火車空調(diào)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制及優(yōu)化

田鵬飛 劉歡 孟宏偉

摘要：變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是由單風(fēng)道定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)演變而來的一種全空氣空調(diào)系統(tǒng)。基于此，本文探討了火車空調(diào)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制及優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：變風(fēng)量空調(diào);節(jié)能控制;優(yōu)化

當(dāng)前，列車空調(diào)系統(tǒng)一般采用定風(fēng)量系統(tǒng)，因客流量、車內(nèi)人員活動量、室外空氣溫度的變化，從而使列車車廂內(nèi)的空氣參數(shù)無法時刻保持穩(wěn)定，甚至嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，不能滿足乘客的熱舒適性要求。而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)作為全空氣空調(diào)系統(tǒng)，可通過改變送入室內(nèi)的風(fēng)量或新回風(fēng)混合比、系統(tǒng)總風(fēng)量或新風(fēng)混合比來調(diào)節(jié)空調(diào)區(qū)域的溫度。列車空調(diào)系統(tǒng)采用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，既能適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷的不斷變化，又能在部分負(fù)荷下運(yùn)行時，最大限度降低風(fēng)機(jī)能耗、空調(diào)機(jī)組能耗和運(yùn)行成本，并能同時滿足各車廂負(fù)荷不同、溫度要求不同的溫度控制。

一、變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)簡述

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（VAV）是全空氣空調(diào)系統(tǒng)的一種形式，其工作原理是當(dāng)空調(diào)房間負(fù)荷發(fā)生變化時，系統(tǒng)末端裝置自動調(diào)節(jié)送入房間的風(fēng)量，確保房間溫度保持在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。同時，空調(diào)機(jī)組將根據(jù)各末端裝置風(fēng)量的變化，通過自動控制調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能目的。

1、空調(diào)區(qū)域溫度控制。采用典型的變風(fēng)量單風(fēng)道空調(diào)系統(tǒng)，每個車廂作為一個獨(dú)立的空調(diào)區(qū)域，其送風(fēng)量由變風(fēng)量末端裝置（VU）控制，每個VAV末端裝置可設(shè)多個送風(fēng)口。當(dāng)車廂內(nèi)負(fù)荷發(fā)生變化時，VAV末端裝置根據(jù)溫度變化調(diào)整送風(fēng)量，保持溫度穩(wěn)定。

當(dāng)前，變風(fēng)量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的末端裝置主要有節(jié)流型、風(fēng)機(jī)動力型兩種。節(jié)流型變風(fēng)量末端裝置通過調(diào)節(jié)節(jié)流機(jī)構(gòu)來改變送風(fēng)量;風(fēng)機(jī)動力型變風(fēng)量末端裝置通過串聯(lián)或并聯(lián)風(fēng)機(jī)，保持室內(nèi)送風(fēng)穩(wěn)定性，可避免小負(fù)荷下由于送風(fēng)量的減少而導(dǎo)致的室內(nèi)氣流分布不穩(wěn)定及溫度分布不均，同時也會帶來噪聲和增加系統(tǒng)能耗。

根據(jù)風(fēng)量調(diào)節(jié)方式的不同，將變風(fēng)量末端裝置分為壓力有關(guān)型及壓力無關(guān)型。

1）壓力有關(guān)型變風(fēng)量末端裝置，由溫控器直接控制風(fēng)閥位置。溫控器根據(jù)室內(nèi)溫度變化，修正風(fēng)量控制器的風(fēng)量設(shè)定值，實(shí)際送風(fēng)量由末端裝置入口處風(fēng)道靜壓確定。即使室內(nèi)溫度不發(fā)生變化，VAV末端裝置的送風(fēng)量也會隨著系統(tǒng)靜壓的變化而波動。

2）壓力無關(guān)型變風(fēng)量末端裝置，由溫控器直接控制送風(fēng)量。在末端裝置的入口處安裝風(fēng)量傳感器，用于檢測風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)量，溫控器根據(jù)室內(nèi)溫度的變化調(diào)整所設(shè)定的風(fēng)量值，風(fēng)量控制器根據(jù)測得的風(fēng)量值與設(shè)定值的差值來調(diào)節(jié)VAV末端裝置的風(fēng)閥開度，送風(fēng)量不隨系統(tǒng)靜壓的變化而變化。

考慮到火車載客量大、乘客數(shù)量時常變化的特點(diǎn)，車廂內(nèi)僅有少數(shù)人的情況較少，本文采用節(jié)流壓力無關(guān)變風(fēng)量末端裝置。

2、送風(fēng)變靜壓控制。它主要與DDC控制器有效結(jié)合，通過計(jì)算閥門開度直接由計(jì)算機(jī)控制變頻器。1）VAV末端設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)要有溫度、風(fēng)閥開度和風(fēng)量傳感器;2）溫控器根據(jù)列車內(nèi)溫度的實(shí)際值及設(shè)定值計(jì)算出VAV末端設(shè)定值;

3）根據(jù)末端設(shè)備設(shè)定值及流阻特性，計(jì)算閥門全開情況下的風(fēng)管阻力。選擇風(fēng)管回路最低靜壓的阻力作為送風(fēng)設(shè)備的揚(yáng)程。4）VAV末端設(shè)備設(shè)定值為送風(fēng)量設(shè)備所需風(fēng)量之和。根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)速-揚(yáng)程-流量特點(diǎn)，計(jì)算送風(fēng)設(shè)備轉(zhuǎn)速設(shè)定值及電量;5）根據(jù)送風(fēng)設(shè)備轉(zhuǎn)速設(shè)定值及VAV末端設(shè)備閥門開度，控制轉(zhuǎn)速。

3、PMV控制。在PMV控制設(shè)備中加入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測功能，動態(tài)調(diào)節(jié)溫度，輸出設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的自動控制功能。

火車內(nèi)溫度和代替輻射溫度相近，空體流速由下式來明確：其中，代表VAV末端設(shè)備的送風(fēng)量，A代表火車內(nèi)面積。

列車內(nèi)部溫度與代替輻射溫度相似，空體流速由下式確定：

式中：Vsup-VAV末端裝置送風(fēng)量，m3/h;A-車廂面積，m2。

另外，根據(jù)季節(jié)變化，通過DDC控制設(shè)定乘客新陳代謝率和服裝熱阻。

4、新風(fēng)量控制。1）在制冷條件下，△h>0，需應(yīng)用最低新風(fēng)量，降低制冷設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷;2）制冷條件下，△h≤0，新風(fēng)量溫度度t0>送風(fēng)溫度t1時，需采用最高新風(fēng)量;3）△h<0，t0，t1相等，應(yīng)用最高新風(fēng)量，新風(fēng)引入冷量與列車內(nèi)冷負(fù)荷相同，制冷設(shè)備不工作;4）△h<0，t0

二、火車空調(diào)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自動化優(yōu)化控制

1、VAV末端設(shè)備控制。PMV控制系統(tǒng)利用溫濕度傳感器采集列車內(nèi)的空氣溫濕度，利用風(fēng)量傳感器采集VAV末端設(shè)備的送風(fēng)量，通過DDC控制實(shí)行評估乘客新陳代謝及衣服熱阻，計(jì)算PMV并與設(shè)定值進(jìn)行比較。然后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模塊對列車內(nèi)部溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫控器將溫度設(shè)定值與實(shí)際值進(jìn)行比較，并計(jì)算出風(fēng)設(shè)定值。出風(fēng)量控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的差值來控制VAV末端設(shè)備的閥門開度。

2、優(yōu)化送風(fēng)靜壓控制。全開閥量滿足標(biāo)準(zhǔn)，總風(fēng)量差值維持在要求范圍內(nèi)，則系統(tǒng)穩(wěn)定。此時要保證靜壓設(shè)定值的穩(wěn)定，需調(diào)節(jié)設(shè)定值來保證穩(wěn)定。但風(fēng)閥長期運(yùn)行中容易發(fā)生硬故障，致使輸出信號不準(zhǔn)確，使總體送風(fēng)量與所需發(fā)生偏差，影響優(yōu)化效果。因此，有必要設(shè)置上限值，若連續(xù)發(fā)生頻率高于上限值，則末端設(shè)備出現(xiàn)硬故障，靜壓控制自主調(diào)節(jié)到初始值。

3、焓的優(yōu)化控制。焓控制設(shè)備通過相關(guān)的溫濕度傳感器采集新風(fēng)及回風(fēng)數(shù)據(jù)。新風(fēng)量是通過該環(huán)節(jié)來評估的。焓控制設(shè)備采用氣閥開度傳感器采集VAV末端設(shè)備的送風(fēng)量數(shù)據(jù)，求得總送風(fēng)量，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，確定新風(fēng)量值，并控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)閥開度和紅外測溫儀水流量。

4、優(yōu)化列車內(nèi)部正壓。在新風(fēng)量控制優(yōu)化過程中，應(yīng)對回風(fēng)設(shè)備進(jìn)行控制，回風(fēng)量應(yīng)與送風(fēng)量相對應(yīng)。為了避免列車內(nèi)的壓力過小，空調(diào)車廂的壓力應(yīng)加以控制。變風(fēng)量有效的壓力控制方法是測量送風(fēng)與回風(fēng)管間的風(fēng)流量，并對其進(jìn)行比較后控制回風(fēng)機(jī)內(nèi)的風(fēng)量。正壓控制設(shè)備通過送風(fēng)管及回風(fēng)管中風(fēng)量傳感器采集送風(fēng)回風(fēng)流量，以確保回風(fēng)設(shè)備的轉(zhuǎn)速及風(fēng)閥開度差值在規(guī)定范圍內(nèi)。

5、送風(fēng)溫度優(yōu)化控制。降低系統(tǒng)負(fù)荷，靜壓控制通過降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來降低靜壓，從而提高末部設(shè)備風(fēng)閥的開度，以滿足風(fēng)量需求。當(dāng)負(fù)荷降低到一定值時，所需風(fēng)量過低，可能會導(dǎo)致列車內(nèi)空氣流動性降低及新風(fēng)量過低。在這種情況下，應(yīng)提高送風(fēng)溫度，反之亦然。各末端有一個恒定的最大風(fēng)量，對應(yīng)于同一時間所需風(fēng)量，該末端所需風(fēng)量與最大風(fēng)量之比即為其負(fù)荷率。更高的負(fù)荷率意味著更高的所需風(fēng)量，這時部分末端所需風(fēng)量可能不符合列車的內(nèi)部舒適度標(biāo)準(zhǔn)，此時需降低送風(fēng)溫度設(shè)定值。當(dāng)負(fù)荷很低時，紅外測溫儀的送風(fēng)量下降，因此應(yīng)借助送風(fēng)溫度的升高來增加室內(nèi)送風(fēng)量，以消除風(fēng)量低帶來的不利影響。

6、DDC優(yōu)化控制。因計(jì)算機(jī)的輸入輸出信號為數(shù)字信號，檢測和執(zhí)行系統(tǒng)的輸出輸入信號通常屬于模擬信號，則要添加到控制系統(tǒng)內(nèi)主要的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。基于微處理系統(tǒng)的PLC模塊接收傳感器發(fā)送的信號，根據(jù)流程計(jì)算和分析，經(jīng)處理后向動作執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出命令，最終實(shí)現(xiàn)被控目標(biāo)的調(diào)整及控制優(yōu)化。

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