李可可，周建華，姜宏超，蘭　波

(1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京　100037； 2.遼寧愛(ài)思迪冷卻技術(shù)有限公司，遼寧 丹東　118000)

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軌道交通車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)新型節(jié)能控制方法研究

李可可1，周建華1，姜宏超1，蘭波2

(1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100037； 2.遼寧愛(ài)思迪冷卻技術(shù)有限公司，遼寧 丹東118000)

面對(duì)軌道交通能耗逐年遞增的現(xiàn)狀，我國(guó)大力提倡軌道交通節(jié)能，并提出綠色軌道交通的概念；針對(duì)傳統(tǒng)軌道交通空調(diào)系統(tǒng)所存在的冷水機(jī)組制冷量過(guò)剩、冷凍和冷卻水流量無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型節(jié)能控制系統(tǒng)，對(duì)車(chē)站冷負(fù)荷變化規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控；利用變頻技術(shù)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，計(jì)算所需冷負(fù)荷，智能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的制冷量與空調(diào)末端冷量，使冷卻系統(tǒng)處于最節(jié)能的工作點(diǎn)；軌道交通空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)用該節(jié)能系統(tǒng)后耗電量大幅度降低，從而節(jié)約大量能源。

軌道交通 ；節(jié)能；控制； 變頻

0　引言

21世紀(jì)，建筑能耗已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前三大能耗之一。根據(jù)建筑物能耗數(shù)據(jù)分析，空調(diào)占辦公建筑能耗的60%，因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能對(duì)我國(guó)建筑能耗影響十分重大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有的公共建筑物中，只有不到10%達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。就使用節(jié)能空調(diào)的建筑在部分國(guó)家的統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，歐洲節(jié)能空調(diào)使用率占其總量的15%，美國(guó)為20%，澳大利亞則達(dá)到60%，而我國(guó)卻僅達(dá)1%。綜上，空調(diào)節(jié)能作為降低建筑能耗的重要組成部分，在我國(guó)有著非常大的提升空間。

近年來(lái)，我國(guó)通過(guò)大力發(fā)展軌道交通來(lái)解決城市交通問(wèn)題。至2014年底，我國(guó)城市軌道交通總里程數(shù)達(dá)到3 173公里。根據(jù)規(guī)劃，到2020年，全國(guó)79個(gè)城市規(guī)劃的軌道交通總里程將達(dá)到13 385公里，軌道交通車(chē)站間距平均為1.32公里。以此推算，至2020年大約要增加7 700個(gè)車(chē)站。同時(shí)按照現(xiàn)行的能耗數(shù)據(jù)測(cè)算，軌道交通車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)的能耗將翻兩番，這對(duì)于國(guó)家建筑能耗將是巨大的挑戰(zhàn)，因此對(duì)軌道交通車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制刻不容緩。傳統(tǒng)軌道交通空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)按當(dāng)?shù)靥鞖庾顭帷⒇?fù)荷最大時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并留有10%～20%的余量；冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨冷負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致冷凍水和冷卻水系統(tǒng)長(zhǎng)期滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。在浪費(fèi)了大量能源的同時(shí)，軸承、閥門(mén)、管道等部件極易損壞，從而使得維護(hù)費(fèi)用較高。如果僅由人工調(diào)節(jié)冷凍主機(jī)的出水溫度，在環(huán)境溫度較低或空調(diào)末端溫控設(shè)備靈敏度不高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量?；谝陨蠁?wèn)題，國(guó)家提出了“綠色軌道交通”的概念。

本文根據(jù)軌道交通車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種新型節(jié)能控制系統(tǒng)。它是利用變頻技術(shù)、PLC、傳感器等構(gòu)成的閉環(huán)節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)制冷主機(jī)、冷卻塔、冷凍水和冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行綜合改造，從而達(dá)到降低能耗、穩(wěn)定系統(tǒng)的目的，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軌道交通空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)按照控制對(duì)象的不同，可分為單元控制級(jí)和集中監(jiān)控級(jí)兩層結(jié)構(gòu)。其中，單元控制級(jí)包括水泵控制柜、冷卻塔風(fēng)機(jī)控制箱和信號(hào)采集裝置；集中控制級(jí)即車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制柜。節(jié)能控制系統(tǒng)組成如圖1所示，水泵控制柜對(duì)冷凍水泵和冷卻水泵的配電、啟動(dòng)、調(diào)節(jié)進(jìn)行智能調(diào)配；冷卻塔風(fēng)機(jī)控制箱對(duì)冷卻塔的電機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)配；信號(hào)采集裝置對(duì)系統(tǒng)管道中的流量、溫度、壓力等值進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和傳輸。車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制柜對(duì)上述單元控制級(jí)進(jìn)行集中控制、監(jiān)控和運(yùn)行管理，其與車(chē)站的環(huán)境、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸。

圖1　軌道交通空調(diào)水節(jié)能新型控制系統(tǒng)組成圖

節(jié)能控制系統(tǒng)采用“集中管理、分散控制”構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)相互獨(dú)立的單元控制級(jí)分別控制每個(gè)受控設(shè)備或系統(tǒng)，單元級(jí)控制系統(tǒng)可通過(guò)顯示屏進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、調(diào)節(jié)；車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制柜設(shè)計(jì)了功能化的組態(tài)軟件，可實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的關(guān)聯(lián)控制，具有很高的靈活性。對(duì)于不同的控制對(duì)象設(shè)計(jì)了相應(yīng)節(jié)能方案，對(duì)環(huán)境各種參數(shù)進(jìn)行采集，對(duì)制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等耗能設(shè)備進(jìn)行耗能量的統(tǒng)計(jì)，控制耗能設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行，降低能耗。

節(jié)能控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)節(jié)能控制柜的通信設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，新系統(tǒng)單元控制級(jí)中的智能控制器可獨(dú)立控制設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，工作人員也可對(duì)其進(jìn)行人工控制。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制柜

車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制柜主要由控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理單元、報(bào)警保護(hù)單元、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換單元等組成；其指標(biāo)為：CPU主頻2.8 GHz，內(nèi)存4 G，硬盤(pán)1T，網(wǎng)卡10 M/100 Mbps，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用windows 7。

2.2單元控制級(jí)

2.2.1水泵控制柜

水泵控制柜是控制系統(tǒng)的單元控制級(jí)，由配電系統(tǒng)提供動(dòng)力電源，對(duì)各個(gè)冷凍水泵、冷卻水泵進(jìn)行配電、變頻起停、自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。并配有7英寸、分辨率為800×600的彩色液晶顯示屏。

水泵控制柜包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊、PLC等器件，配備西門(mén)子新一代變頻器，柜體設(shè)有進(jìn)出線電抗器，能夠有效抑制諧波電流，增加變頻器的穩(wěn)定性。在控制柜面板設(shè)置正反轉(zhuǎn)、電機(jī)增減速、緊急停止、變頻/工頻、PLC控制等控制按鈕，并設(shè)置指示燈。

2.2.2冷卻塔風(fēng)機(jī)控制箱

為每臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)控制箱配備相互獨(dú)立的智能控制器、控制軟件、開(kāi)關(guān)器件、斷路器、指示燈、接觸器等設(shè)備。

2.2.3信號(hào)采集裝置

信號(hào)采集裝置包括溫度采集裝置，濕度采集裝置，流量測(cè)試及信號(hào)傳輸裝置，壓力測(cè)試及信號(hào)傳輸裝置。這些裝置分布在冷卻系統(tǒng)內(nèi)部及車(chē)站環(huán)境中，可精確采集信號(hào)并通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件功能模塊組成如圖2所示。系統(tǒng)軟件架構(gòu)包括監(jiān)控平臺(tái)和管理平臺(tái)兩大部分。其中，監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)軌道交通空調(diào)水系統(tǒng)各硬件設(shè)備的參數(shù)采集和控制，主要包括制冷主機(jī)控制模塊、冷凍水系統(tǒng)控制模塊、冷卻水系統(tǒng)控制模塊和其它系統(tǒng)控制模塊；管理平臺(tái)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和管理功能模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)包含了控制策略、故障記錄和參數(shù)中心，管理功能模塊包含了權(quán)限管理、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警與保護(hù)、控制模式切換、計(jì)量功能、參數(shù)報(bào)警與恢復(fù)等模塊。

4　節(jié)能控制策略

本部分針對(duì)軌道交通空調(diào)水系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)，采取相應(yīng)的節(jié)能策略設(shè)計(jì)節(jié)能控制系統(tǒng)，節(jié)能控制策略如圖3所示。

4.1制冷主機(jī)節(jié)能控制方法

隨著車(chē)站內(nèi)人員流動(dòng)及外界環(huán)境的變化，空調(diào)系統(tǒng)保持在設(shè)計(jì)負(fù)荷下運(yùn)行并非必要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全年空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值70%的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的63%。如果冷水機(jī)組工頻運(yùn)行，會(huì)造成制冷量與冷負(fù)荷量不匹配，進(jìn)而造成大量的制冷量浪費(fèi)，因此要對(duì)制冷主機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制。

為使制冷主機(jī)節(jié)能運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù)冷負(fù)荷特性，結(jié)合設(shè)備容量、效率、自動(dòng)控制系統(tǒng)功能及投入資本等多方因素，本系統(tǒng)采用群控方案對(duì)制冷主機(jī)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。制冷主機(jī)和空調(diào)末端設(shè)備有強(qiáng)相關(guān)性，采用群控技術(shù)，根據(jù)空調(diào)末端的動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷和空調(diào)負(fù)荷率對(duì)應(yīng)的時(shí)間頻數(shù)來(lái)匹配冷水機(jī)組冷量。

圖3　節(jié)能控制系統(tǒng)圖

采用群控技術(shù)，在多臺(tái)冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)選擇最佳的機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使得冷水機(jī)組能在高COP(能量與熱量之間的轉(zhuǎn)換比率)狀態(tài)下運(yùn)行。冷水機(jī)組的控制原理圖如圖4所示。通過(guò)以下條件建立冷水機(jī)組群控：建立冷水機(jī)組的運(yùn)行特性模型，記錄所有冷水機(jī)組的負(fù)荷特性；不同的冷水機(jī)組其負(fù)荷性能不同，同種冷水機(jī)組其部分負(fù)荷性能也有差異，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)采集技術(shù)，獲得各個(gè)冷水機(jī)組的性能系數(shù)COP及其隨負(fù)荷率變化的曲線圖。對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立系統(tǒng)冷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，為冷水機(jī)組與冷負(fù)荷的匹配提供依據(jù)，對(duì)機(jī)組的開(kāi)、增、減、停機(jī)進(jìn)行群控。 對(duì)冷水機(jī)組的冷凍水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)冷負(fù)荷的動(dòng)態(tài)分配，保證每臺(tái)機(jī)組都在COP最大的負(fù)荷率上運(yùn)行。使各臺(tái)冷水機(jī)組的冷凍水出水溫度盡可能一致。根據(jù)冷負(fù)荷的變化趨勢(shì)，計(jì)算開(kāi)機(jī)數(shù)量，智能判斷增機(jī)、減機(jī)、停機(jī)，計(jì)算各臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷率和COP，選擇合適的機(jī)組工作狀態(tài)。

圖4　冷水機(jī)組的控制

4.2冷卻水/冷凍水系統(tǒng)節(jié)能控制方法

整個(gè)空調(diào)水系統(tǒng)中，冷卻水/冷凍水系統(tǒng)提供了水系統(tǒng)的循環(huán)水的流動(dòng)及控制，這部分的能耗約占空調(diào)水系統(tǒng)總能耗的20%，系統(tǒng)的運(yùn)行工況決定了循環(huán)水的大小，所以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況來(lái)調(diào)整循環(huán)水量的大小是可行且十分必要的。

冷凍水泵和冷卻水泵為空調(diào)水系統(tǒng)提供循環(huán)水，在系統(tǒng)部分負(fù)荷時(shí)，可以通過(guò)二次泵變流量系統(tǒng)來(lái)控制循環(huán)水流量。二次泵變流量系統(tǒng)中，一次泵采用定流量系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)；二次泵系統(tǒng)采用變流量系統(tǒng)，根據(jù)冷卻水系統(tǒng)/冷凍水系統(tǒng)的進(jìn)出水溫差調(diào)整二次泵的循環(huán)水流量。利用二次泵變流量系統(tǒng)可以在保證循環(huán)水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的需要調(diào)整水流量大小。利用變頻技術(shù)改變二次泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)水流量，變頻器調(diào)速平滑，可平穩(wěn)調(diào)節(jié)水系統(tǒng)，智能控制流量，延長(zhǎng)冷水機(jī)組和管道設(shè)備的使用壽命。

冷凍水/冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能控制原理圖如圖5所示，溫度采集器采集冷卻塔的進(jìn)出水溫度信號(hào)以及冷水機(jī)組的進(jìn)出水溫度信號(hào)，溫度控制器將采集到的信號(hào)傳輸給水量控制平臺(tái)，控制平臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，將其轉(zhuǎn)化為脈沖號(hào)傳遞給變頻器，變頻器改變二次泵的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，從而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量。如果溫差較大，說(shuō)明所需冷量較大，變頻器控制二次泵增加水流量，反之，則控制二次泵減少循環(huán)水量，從而控制系統(tǒng)的制冷量。

圖5　冷卻水/冷凍水系統(tǒng)節(jié)能控制原理圖

4.3冷卻塔節(jié)能控制方法

冷卻塔是重要的節(jié)水設(shè)備，同時(shí)又是耗能設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1 m3/h循環(huán)水在冷卻塔上的能耗為0.07～0.1 kW(其中風(fēng)機(jī)耗電量為0.03～0.06 kW)，我國(guó)中等城市一條地鐵線的冷卻塔風(fēng)機(jī)年耗電量達(dá)1.8×106kW*h，因此研究冷卻塔的節(jié)能問(wèn)題意義重大。

冷卻塔的設(shè)計(jì)參數(shù)一般是參照炎熱季節(jié)的日平均濕球溫度來(lái)確定的，該溫度一年中出現(xiàn)的頻率為5%～10%。各地的月均濕球溫度變化比較大，在氣溫較低的季節(jié)冷卻塔能夠提供的冷卻負(fù)荷可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需量，這時(shí)，我們可以對(duì)冷卻塔進(jìn)行調(diào)整使其冷卻能力與所需冷負(fù)荷相匹配，可以節(jié)約能源，減少工作部件損耗。

冷卻塔主要依靠空氣和冷卻水的熱對(duì)流以及冷卻水的蒸發(fā)進(jìn)行散熱，進(jìn)而使冷卻水降溫，因此調(diào)節(jié)冷卻水和空氣的對(duì)流速度可有效控制冷卻塔的散熱量。如果冷卻塔的冷卻能力過(guò)高，可以調(diào)節(jié)風(fēng)量來(lái)使冷卻塔的冷卻能力與冷凝器散熱量匹配。冷卻塔的主要耗能部件是風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)會(huì)消耗大量電能，因此可以通過(guò)降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速減少風(fēng)量來(lái)降低冷卻塔的耗電量，達(dá)到節(jié)能的目的。

調(diào)節(jié)風(fēng)量的有效方法有兩種：一是調(diào)整運(yùn)行風(fēng)機(jī)的數(shù)量，二是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的性能。調(diào)整運(yùn)行風(fēng)機(jī)數(shù)量的方法具有間斷性、階梯變化、非連續(xù)性調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，水溫可能發(fā)生突變，無(wú)法對(duì)冷卻量進(jìn)行無(wú)級(jí)定量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的性能，最直接方法是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，目前變頻調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)日趨完善和成熟，可以通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行無(wú)極調(diào)速。

根據(jù)熱力學(xué)理論，我們知道風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與冷卻塔的散熱量成正比，風(fēng)機(jī)所消耗功率與其轉(zhuǎn)速的3次方成正比。根據(jù)美國(guó)馬力公司所做實(shí)驗(yàn)證明，3臺(tái)額定轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)與4臺(tái)相同型號(hào)以75%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)能夠?yàn)槔鋮s塔提供相同的散熱能力，冷卻塔與4臺(tái)75%額定轉(zhuǎn)速的冷卻塔同時(shí)運(yùn)行，能夠?yàn)槔渌畽C(jī)組提供相同的冷量，但是后者方法的耗電量只有前者的56.25%。該實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明采用4臺(tái)75%額定轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)的額冷卻塔比3臺(tái)全速運(yùn)行的冷卻塔能夠節(jié)約43.75%的耗電量。該實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)需要為冷水機(jī)組提供的冷量調(diào)整時(shí)，單純依靠調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量與調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相比，并不利于我們進(jìn)行節(jié)能；另外，在應(yīng)用變頻調(diào)速裝置時(shí)，其頻率不宜調(diào)到較低的區(qū)間，這是因?yàn)殡姍C(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，易燒毀電機(jī)；另一方面頻率較低時(shí)，轉(zhuǎn)速也會(huì)降低，此時(shí)運(yùn)行工況會(huì)偏離正常工作點(diǎn)，其實(shí)際意義并不大。所以，在轉(zhuǎn)速低于40%額定轉(zhuǎn)速時(shí)可以靠停開(kāi)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，這對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)備起到很好的保護(hù)作用。隨著科技和工業(yè)水平的不斷發(fā)展，變頻設(shè)備所需的投入資本成本越來(lái)越低，因此在調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，再通過(guò)減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量而進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)的方案，在工程應(yīng)用中成為了切實(shí)可行的方法。綜上，切實(shí)可行的調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)量的措施就是，在變頻調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，如所需風(fēng)量達(dá)到一定程度則通過(guò)減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量調(diào)整風(fēng)量。

使用變頻裝置改變電源的頻率從而改變電機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠改變風(fēng)量，滿(mǎn)足冷卻塔由于外界環(huán)境溫度改變對(duì)于風(fēng)量的需求，使得冷卻塔冷量與冷水機(jī)組所需冷量一致，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。冷卻塔進(jìn)出水溫度比較容易檢測(cè)，同時(shí)能準(zhǔn)確反映冷卻能力的變化，因此采用進(jìn)出水溫度信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為指令傳遞給變頻器，變頻器根據(jù)指令調(diào)整輸出頻率的大小。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，冷卻塔出水溫度也會(huì)相應(yīng)變化，指令通過(guò)控制回路控制逆變器的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)輸出頻率變化。由于變頻器的調(diào)節(jié)頻率精度一般可達(dá)到1% ～2%，頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為線性，因此通過(guò)調(diào)節(jié)頻率能夠更為精確地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而獲得變化梯度較小的多條風(fēng)機(jī)性能曲線，分別與總阻力線相交各自的工況點(diǎn)，這些工況點(diǎn)相對(duì)變化的梯度也不大，能夠更好地達(dá)到節(jié)能降耗的目的。冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制原理如圖6所示。

圖6　冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制原理

4.4空調(diào)末端節(jié)能控制方法

空調(diào)末端的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的效率起到?jīng)Q定性的作用。軌道交通車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)所采用的設(shè)備來(lái)自不同的供應(yīng)商，一般系統(tǒng)控制主要重視控制方法以及制冷主機(jī)控制器等方面，常忽略考慮冷卻系統(tǒng)的末端系統(tǒng)運(yùn)行情況、冷凍循環(huán)水的具體參數(shù)值、冷卻循環(huán)水的具體參數(shù)值之間的綜合控制。造成冷卻系統(tǒng)無(wú)法在最高效率下進(jìn)行工作，導(dǎo)致空調(diào)末端存在一定的能源浪費(fèi)。

空調(diào)系統(tǒng)輔助設(shè)備和末端的能耗約占HVAC(空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng))總能耗的40%，空調(diào)末端是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能效的最直接體現(xiàn)者，末端節(jié)能在中央空調(diào)節(jié)能中有著非常重要的意義。一般來(lái)說(shuō)空調(diào)末端的能耗主要以風(fēng)機(jī)能耗為主，降低末端能耗應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:正確設(shè)定室內(nèi)溫濕度以及新風(fēng)量；合理調(diào)整冷凍水送回水溫差；優(yōu)化控制系統(tǒng)；選擇合適的溫度傳感器并安裝于合適的采集點(diǎn)。

針對(duì)上述空調(diào)末端中的不足之處，本文利用智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵站環(huán)境溫度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果反饋到控制系統(tǒng)，對(duì)空調(diào)末端制冷和通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，控制系統(tǒng)原理如圖7所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通站內(nèi)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要用到精度較高的溫度傳感器以及冷水機(jī)組進(jìn)出口水溫檢測(cè)裝置，將采集的溫度信號(hào)傳送給中央控制器，再通過(guò)PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速閉環(huán)控制，從而達(dá)到對(duì)地鐵站溫度控制的目的。在保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行前提下在各個(gè)支路中添加調(diào)節(jié)閥門(mén)，對(duì)水壓和水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，按照預(yù)先的比例進(jìn)行分配，宜于采用預(yù)先流量分配法。室內(nèi)空調(diào)風(fēng)機(jī)組變頻控制通過(guò)檢測(cè)對(duì)室內(nèi)風(fēng)機(jī)組變頻控制后可達(dá)到理想的節(jié)電效果，且空調(diào)制冷效果優(yōu)異。

圖7　空調(diào)末端控制原理圖

在本系統(tǒng)支持下，可以方便地將空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管、新風(fēng)機(jī)、空氣處理器等末端設(shè)備納入統(tǒng)一管理，統(tǒng)一設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，控制末端設(shè)備節(jié)能運(yùn)行，而末端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)也可以反饋給空調(diào)系統(tǒng)管理平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化管理與運(yùn)行控制。

5　節(jié)能率測(cè)試評(píng)估

應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的新型節(jié)能控制系統(tǒng)，參照傳統(tǒng)軌道交通車(chē)站空調(diào)水系統(tǒng)，對(duì)某地鐵站進(jìn)行為期30天的節(jié)能率測(cè)試。

5.1測(cè)試方法

系統(tǒng)采用能耗比較法進(jìn)行節(jié)能率測(cè)試，即在冷負(fù)荷基本相同，環(huán)境溫度濕度達(dá)標(biāo)且基本一致的條件下，分別測(cè)量軌道交通車(chē)站水系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的能耗，通過(guò)計(jì)算得到節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能率。本次測(cè)量，在系統(tǒng)冷負(fù)荷基本相同的條件下，將節(jié)能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)在某個(gè)月交替運(yùn)行十五天，分別對(duì)其實(shí)時(shí)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

系統(tǒng)節(jié)能率：指在環(huán)境條件相近、運(yùn)行工況和運(yùn)行時(shí)間相同的情況下，系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能控制裝置所節(jié)約的能耗量與傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗量之比。即：

η=ΔQ/QW

5.2測(cè)試條件

為使節(jié)能測(cè)試的數(shù)據(jù)具有更高的可信度，在交替運(yùn)行的能耗測(cè)試過(guò)程中，滿(mǎn)足以下條件：

1) 運(yùn)行的制冷設(shè)備一致。

2) 運(yùn)行時(shí)間一致，且每天測(cè)試過(guò)程中，覆蓋系統(tǒng)正常運(yùn)行的全部時(shí)間。

3) 負(fù)荷情況基本一致，即室外氣候條件和空調(diào)的使用情況基本相同。

4) 運(yùn)行工況一致，制冷主機(jī)的冷凍水出水溫度為額定出水溫度，且主機(jī)的輸出功率不大于其額定功率。

5) 測(cè)量?jī)x表一致，即空調(diào)系統(tǒng)變流量與定流量交替運(yùn)行時(shí)測(cè)量各設(shè)備能耗的電能表采用相同儀表。

5.3能耗數(shù)據(jù)記錄與節(jié)能率的計(jì)算

5.3.1運(yùn)行參數(shù)記錄

在節(jié)能測(cè)試過(guò)程中，每間隔一定的時(shí)間段對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄和整理，以便對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。

5.3.2測(cè)試時(shí)間相同情況下的能耗記錄及計(jì)算

在進(jìn)行節(jié)能測(cè)試時(shí)，如果系統(tǒng)定流量和變流量運(yùn)行時(shí)間完全相同，可對(duì)各自的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和計(jì)算，得出使用節(jié)能控制裝置后中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率。節(jié)能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗對(duì)比圖如圖8所示。

圖8　節(jié)能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗對(duì)比圖

以上統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)是參照某地鐵站夏季30天的平均值，據(jù)上述節(jié)能率公式，經(jīng)計(jì)算可得出采用節(jié)能系統(tǒng)所得節(jié)能率約為29.6%。

6　結(jié)論

該節(jié)能系統(tǒng)采用先進(jìn)變頻技術(shù)，控制制冷主機(jī)工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)冷凍水及循環(huán)水的循環(huán)水量以及冷卻塔和空調(diào)末端的風(fēng)機(jī)風(fēng)量，收到很好的節(jié)能效果。節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用提高空調(diào)水系統(tǒng)的成本，但是應(yīng)用后將會(huì)節(jié)約大量能耗，根據(jù)節(jié)能測(cè)試評(píng)估過(guò)程中能耗表的記錄可知，該地鐵站采用節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到29.6%，每天平均節(jié)省電能約為870 kW，大約兩年就能收回成本。實(shí)際運(yùn)行情況表明，該節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能效果好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作方便、設(shè)備壽命有所提高，可以在國(guó)內(nèi)軌道交通空調(diào)水系統(tǒng)中應(yīng)用。如果能推廣到全國(guó)各個(gè)城市的軌道交通中，將會(huì)節(jié)省大量的電能，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益回報(bào)，而且能提升對(duì)能源的有效利用率。

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Research on New Energy-Saving Control Method of Air Conditioning Water System in Rail Transit station

Li Keke1，Zhou Jianhua1，Jiang Hongchao1，Lan Bo2

(1.School of Energy and Power Engineering,Beihang University，Beijing100037，China；2.Liaoning ST Cooling Technology Co.,Ltd，Dandong118000，China)

Energy consumption of Rail transit in our country is increasing year by year,thus the state vigorously promotes energy conservation and puts forward the concept of green rail transit. Since traditional air conditioning system of rail transit cannot adjust the water flow of cooling and refrigeration automatically under the dynamic work environment,and chillers cooling capacity surplus and other issues have not yet been solved,a new energy-saving control system has been researched in this paper. By analyzing the change law of cooling load of the station,this paper proposes centralized monitoring system,frequency conversion technology and the closed-loop control system so as to calculate the cooling load，achieve the control of motor speed intelligently as well as automatically adjust the volume of the refrigerating capacity of the chiller and air-conditioning terminal. Thus the cooling system can always working in the energy saving point. Since the energy-saving system is practiced in rail transit air-conditioning water system,power consumption has been considerably reduced and enormous energy conserved.

rail transit; energy-saving; control; frequency conversion

1671-4598(2016)04-0075-05< class="emphasis_italic">DOI

：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.023

TP273

A

2015-10-09；

2015-11-09。

李可可(1992-)，男，河南人，碩士研究生，主要從事制冷系統(tǒng)總體技術(shù)的研究。

周建華(1977-)，男，遼寧人，講師，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事進(jìn)氣道流動(dòng)控制、太陽(yáng)能熱利用、新型能源的研究。