嚴(yán)清

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司

目前，地鐵高架站強電設(shè)備用房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用通風(fēng)與多聯(lián)機系統(tǒng)相結(jié)合的方案[1-2]。通風(fēng)系統(tǒng)要比多聯(lián)機系統(tǒng)運行能耗低，但是當(dāng)室外溫度較高時，通風(fēng)系統(tǒng)無法排除室內(nèi)余熱，此時必須啟動多聯(lián)機系統(tǒng)[3]。提高切換溫度，可以減少多聯(lián)機系統(tǒng)運行時間和全年運行能耗，但同時將導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計溫差降低，增加通風(fēng)量和風(fēng)機功率，從全年運行考慮，這將增加通風(fēng)系統(tǒng)的全年能耗[4]。本文對這個問題進行了深入的研究，建立了準(zhǔn)確的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的數(shù)值模型，通過比較不同切換溫度下的全年運行能耗，最終得出了最優(yōu)值。同時，本文還對中國五大典型氣候區(qū)域分別進行了分析研究。

1 地鐵高架站強電設(shè)備用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

一般地，為滿足地鐵正常運行，需設(shè)置35 kV 開關(guān)柜室、0.4 kV 開關(guān)柜室、直流開關(guān)柜室、制動能量回饋裝置室、1#整流變壓器室、2#整流變壓器室等設(shè)備房間。這些強電設(shè)備用房布置有發(fā)熱量很大的設(shè)備，表1給出了這些設(shè)備房間的散熱量。6 個強電設(shè)備用房總的散熱量為203.8 kW。

如圖1 所示，為地鐵高架站強電設(shè)備用房的布置和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理圖。6 個強電設(shè)備用房共用一套多聯(lián)機系統(tǒng)，各房間分別設(shè)置多聯(lián)機室內(nèi)機。設(shè)置1臺送風(fēng)機和1 臺排風(fēng)機，其中，1#整流變壓器室、2#整流變壓器室、35kV 開關(guān)柜室三個房間靠外墻，設(shè)置自然補風(fēng)口從室外進行補風(fēng)。

圖1 地鐵高架站強電設(shè)備用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗模型

2.1 多聯(lián)機系統(tǒng)能耗模型

多聯(lián)機系統(tǒng)的總能耗主要由兩部分組成：室內(nèi)機能耗和室外機能耗。能效比EER 是從整體上評價多聯(lián)機系統(tǒng)的性能重要指標(biāo)，等于運行室內(nèi)機實際制冷量之和與系統(tǒng)總能耗之比。實驗結(jié)果表明，多聯(lián)機機組的能效比EER 跟多聯(lián)機作用域，室內(nèi)外的溫濕度條件，系統(tǒng)的負(fù)荷率LR 和各房間的負(fù)荷不均勻性指數(shù)UI 有關(guān)[5]。換而言之，對于選定的多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，其系統(tǒng)配管長度、室內(nèi)機和室外機高差、室內(nèi)機之間的高差等多聯(lián)機作用域參數(shù)是相同的，此時，多聯(lián)機作用域多聯(lián)機系統(tǒng)能耗模型中，能效比EER 可表示為：

特別地，對于地鐵高架站中強電設(shè)備用房，室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷主要為建筑設(shè)備的散熱量，而由圍護結(jié)構(gòu)、人體散熱等其他因此產(chǎn)生的冷負(fù)荷，相比之下可以忽略不計。另一方面，建筑設(shè)備的散熱量基本不變，也即可以認(rèn)為各強電設(shè)備用房的空調(diào)冷負(fù)荷是不變的。因此，該系統(tǒng)中系統(tǒng)的負(fù)荷率LR 和各房間的負(fù)荷不均勻性指數(shù)UI 也可以近似認(rèn)為是不變的。

室內(nèi)外空氣參數(shù)，是影響多聯(lián)機系統(tǒng)的能效比的重要因素，其具體影響如下：當(dāng)室內(nèi)機運行時，進風(fēng)溫度通常是周邊環(huán)境空氣溫度，當(dāng)室外空氣干球溫度升高時，勢必減少室外機的冷凝器散熱量，這將直接導(dǎo)致機組冷凝溫度和壓力的升高，進一步使得多聯(lián)機系統(tǒng)的能效比下降。同樣地，當(dāng)室內(nèi)濕球溫度設(shè)定值降低時，將直接導(dǎo)致機組蒸發(fā)溫度和壓力的降低，進一步使得多聯(lián)機系統(tǒng)的能效比下降。而多聯(lián)機實際運行時，通?？刂剖覂?nèi)溫度保持為一個定值，特別地，對于地鐵高架站強電設(shè)備用房，通常將室內(nèi)溫度設(shè)定為36 ℃。故本文也考慮室內(nèi)環(huán)境對多聯(lián)機能效比的影響。綜上所述，針對地鐵高架站中強電設(shè)備用房的多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，其能效比EER 可簡化為：

文獻[6]研究了多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)在不同室外溫度工況下運行時，系統(tǒng)能效比EER 值的變化情況，如圖2 所示。

圖2 能效比EER 隨室外溫度變化曲線

通過是數(shù)值擬合，可以將多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)能效比EER 與室外溫度tout的關(guān)系近似表示為：

如果多聯(lián)機室內(nèi)機容量采用連續(xù)控制模式，即采用室內(nèi)機電子膨脹閥的開度控制其室溫，則可認(rèn)為多聯(lián)機的運行狀態(tài)和房間的負(fù)荷變化分布是同步的，室內(nèi)機的瞬時制冷量等于房間的瞬時負(fù)荷，也等于設(shè)備的散熱量。因此，地鐵高架站中強電設(shè)備用房的多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的用電能耗可以表示為：

式中：q(τ)為τ 時刻系統(tǒng)的用電能耗；QS為設(shè)備的散熱量；EER(τ)為τ 時刻系統(tǒng)的能效比；K(τ)為判別參數(shù)，當(dāng)多聯(lián)機系統(tǒng)運行時取1，當(dāng)多聯(lián)機關(guān)閉時取0；qr為多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的全年用電能耗。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)能耗模型

地鐵高架站中強電設(shè)備用房通風(fēng)系統(tǒng)通常由多臺送、排風(fēng)機組成。各風(fēng)機的能耗和全年總能耗模型如下所示：

式中：qi、Pi、Qi分別表示各風(fēng)機的能耗、風(fēng)壓和所需要排除的熱量；c 為空氣的比熱容；Δt 為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計溫差；ρ 為空氣密度；η0為風(fēng)機內(nèi)效率，大風(fēng)機一般取0.85；η1為風(fēng)機的機械效率，采用聯(lián)軸器聯(lián)接取0.95；k為電動機功率儲備系數(shù)，取1.1；H(τ)為判別參數(shù)，當(dāng)風(fēng)機運行時取1，當(dāng)風(fēng)機關(guān)閉時取0；N 為風(fēng)機總臺數(shù)；qv為通風(fēng)系統(tǒng)全年運行總能耗。

3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制策略

通常，通過傳感器實時檢測室外空氣溫度或者室外空氣溫度，通過與設(shè)定值進行比較，從而控制通風(fēng)系統(tǒng)和多聯(lián)機系統(tǒng)的啟閉。由于地鐵高架站強電設(shè)備用房消除余熱是一定的，當(dāng)風(fēng)機選定后，通風(fēng)的溫差也是一定的，因此，從控制結(jié)果上看，通過室外空氣溫度或者室外空氣溫度進行控制，其控制結(jié)果是一樣的，本文以室外空氣溫度控制系統(tǒng)的切換運行。

一個合理的控制策略，應(yīng)既能滿足系統(tǒng)的控制要求，同時應(yīng)避免設(shè)備間的頻繁切換。一般地，控制系統(tǒng)需設(shè)定一個臨界控制溫度Tk0，通過將傳感器的實時監(jiān)測值與該值進行比較，并通過一定的邏輯判斷后由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，實現(xiàn)設(shè)備間的切換運行。為了避免由于室外溫度波動，導(dǎo)致風(fēng)機和多聯(lián)機系統(tǒng)之間的頻繁啟停，本文為臨界控制溫度Tk0考慮了1 ℃的冗余值，從而得到兩個切換點Tk0和Tk0-1，具體的控制策略如下：

1）當(dāng)室外溫度高于或等于Tk0時，多聯(lián)機系統(tǒng)啟動運行，通風(fēng)系統(tǒng)停止運行。

2）當(dāng)室外溫度低于Tk0-1 時，多聯(lián)機系統(tǒng)停止運行，通風(fēng)系統(tǒng)啟動運行。

3）當(dāng)室外溫度高于或等于Tk0-1 且低于Tk0時，保持設(shè)備的運行狀態(tài)。

當(dāng)然系統(tǒng)運行時，也應(yīng)同時檢測室內(nèi)溫度，以滿足多聯(lián)機的變頻運行控制要求和反饋設(shè)備工作不正常的報警信號。由于這一控制不涉及設(shè)備間的切換，故在此不進行贅述。

4 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗模擬

利用上述能耗模型以及系統(tǒng)控制策略，本文以武漢的氣象參數(shù)為例，對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗進行模擬和分析。

4.1 室外空氣干球溫度曲線

如圖3、4 所示，分別為武漢全年日平均干球溫度變化曲線和6 月26 日室外逐時溫度變化曲線，本參數(shù)來源于武漢氣象站提供的典型氣象年逐時參數(shù)報表。從圖4 中可以看出，當(dāng)室外干球溫度在控制點Tk0上下波動時，將出現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)與多聯(lián)機系統(tǒng)之間的切換。

圖3 武漢全年日平均干球溫度變化曲線

圖4 武漢6 月26 日室外逐時溫度變化曲線

4.2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行時間統(tǒng)計

從圖4 中可以看出，當(dāng)Tk0取28 ℃時，6 月26 日清晨室外溫度一直低于Tk0-1，故此時通風(fēng)系統(tǒng)啟動運行，多聯(lián)機系統(tǒng)停止運行。隨著時間的推移，在切換點1 處，室外溫度首次高于Tk0，通風(fēng)系統(tǒng)將停止運行，多聯(lián)機系統(tǒng)啟動運行。同樣地，在切換點3 處，室外溫度再次高于低于Tk0-1，通風(fēng)系統(tǒng)啟動運行，多聯(lián)機系統(tǒng)停止運行，一直維持這種狀態(tài)到這天結(jié)束。如圖5 所示，給出了6 月26 日多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行時間分布情況。

圖5 多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行時間分布（武漢6 月26 日）

同樣地，結(jié)合武漢每天的室外逐時溫度，可以得出每天多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行情況。如表2 所示，統(tǒng)計了全年多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行時間。從表中可以看出，除7 月～9 月份外，多聯(lián)機系統(tǒng)運行時長均小于通風(fēng)系統(tǒng)，特別是在1 月～3 月、10 月～12 月，多聯(lián)機系統(tǒng)基本不運行。根據(jù)統(tǒng)計，全年多聯(lián)機系統(tǒng)運行1600 小時，通風(fēng)系統(tǒng)運行7160 小時，通風(fēng)系統(tǒng)運行時長遠(yuǎn)大于多聯(lián)機系統(tǒng)，接近4.5 倍。

表2 多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行時長統(tǒng)計

4.3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗統(tǒng)計

利用多聯(lián)機和通風(fēng)系統(tǒng)能耗模型，結(jié)合室外干球溫度和系統(tǒng)運行時間分布，可以計算系統(tǒng)的逐時能耗。如圖5 所示，給出了當(dāng)Tk0取28 ℃時，武漢6 月26日多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行能耗分布。從圖中可以看出，在單位時間內(nèi)，多聯(lián)機系統(tǒng)的能耗遠(yuǎn)大于通風(fēng)系統(tǒng)。

圖5 多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行能耗分布（武漢6 月26 日）

通過計算每天系統(tǒng)的能耗分布，可以得出全年的總能耗。經(jīng)計算得出，當(dāng)Tk0取28 ℃時，通風(fēng)系統(tǒng)全年總能耗為13.5 萬kWh，多聯(lián)機系統(tǒng)全年總能耗為10.7萬kWh，整個系統(tǒng)全年總能為24.2 萬kWh。同樣地，可以計算Tk0不同取值時的全年總能耗，如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)全年總運行能耗統(tǒng)計（武漢）

從圖6 中可以看出，隨著Tk0的增加，通風(fēng)系統(tǒng)總能耗逐漸增加，這是因為Tk0的增加，雖然通風(fēng)系統(tǒng)運行的時間有所減少，擔(dān)使得通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計計算溫差增大，通風(fēng)系統(tǒng)容量增大，最終使得通風(fēng)系統(tǒng)全年總能耗增大。另一方面，隨著Tk0的增加，多聯(lián)機系統(tǒng)的全年運行總能耗減少，這是因為多聯(lián)機系統(tǒng)運行時間減少的緣故。同時，從圖中可以看出，整個系統(tǒng)總能耗先減少后增大，并當(dāng)Tk0為29 ℃時，總能耗達(dá)到最小值。因此，地鐵高架站強電設(shè)備用房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)將室外干球溫度控制臨界值Tk0設(shè)置為29 ℃，此時的系統(tǒng)總能耗最小。換言之，系統(tǒng)存在一個臨界控制溫度，在該臨界控制溫度下的控制策略最節(jié)能。由于室內(nèi)計算干球溫度為36 ℃，因此以之對應(yīng)的通風(fēng)計算溫差為7 ℃。

武漢是典型的夏熱冬冷氣候城市，考慮到不同氣候?qū)Y(jié)果的影響，本文繼續(xù)對其他氣候區(qū)域進行分析。如圖7、8、9 所示，分別為嚴(yán)寒地區(qū)（以哈爾濱為代表）、寒冷地區(qū)（以鄭州為代表）、夏熱冬暖地區(qū)（以廣州為代表）的全年運行能耗統(tǒng)計結(jié)果。從圖中可以看出，和夏熱冬冷氣候區(qū)域的計算結(jié)果相似，系統(tǒng)全年總運行能耗隨臨界控制溫度Tk0的增大表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。另一方面，不同氣候區(qū)域的最后臨界控制溫度存在區(qū)別，四大氣候下最佳控制溫度分別為25.5 ℃、28 ℃、30 ℃。同時，以之對應(yīng)的通風(fēng)計算溫差分別為10.5 ℃、8 ℃、6 ℃。很明顯地，隨著氣候的變暖，最佳臨界控制溫度逐漸升高，通風(fēng)計算溫差逐漸減少。特別地，對溫和地區(qū)（以昆明為代表）進行分析，發(fā)現(xiàn)昆明室外干球溫度最大值為30.2 ℃，可以全年采用機械通風(fēng)降溫，可不設(shè)置多聯(lián)機系統(tǒng)。

圖7 系統(tǒng)全年總運行能耗統(tǒng)計（哈爾濱）

圖8 系統(tǒng)全年總運行能耗統(tǒng)計（鄭州）

圖9 系統(tǒng)全年總運行能耗統(tǒng)計（廣州）

5 結(jié)論

本文對地鐵高架站強電設(shè)備用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制策略進行研究，建立了多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的能耗模型，制定了一種多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的控制策略。采用本文提出的控制策略系統(tǒng)，可以有效的避免由于室外溫差波動造成設(shè)備頻繁啟停的問題。利用該模型對系統(tǒng)全年能耗進行模擬，通過比較臨界控制溫度在不同取值時的運行能耗，得出一個最優(yōu)的控制策略，并得出以下結(jié)論：

1）采用多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合運行時，隨著臨界控制溫度的增大，系統(tǒng)全年總運行能耗先減小后增大，臨界控制溫度存在一個最優(yōu)值，取該值時，控制策略最節(jié)能。

2）不同氣候區(qū)域，臨界控制溫度最優(yōu)值略有不同，嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)分別取值為25.5 ℃、28 ℃、29 ℃、30 ℃。以之對應(yīng)的通風(fēng)計算溫差分別為28 ℃、10.5 ℃、8 ℃、7 ℃、6 ℃。特別地，溫和地區(qū)應(yīng)全年采用機械通風(fēng)系統(tǒng)降溫。