率，具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。地鐵空調(diào)負荷變化大，采用變頻技術對空調(diào)設備進行調(diào)節(jié)是一項有效的節(jié)能技術措施。

1 地鐵空調(diào)工作原理

圖1 空調(diào)系統(tǒng)原理

典型地鐵空調(diào)系統(tǒng)主要由水冷螺桿式冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、組合式空調(diào)器（AHU）組成，冷水機組的蒸發(fā)器側與冷凍水換熱為組合式空調(diào)器提供冷源，冷水機組的冷凝器側與冷卻水換熱，然后通過冷卻塔實現(xiàn)與室外的高溫熱源的換熱，其工作原理如圖1所示。根據(jù)典型地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)原理，地鐵車站公共區(qū)可以采用變流量和變風量的措施來實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。隨著站內(nèi)熱濕負荷和站外空氣參數(shù)的變化，通過變頻調(diào)節(jié)AHU風機的轉速來改變送風量，以滿足站內(nèi)乘客及工作人員的舒適性要求；通過冷水機組變?nèi)萘?、水泵一次泵變流量來匹配末端負荷?/p>

2 變頻節(jié)能控制目標

涉及空調(diào)能耗的主要有冷卻塔風機、冷卻水泵、壓縮機、冷凍水泵和AHU風機的功耗，為了便于節(jié)能分析，定義空調(diào)對應設備的標準工況功率、功率消耗占比和功率偏離比率，如表1所示?？照{(diào)系統(tǒng)總的功率偏離比率 λ 按式（1）計算，式（1）中參數(shù)見表1：

由式（1）可見，變頻節(jié)能控制目標就是在不同的工況下，如何控制不同的設備運轉狀態(tài)，從而使整個空調(diào)系統(tǒng)達到最佳的節(jié)能效果，即，設備總的功率偏離比率 λ 最小。為了便于分析，定義如下的偏離比率：

表1 標準工況功率、功率消耗占比和功率偏離比率

3 地鐵空調(diào)換熱分析

3.1 冷卻塔換熱分析

冷卻塔是利用空氣與水的接觸（直接或間接）來冷卻水進而達到散熱目的的設備。冷卻塔的干、濕球溫度和進、出水溫度及其對應關系如圖2所示。

圖2 冷卻塔溫度對應關系圖

根據(jù)換熱量公式，可以得到冷卻塔熱量偏離比率，如式（2）所示：

由式（2）可以看出，當室外濕球溫度一定的情況下，冷卻水進出水水溫越高，熱量偏離比率也越大。

3.2 冷卻水換熱分析

根據(jù)比熱法傳熱方程，冷卻水一般工況和標準工況下的換熱量如式（3）：

一般而言，冷卻水泵軸功率與冷卻水流量成三次方關系，則熱量偏離比率如式（4）：

由式（4）可以看出，冷卻水進出水溫差越大，熱量偏離比率越大，冷卻水的水流量對水泵的軸功率影響非常大。

3.3 冷凝器換熱分析

冷凝器進水溫度、出水溫度、冷凝溫度及其對應關系如圖3所示。根據(jù)傳熱方程，對應的熱量偏離比率就可以由式（5）計算得到：

圖3 冷凝器溫度對應關系圖

由式（5）可以看出，冷卻水進出水溫度越高，熱量偏離比率越大。

3.4 蒸發(fā)器換熱分析

冷凍水進水溫度、出水溫度、蒸發(fā)溫度及其對應關系如圖4所示。同樣地，假設換熱系數(shù)在一定范圍內(nèi)是常數(shù)，則蒸發(fā)器換熱量就只與換熱溫差有關，對應的冷量偏離比率就可以由式（6）計算得到：

圖4 蒸發(fā)器溫度對應關系圖

由式（6）可以看出，冷凍水進出水溫度越高，冷量偏離比率越大。

3.5 冷凍水換熱分析

根據(jù)比熱法傳熱方程，冷凍水一般工況和標準工況下的換熱量如式（7）：

同樣地，設冷凍水泵軸功率與冷凍水流量成三次方關系，冷量偏離比率如式（8）：

由式（8）可以看出，冷凍水進出水溫差越大，冷量偏離比率越大，冷凍水的水流量對水泵的軸功率影響非常大。

3.6 AHU空調(diào)器換熱分析

AHU空調(diào)器冷凍水進水溫度、送、回風溫度及其對應關系如圖5所示。根據(jù)傳熱方程，冷量偏離比率就可以表示為式（9）：

圖5 AHU溫度對應關系圖

同樣地，設送風機軸功率與風量成三次方關系，則冷量偏離比率如式（10）：

由式（10）可以看出，室內(nèi)溫度和送風溫度越高，AHU的換熱溫差越大，冷量偏離比率越大，風量對AHU的軸功率影響非常大。

3.7 壓縮機換熱分析

由式（12）可以看出，當冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的溫差越大，壓縮機的功率偏離率就越大。

4 變頻節(jié)能過程

根據(jù)上述的分析，變頻節(jié)能的優(yōu)化過程就是在設備標準工況、冷負荷已知的基礎上，根據(jù)不同濕球溫度的設定，通過換熱分析公式得到最小功率偏離率下的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、冷卻水及冷凍水進出水溫度和各設備功率偏離比率等空調(diào)參數(shù)，進而得到各設備最佳的運行參數(shù)。變頻節(jié)能最優(yōu)化下的功率偏離率λ的優(yōu)化過程如下（如圖6所示）：

（1）在設備標準工況、冷負荷已知的情況下，就可以計算得到標準工況下的相關參數(shù)

5 工程應用分析

無錫地鐵車站一般為地下2層島式站臺車站，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，站廳和站臺公共區(qū)面積約為2 300 m2。車站公共區(qū)大系統(tǒng)的冷凍水由設于本站站廳端部的冷水機房提供，冷水機房內(nèi)設2臺水冷螺桿式機組，冷卻水泵、冷凍水泵各3臺（2主1備），2臺冷卻塔設于車站端部新風井附近。在供回水總管間設置壓差旁通控制裝置，保證冷水機組的最小流量要求。冷水機組、末端裝置的進出水管之間均設連通管，以方便系統(tǒng)管道的沖洗。車站空調(diào)水系統(tǒng)采用節(jié)能控制系統(tǒng)，通過對AHU、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔變頻調(diào)節(jié)，對冷水機組運行進行系統(tǒng)優(yōu)化控制，達到空調(diào)水系統(tǒng)整體運行效率最高。

圖6 變頻節(jié)能優(yōu)化過程

以下分別針對溫度不變情況下的變頻節(jié)能、冷凝溫度降低情況下的節(jié)能以及蒸發(fā)溫度降低情況下的節(jié)能等3種情況進行分析。

5.1 溫度不變情況下的變頻節(jié)能分析

首先分析冷水機組冷凝溫度和蒸發(fā)溫度不變情況下，變流量、變風量等變頻技術對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。根據(jù)節(jié)能優(yōu)化過程以及換熱公式，可以得到在不同冷負荷需求下（0.2≤≤1）所有設備全變頻、A H U/冷卻水/冷凍水變頻、AHU/冷凍水變頻、AHU變頻及所有設備均不變頻等5種情況下的最優(yōu)功率偏離比率，如圖7所示。圖7中，0號曲線代表AHU、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行，1號曲線代表AHU、冷卻水泵、冷凍水泵變頻運行，2號曲線代表AHU、冷凍水泵變頻運行，3號曲線代表AHU變頻運行，4號曲線代表所有設備均不變頻運行。

從圖7可以看出，當采用5種不同的變頻控制策略時，空調(diào)系統(tǒng)的最小功率偏離率均隨著冷量偏離比率的降低而降低，當越多的設備變頻運行時，越低。通過對0號曲線和1、2號曲線比較可以發(fā)現(xiàn)，冷卻塔變頻運行時，對影響較小，因此，通過對冷卻塔的變頻控制所達到的節(jié)能效果較??；對比2、3號曲線可以發(fā)現(xiàn)，通過對冷凍水泵的變頻控制所達到的節(jié)能效果比較明顯；對比3、4號曲線可以發(fā)現(xiàn)，通過對AHU的變頻控制所達到的節(jié)能效果最為明顯?？梢姡珹HU變頻的節(jié)能效果最佳，冷凍水泵變頻的節(jié)能效果其次，冷卻水變頻的節(jié)能效果并不明顯，且存在工況不穩(wěn)定的風險。

5.2 冷凝溫度降低情況下的節(jié)能分析

在空調(diào)各設備變頻的基礎上，輔以冷凝溫度降低的措施，有助于能耗的進一步降低。根據(jù)節(jié)能優(yōu)化過程以及換熱公式，可以得到在不同冷負荷需求下設備變頻、蒸發(fā)溫度不變情況下，冷凝濕度不變與冷凝溫度降低2種情況下的最優(yōu)功率偏離比率，如圖8所示。圖8中，0號曲線代表蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均不變，且A H U、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行，1號曲線代表蒸發(fā)溫度不變，冷凝溫度降低，且AHU、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行。

從圖8可以看出，當采用這2種不同的變頻控制策略時，空調(diào)系統(tǒng)的最小功率偏離率均隨著冷量偏離比率的降低而降低。通過對0號曲線和1號曲線比較可以發(fā)現(xiàn)，當較大時，通過降低冷凝溫度而達到的節(jié)能效果非常??；當較小時，通過降低冷凝溫度而達到的節(jié)能效果也不甚明顯。可見，冷凝溫度降低的節(jié)能效果并不明顯。

圖7 溫度不變工況下的節(jié)能分析

5.3 蒸發(fā)溫度降低情況下的節(jié)能分析

蒸發(fā)溫度降低情況下的節(jié)能見圖9，圖9中，1號曲線代表蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均不變，且AHU、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻運行；2號曲線代表蒸發(fā)溫度變化，冷凍水水溫變化，冷凍水泵、AHU變頻運行；3號曲線代表蒸發(fā)溫度變化，AHU變頻運行；4號曲線代表蒸發(fā)溫度、冷凝溫度不變，所有設備均不變頻運行。

從圖9的比較可以看出，當采用這4種不同的控制策略時，空調(diào)系統(tǒng)的最小功率偏離率均隨著冷量偏離比率的降低而降低。通過對比1、2號曲線可以發(fā)現(xiàn)，當采用這2種控制策略時，節(jié)能效果并不明顯，這說明蒸發(fā)溫度的變化對系統(tǒng)的節(jié)能效果非常小；對比2、3號曲線可以發(fā)現(xiàn)，冷凍水水溫變化對系統(tǒng)的節(jié)能效果影響非常??；對比1、2、3號曲線與4號曲線可以發(fā)現(xiàn)，通過對風系統(tǒng)和水系統(tǒng)的設備進行變頻可以達到較好的節(jié)能效果?？梢姡舭l(fā)溫度提高的節(jié)能效果同樣不明顯。

圖8 冷凝溫度降低的節(jié)能分析

圖9 蒸發(fā)溫度降低的節(jié)能分析

6 結論及建議

本文通過空調(diào)各換熱環(huán)節(jié)換熱過程的分析，給出了基于功率偏離率的空調(diào)節(jié)能優(yōu)化過程。通過對無錫典型地鐵車站空調(diào)各設備在標準工況不變條件下的變頻效果及冷凝溫度和蒸發(fā)溫度降低下的變頻效果比較分析，提出如下變頻節(jié)能建議：

（1）建議冷卻水水泵、冷卻塔在額定工況下運行；

（2）對冷凍水水泵、AHU采用變頻技術進行節(jié)能控制；

（3）在變頻節(jié)能控制過程中，建議冷凝溫度和蒸發(fā)溫度按照設計工況進行控制。

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責任編輯 朱開明

Analysis of Energy Saving by Variable Frequency in Metro Air Conditioning System

Lu Yuanqing

The energy saving control of air conditioning system can effectively improve the utilization efficiency of resources. The paper analyzes the heat exchange process of the air conditioning system, and puts forward some optimized recommendations on the energy saving analysis method based on the variable power by case analyzing the variable frequency energy saving effect of the whole air conditioning system.

metro, air conditioning system, variable frequency, energy saving optimization

U231.5

2015-09-11

陸源清：無錫地鐵集團有限公司建設分公司，工程師，江蘇無錫 214000