高架站設備用房通風空調系統優化研究

嚴清

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

目前，地鐵高架站強電設備用房的通風空調系統采用通風與多聯機系統相結合的方案[1-2]。通風系統要比多聯機系統運行能耗低，但是當室外溫度較高時，通風系統無法排除室內余熱，此時必須啟動多聯機系統[3]。提高切換溫度，可以減少多聯機系統運行時間和全年運行能耗，但同時將導致通風系統的設計溫差降低，增加通風量和風機功率，從全年運行考慮，這將增加通風系統的全年能耗[4]。本文對這個問題進行了深入的研究，建立了準確的通風空調系統能耗的數值模型，通過比較不同切換溫度下的全年運行能耗，最終得出了最優值。同時，本文還對中國五大典型氣候區域分別進行了分析研究。

1 地鐵高架站強電設備用房通風空調系統

一般地，為滿足地鐵正常運行，需設置35 kV 開關柜室、0.4 kV 開關柜室、直流開關柜室、制動能量回饋裝置室、1#整流變壓器室、2#整流變壓器室等設備房間。這些強電設備用房布置有發熱量很大的設備，表1給出了這些設備房間的散熱量。6 個強電設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備用房的布置和通風空調系統原理圖。6 個強電設備用房共用一套多聯機系統，各房間分別設置多聯機室內機。設置1臺送風機和1 臺排風機，其中，1#整流變壓器室、2#整流變壓器室、35kV 開關柜室三個房間靠外墻，設置自然補風口從室外進行補風。

圖1 地鐵高架站強電設備用房通風空調系統原理圖

2 通風空調系統能耗模型

2.1 多聯機系統能耗模型

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

特別地，對于地鐵高架站中強電設備用房，室內空調負荷主要為建筑設備的散熱量，而由圍護結構、人體散熱等其他因此產生的冷負荷，相比之下可以忽略不計。另一方面，建筑設備的散熱量基本不變，也即可以認為各強電設備用房的空調冷負荷是不變的。因此，該系統中系統的負荷率LR 和各房間的負荷不均勻性指數UI 也可以近似認為是不變的。

室內外空氣參數，是影響多聯機系統的能效比的重要因素，其具體影響如下：當室內機運行時，進風溫度通常是周邊環境空氣溫度，當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，這將直接導致機組冷凝溫度和壓力的升高，進一步使得多聯機系統的能效比下降。同樣地，當室內濕球溫度設定值降低時，將直接導致機組蒸發溫度和壓力的降低，進一步使得多聯機系統的能效比下降。而多聯機實際運行時，通常控制室內溫度保持為一個定值，特別地，對于地鐵高架站強電設備用房，通常將室內溫度設定為36 ℃。故本文也考慮室內環境對多聯機能效比的影響。綜上所述，針對地鐵高架站中強電設備用房的多聯機空調系統，其能效比EER 可簡化為：

文獻[6]研究了多聯機空調系統在不同室外溫度工況下運行時，系統能效比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

通過是數值擬合，可以將多聯機空調系統能效比EER 與室外溫度tout的關系近似表示為：

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

式中：q(τ)為τ 時刻系統的用電能耗；QS為設備的散熱量；EER(τ)為τ 時刻系統的能效比；K(τ)為判別參數，當多聯機系統運行時取1，當多聯機關閉時取0；qr為多聯機空調系統的全年用電能耗。

2.2 通風系統能耗模型

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

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

3 通風空調系統控制策略

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，通過與設定值進行比較，從而控制通風系統和多聯機系統的啟閉。由于地鐵高架站強電設備用房消除余熱是一定的，當風機選定后，通風的溫差也是一定的，因此，從控制結果上看，通過室外空氣溫度或者室外空氣溫度進行控制，其控制結果是一樣的，本文以室外空氣溫度控制系統的切換運行。

一個合理的控制策略，應既能滿足系統的控制要求，同時應避免設備間的頻繁切換。一般地，控制系統需設定一個臨界控制溫度Tk0，通過將傳感器的實時監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發出指令，實現設備間的切換運行。為了避免由于室外溫度波動，導致風機和多聯機系統之間的頻繁啟停，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）當室外溫度高于或等于Tk0時，多聯機系統啟動運行，通風系統停止運行。

2）當室外溫度低于Tk0-1 時，多聯機系統停止運行，通風系統啟動運行。

3）當室外溫度高于或等于Tk0-1 且低于Tk0時，保持設備的運行狀態。

當然系統運行時，也應同時檢測室內溫度，以滿足多聯機的變頻運行控制要求和反饋設備工作不正常的報警信號。由于這一控制不涉及設備間的切換，故在此不進行贅述。

4 通風空調系統全年能耗模擬

利用上述能耗模型以及系統控制策略，本文以武漢的氣象參數為例，對通風空調系統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，本參數來源于武漢氣象站提供的典型氣象年逐時參數報表。從圖4 中可以看出，當室外干球溫度在控制點Tk0上下波動時，將出現通風系統與多聯機系統之間的切換。

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 通風空調系統運行時間統計

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

圖5 多聯機系統和通風系統運行時間分布（武漢6 月26 日）

同樣地，結合武漢每天的室外逐時溫度，可以得出每天多聯機系統和通風系統運行情況。如表2 所示，統計了全年多聯機系統和通風系統運行時間。從表中可以看出，除7 月～9 月份外，多聯機系統運行時長均小于通風系統，特別是在1 月～3 月、10 月～12 月，多聯機系統基本不運行。根據統計，全年多聯機系統運行1600 小時，通風系統運行7160 小時，通風系統運行時長遠大于多聯機系統，接近4.5 倍。

表2 多聯機系統和通風系統運行時長統計

4.3 通風空調系統能耗統計

利用多聯機和通風系統能耗模型，結合室外干球溫度和系統運行時間分布，可以計算系統的逐時能耗。如圖5 所示，給出了當Tk0取28 ℃時，武漢6 月26日多聯機系統和通風系統運行能耗分布。從圖中可以看出，在單位時間內，多聯機系統的能耗遠大于通風系統。

圖5 多聯機系統和通風系統運行能耗分布（武漢6 月26 日）

通過計算每天系統的能耗分布，可以得出全年的總能耗。經計算得出，當Tk0取28 ℃時，通風系統全年總能耗為13.5 萬kWh，多聯機系統全年總能耗為10.7萬kWh，整個系統全年總能為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 系統全年總運行能耗統計（武漢）

從圖6 中可以看出，隨著Tk0的增加，通風系統總能耗逐漸增加，這是因為Tk0的增加，雖然通風系統運行的時間有所減少，擔使得通風系統設計計算溫差增大，通風系統容量增大，最終使得通風系統全年總能耗增大。另一方面，隨著Tk0的增加，多聯機系統的全年運行總能耗減少，這是因為多聯機系統運行時間減少的緣故。同時，從圖中可以看出，整個系統總能耗先減少后增大，并當Tk0為29 ℃時，總能耗達到最小值。因此，地鐵高架站強電設備用房的通風空調系統，應將室外干球溫度控制臨界值Tk0設置為29 ℃，此時的系統總能耗最小。換言之，系統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能。由于室內計算干球溫度為36 ℃，因此以之對應的通風計算溫差為7 ℃。

武漢是典型的夏熱冬冷氣候城市，考慮到不同氣候對結果的影響，本文繼續對其他氣候區域進行分析。如圖7、8、9 所示，分別為嚴寒地區（以哈爾濱為代表）、寒冷地區（以鄭州為代表）、夏熱冬暖地區（以廣州為代表）的全年運行能耗統計結果。從圖中可以看出，和夏熱冬冷氣候區域的計算結果相似，系統全年總運行能耗隨臨界控制溫度Tk0的增大表現為先減小后增大的趨勢。另一方面，不同氣候區域的最后臨界控制溫度存在區別，四大氣候下最佳控制溫度分別為25.5 ℃、28 ℃、30 ℃。同時，以之對應的通風計算溫差分別為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，通風計算溫差逐漸減少。特別地，對溫和地區（以昆明為代表）進行分析，發現昆明室外干球溫度最大值為30.2 ℃，可以全年采用機械通風降溫，可不設置多聯機系統。

圖7 系統全年總運行能耗統計（哈爾濱）

圖8 系統全年總運行能耗統計（鄭州）

圖9 系統全年總運行能耗統計（廣州）

5 結論

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

1）采用多聯機系統和通風系統聯合運行時，隨著臨界控制溫度的增大，系統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值，取該值時，控制策略最節能。

2）不同氣候區域，臨界控制溫度最優值略有不同，嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區分別取值為25.5 ℃、28 ℃、29 ℃、30 ℃。以之對應的通風計算溫差分別為28 ℃、10.5 ℃、8 ℃、7 ℃、6 ℃。特別地，溫和地區應全年采用機械通風系統降溫。