地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)優(yōu)化節(jié)能控制策略研究

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)優(yōu)化節(jié)能控制策略研究

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)約占地鐵總能耗的40%。主要原因之一是，通常根據(jù)長(zhǎng)期的最大負(fù)荷設(shè)計(jì)，并具有一定的豐富性。其性能特點(diǎn)是負(fù)荷滿負(fù)，負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間短，工作量大，早晚高峰。這是長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)錯(cuò)誤。現(xiàn)在，它通常用于控制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的流量控制器，但由于調(diào)幅有限，調(diào)參數(shù)相對(duì)獨(dú)立，因此需要提高整體節(jié)能效果。因此，作者分析了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要參數(shù)，并提出了一項(xiàng)節(jié)能控制優(yōu)化方案。1南方某地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)研究對(duì)象我國(guó)南北地域氣候相差大、地鐵設(shè)計(jì)理念不同,導(dǎo)致各地地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)有所差異.筆者以南方某地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為具體研究對(duì)象進(jìn)行分析和研究.1.1空氣處理機(jī)組ahu風(fēng)機(jī)、回/排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制典型的地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示.此地鐵車站公共區(qū)間采用變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng),即隨著站內(nèi)熱濕負(fù)荷和站外空氣參數(shù)的變化,通過(guò)變頻調(diào)節(jié)空氣處理機(jī)組(AHU)風(fēng)機(jī)、回/排風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變送/回風(fēng)量,以滿足站內(nèi)乘客及工作人員的舒適性要求;通過(guò)冷水機(jī)組變?nèi)萘?、水泵變頻變流量來(lái)匹配末端負(fù)荷.本系統(tǒng)初擬冷凍水采用一次泵變流量系統(tǒng),冷卻塔采用直交流式,根據(jù)冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度之差變頻控制冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量.由上述系統(tǒng)各部分運(yùn)行方式可知該通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的可變溫度參數(shù)和可變質(zhì)量(體積)流率參數(shù)如表1所示.1.2冷卻水水流量的確定AHU是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)站內(nèi)熱濕環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備,相應(yīng)的冷凍水供水溫度和流量、AHU送風(fēng)溫度和風(fēng)量是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的重要參數(shù).在確定的站內(nèi)負(fù)荷和室外溫度下,冷凍水供回水設(shè)計(jì)溫差為5,℃時(shí),由于AHU換熱器和末端二通閥的共同作用,AHU送風(fēng)溫度與冷凍水供水溫度共同決定送風(fēng)量、相對(duì)濕度及冷凍水實(shí)際流量.同時(shí),冷凍水供水溫度和流量又決定了冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力.冷卻水供水溫度tci由室外濕球溫度tas和冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量共同決定.冷卻水進(jìn)出水溫差為5,℃時(shí),在確定的熱負(fù)荷和室外濕球溫度下,冷卻水流量確定,冷卻水供水溫度為故可通過(guò)溫差Δtca控制冷卻塔風(fēng)機(jī)排風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)冷卻塔出水溫度tci.由上述分析可知,在確定的負(fù)荷及室外條件下,表1中的各參數(shù)均可由tAHU、teo、Δtca三關(guān)鍵參數(shù)確定,從而決定了系統(tǒng)中各設(shè)備的功耗,因此該三參數(shù)為節(jié)能控制關(guān)鍵參數(shù).2通過(guò)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，時(shí)間優(yōu)化節(jié)能控制策略和方案2.1關(guān)鍵參數(shù)聯(lián)合波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行變頻控制是目前地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)節(jié)能控制方案(普通方案),此時(shí),tAHU、teo和Δtca三關(guān)鍵參數(shù)為既定常數(shù).分析可知,當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況,使三關(guān)鍵參數(shù)在合理范圍內(nèi)聯(lián)合波動(dòng)可減少系統(tǒng)能耗:風(fēng)機(jī)、水泵在變頻允許范圍內(nèi)變化;AHU送風(fēng)溫度在(20±2)℃范圍內(nèi)變化;冷凍水供水溫度在(7±1)℃范圍內(nèi)波動(dòng);冷卻水進(jìn)水溫度與環(huán)境空氣濕球溫度間溫差在3~5,℃波動(dòng).因此,可以利用合理波動(dòng)的三關(guān)鍵參數(shù)來(lái)優(yōu)化普通方案,提高通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率.2.2地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能效比和能效比的確定依據(jù)三關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)有著不同的影響.當(dāng)tAHU降低時(shí),可減少通風(fēng)量,使AHU風(fēng)機(jī)和回排風(fēng)機(jī)能耗降低,也有利于保證AHU有效除濕,但是同時(shí)使蒸發(fā)溫度降低、冷水機(jī)組能耗增加.當(dāng)環(huán)境濕球溫度降低或者車站內(nèi)負(fù)荷較小時(shí),可以通過(guò)減少冷卻塔通風(fēng)量使溫差增大來(lái)降低冷卻塔能耗.但Δtca的增大使冷卻水供水溫度相對(duì)升高,導(dǎo)致冷凝器冷凝溫度升高、冷水機(jī)組能耗增加.因此,只有合理處理上述矛盾才能真正降低系統(tǒng)能耗,否則適得其反.本文針對(duì)地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷特點(diǎn),著眼于地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)整體,提出了有效解決如上矛盾、實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制優(yōu)化的優(yōu)化目標(biāo),即逐時(shí)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能效比(HSCOP)為式中:Q0為某1,h的站內(nèi)熱負(fù)荷,kJ;Nt為該小時(shí)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)總能耗,kJ.基于以上分析,提出地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制優(yōu)化方案,即地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)優(yōu)化策略逐時(shí)關(guān)鍵參數(shù)自尋優(yōu)變頻節(jié)能控制方案:以最大HSCOP值為優(yōu)化目標(biāo),采用VisualBasic和Matlab混合編程,采集地鐵站內(nèi)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù),在線自尋最優(yōu)tAHU、teo、Δtca三關(guān)鍵參數(shù),并以三關(guān)鍵參數(shù)為設(shè)定溫度(差),變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)各設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)、水流量控制,減少系統(tǒng)整體能耗.3系統(tǒng)仿真模型利用上述的優(yōu)化方案仿真通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng).由于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)備之間存在較強(qiáng)耦合性(見(jiàn)圖1),且優(yōu)化方案需快速在線尋優(yōu)參數(shù)以指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行,本文采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行優(yōu)化并計(jì)算節(jié)能效果.仿真計(jì)算所需各設(shè)備數(shù)學(xué)模型如下.3.1傳熱模型的建立AHU空調(diào)箱采用整體串片型表面式換熱器,冷凍水均勻流過(guò)肋管,空氣在肋管外流動(dòng),假設(shè)空調(diào)箱與環(huán)境無(wú)熱交換,則能量方程為式中:cw為水的比熱容,kJ/(kg·℃);teo、tei分別為冷凍水供水和回水溫度,℃;ρa(bǔ)ir為空氣密度,kg/m3;hair,i、hair,o分別為AHU進(jìn)、出口空氣焓,kJ/kg.傳熱方程可表示為式中:KAHU為AHU換熱器的傳熱系數(shù),W/(m2·K);AAHU為AHU換熱器的換熱面積,m2;tair,i、tair,o分別為AHU進(jìn)、出口空氣干球溫度,℃.熱交換效率系數(shù)為式中:β為傳熱單元數(shù);γ為兩流體的水當(dāng)量比.接觸系數(shù)為式中:αw為AHU換熱器外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);tair,is、tair,os分別為AHU進(jìn)、出口空氣濕球溫度,℃.3.2冷水機(jī)組模型所研究地鐵空調(diào)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)螺桿冷水機(jī)組,主要包括螺桿壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和電子膨脹閥4部分.下面將分別介紹該4部分的數(shù)學(xué)模型.3.2.1壓縮機(jī)進(jìn)口處的制冷劑比容壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量可表示為式中:ηv為壓縮機(jī)容積效率;Vth為壓縮機(jī)理論排氣量,m3/h;νin為壓縮機(jī)進(jìn)口處的制冷劑比容,m3/kg.壓縮機(jī)出口溫度為式中:tcom,i為壓縮機(jī)進(jìn)口溫度,℃;pcom,i、pcom,o分別為壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓力,Pa;n為多變過(guò)程指數(shù).壓縮機(jī)電機(jī)功率為式中:hcom,i、hcom,o分別為壓縮機(jī)進(jìn)、出口的制冷劑焓值,kJ/mol;ηel、ηme分別為電機(jī)效率和機(jī)械傳動(dòng)效率.3.2.2蒸發(fā)器傳熱方程本冷水機(jī)組所選蒸發(fā)器為滿液式.節(jié)流后的兩相制冷劑從底部流入蒸發(fā)器,管外蒸發(fā)后從殼體頂部流出進(jìn)入壓縮機(jī);冷凍水管內(nèi)流動(dòng).假設(shè)殼體保溫效果好,與環(huán)境無(wú)熱交換,則能量方程為式中hei、heo分別為蒸發(fā)器進(jìn)、出口處的制冷劑焓值,kJ/mol.傳熱方程為式中:Ke為蒸發(fā)器傳熱系數(shù),W/(m2·K);Ae為蒸發(fā)器傳熱面積,m2;te為制冷劑蒸發(fā)溫度,℃.3.2.3高壓制冷進(jìn)入運(yùn)用本冷水機(jī)組冷凝器為臥式殼管式.壓縮機(jī)排除的高溫高壓制冷劑從頂部進(jìn)入,冷凝后的液態(tài)制冷劑從殼體底部流出;冷卻水管外流動(dòng).假設(shè)殼體保溫效果好,與環(huán)境無(wú)熱交換,則其能量與傳熱方程與蒸發(fā)器相同.3.2.4閥特性及制冷劑密度節(jié)流過(guò)程一般視為等焓過(guò)程,制冷劑制冷流率可表示為式中:Cval為閥特性常數(shù);ρin為閥進(jìn)口處的制冷劑密度,kg/m3;pval,i、pval,o分別為閥進(jìn)、出口的制冷劑壓力,Pa.3.3總填料及冷卻水體積流率本通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)選擇了直交流式冷卻塔,冷卻塔冷卻數(shù)為式中:βχν為散質(zhì)系數(shù);V為總填料體積,m3;qcw為冷卻水體積流率,m3;h為空氣焓值,kJ/mol;h′為飽和空氣焓值,kJ/mol.冷卻數(shù)計(jì)算時(shí)采用辛普遜積分法.3.4水泵風(fēng)機(jī)的測(cè)量參數(shù)通過(guò)變頻改變風(fēng)機(jī)與水泵的轉(zhuǎn)速時(shí),各參數(shù)按比例定律變化,即式中:q為水泵(風(fēng)機(jī))的流量,m3/h;H為水泵(風(fēng)機(jī))的揚(yáng)程,m;p為水泵(風(fēng)機(jī))的全壓,Pa;P為水泵(風(fēng)機(jī))的功率,kW;n為水泵(風(fēng)機(jī))的轉(zhuǎn)速,r/min;下標(biāo)p表示變頻,m表示額定.4典型日特征參數(shù)及參數(shù)優(yōu)化根據(jù)優(yōu)化方案思路編制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模擬程序,并以夏季典型日為例,計(jì)算分析該天工作18,h的優(yōu)化結(jié)果.典型日氣象參數(shù)如圖2所示,空氣干球溫度最低接近29,℃,最高37,℃,濕球溫度也在26,℃以上,全天氣溫較高.利用所編程序計(jì)算得到典型日的三可優(yōu)化參數(shù)如圖3所示,計(jì)算所得典型日的HSCOP值如圖4所示,其中7:00至8:00時(shí)段為客流早高峰,17:00至18:00時(shí)段為客流晚高峰.由圖3可以看出,AHU送風(fēng)溫度tAHU與冷凍水供水溫度teo變化趨勢(shì)相同,溫差Δtca恒定為3,℃.4.1系統(tǒng)節(jié)能效果隨時(shí)間的變化早晚高峰的AHU送風(fēng)溫度和冷凍水供水溫度同時(shí)為最小值.此時(shí)段車站客流量大,通風(fēng)需求量大,只有適當(dāng)?shù)亟档退惋L(fēng)溫度才能有效減少系統(tǒng)能耗.但為了保證AHU的熱交換效率和除濕效率,必須降低溫度teo.其他時(shí)段,站內(nèi)熱負(fù)荷小,在滿足降溫除濕的同時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化參數(shù)tAHU和teo之間的匹配,使系統(tǒng)節(jié)能效果最優(yōu).圖3和圖4表明,并非溫度tAHU、teo越低,系統(tǒng)優(yōu)化方案的節(jié)能效果越好.早晚高峰時(shí)段,優(yōu)化前后系統(tǒng)能效比相差不大,主要原因是此時(shí)段站內(nèi)通風(fēng)量大,降低送風(fēng)溫度對(duì)通風(fēng)量影響不大,反而增加冷水機(jī)組能耗,使系統(tǒng)整體節(jié)能效果不理想.其他時(shí)段,冷凍水供水溫度teo高于設(shè)計(jì)溫度7,℃,使蒸發(fā)溫度升高、冷水機(jī)組能耗降低;AHU送風(fēng)溫度低于設(shè)計(jì)溫度,雖變化較小,但仍降低風(fēng)機(jī)能耗,從而提高系統(tǒng)能效比.4.2冷卻水吸濕劑的tca影響圖3中,溫差Δtca恒定為3,℃,表明Δtca與環(huán)境溫度、站內(nèi)負(fù)荷均無(wú)關(guān).然而,能耗最大(約占系統(tǒng)總能耗的50%)的冷水機(jī)組受冷卻水供水溫度影響,Δtca決定冷卻水供水溫度.只有Δtca盡量小,即冷卻水供水溫度最低,才能保證冷水機(jī)組功耗最小.同時(shí)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),冷卻塔能耗相對(duì)較低(小于系統(tǒng)總能耗的3%),所以小的溫差Δtca可以有效降低系統(tǒng)的總能耗.由于溫差Δtca=3,℃一般是冷卻塔的冷卻極限,且環(huán)境因素的不確定性使冷卻塔變頻變風(fēng)量的可控性較差,所以不對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻操作,即在額定功率運(yùn)行.冷卻塔風(fēng)機(jī)不變頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際溫差Δtca一般是大于3,℃的不確定值.4.3優(yōu)化方案hsop的比較由圖4可知,夏季典型日優(yōu)化方案和普通方案的最大HSCOP分別為2.72和2.45,最小值分別為2.32和2.18;優(yōu)化方案HSCOP相對(duì)于普通方案平均提高了10.9%;優(yōu)化方案節(jié)能量為270,kW·h,