地铁变风量空调风系统控制方法研究

刘俊 刘健 车轮飞

中铁第四勘察设计院集团有限公司

地铁变风量空调风系统控制方法研究

刘俊 刘健 车轮飞

中铁第四勘察设计院集团有限公司

对地铁站变风量空调风系统提出三种控制方法，即送回风温度控制法、优先控制水阀法和优先控制风机法。以武汉地铁2号线螃蟹甲站的空调系统作为模拟研究对象，建立了房间、风机、水阀、盘管和控制器等数学模型，以TRNSYS为仿真平台，搭建了地铁站变风量系统的模型，比较三种控制方法与定风量控制下系统在制冷季节的运行情况。模拟结果表明，送回风温度控制法能较好地控制室内温度，且在适当的出风温度设定值下，功耗能达到最小。在不考虑送风结露和考虑送风结露的情况下，节能率分别达到67.0%和55.9%。

地铁环控变风量系统控制方法能耗TRNSYS

0前言

地铁车站公共区的空调系统常采用定风量控制方法运行[1]。由于系统大部分时间运行在部分负荷工况下，定风量控制方法通过采用风阀节流势必造成较大的能源浪费。变风量系统作为一种通过改变送入房间的风量来适应房间负荷变化的全空气系统，具有良好的节能性[2]。

严格意义上的变风量系统由变风量空调机组和变风量末端两部分组成。变风量末端通常为变风量箱，该末端可以根据室内要求控制其送风量[3]。这种空调形式由于需要变风量末端，成本和技术要求较高。目前在国内应用并不是很广泛。

目前对于没有变风量末端的全空气系统也可以只通过改变空气处理机的风量来达到变风量的目的。这种系统也称为变风量系统，其弊端是末端的风口不能自行调节风量，因而室内的气流组织及室内的舒适度比不上带有变风量末端的空调系统，但是室内热舒适性也基本可以接受，因而这种系统在实际工程中应用也十分广泛[4]。

本文针对没有变风量末端的全空气系统，提出三种控制方法，通过模拟计算，将其能耗和运行效果与定风量控制进行比较分析。

1控制方法

1.1优先控制风机法

优先控制风机法控制流程图如图1所示。系统开始运行时，水阀全开，由室内温度决定送风机的送风量F，如式（1）所示：

式中：Fmin为风机运行最低频率，Hz；Fmax为工频，Hz；Tmax为室内允许最大温度，℃；Tmin为室内允许最低温度，℃；Tin为室内温度，℃。

图1优先控制风机法控制流程图

如Tin＞Tmax，则F=Fmax，如Tin＜Tmax，F=Fmin。当出现风机运行频率为Fmin且室内温度小于Tmin的情况时，系统继续运行一段时间（比如5分钟），如果还是温度小于Tmin，说明水阀开度大，使得送风温度太低。此时风机以最低频率运行，由PID控制器输出控制信号调节水阀开度，PID控制器的控制变量为室内温度。

当风机最低频率运行出现水阀开度为1且室内温度大于Tmax时，系统也是继续运行一段时间（比如5分钟），如果还是温度大于Tmax，说明风机送风量小，使得室内温度高于设定最大值，此时风机频率按式（1）运行，水阀开度为1，回到系统刚开始运行时控制方式。

1.2优先控制水阀法

优先控制水阀法控制流程图如图2所示。系统开始运行时，风机以最低频率运行，水阀开度由PID控制器控制，PID控制器控制变量为室内空气温度，当水阀开度为1，室内温度大于室内允许最高温度Tmax，时，系统继续运行一段时间（如5分钟），如果还是出现室内温度大于Tmax，的情况，则说明送风量少，此时水阀开度为1，风机运行频率由式（1）求得。

图2优先控制水阀法控制流程图

当出现风机频率以最低频率运行，室内温度小于室内运行最低温度Tmin的情况时，系统继续运行一段时间（比如5分钟），如果还是室内温度小于Tmin，则说明阀门开度大，使得送风温度低，此时风机频率以最低频率运行，阀门重新由PID控制。

1.3送回风温度控制法

送回风温度作为控制变量通过PID控制，系统在该控制方法下设置两个PID控制器。PID控制器1根据送风温度控制水阀的开度以维持送风温度在设定值，PID控制器2根据回风温度控制送风机转速，从而控制回风温度在设定值。标准PID算法如式（2）所示：

式中：Ti是积分周期；Ts是采样周期；Td是积分周期；Kp为比例增益。

由上式可得第k-1个采样时刻的输出值：

增量式PID可以避免算法饱和，输出值u(k)如式（4）所示：

根据上述公式，可以绘出增量式PID控制算法流程图，如图3所示。

图3增量式PID控制算法流程图

2变风量系统模拟建模

本文以武汉地铁2号线螃蟹甲站的空调系统作为研究对象。该站为地下两层标准岛式站台车站，新风机额定流量为6.3kg/s，设计功耗为8.3kW，风机全压250Pa；送风机额定流量为29.53kg/s，设计功耗为35kW，风机全压680Pa；回风机额定流量为23.6kg/s，设计功耗为28kW，风机全压680Pa。车站运行时间为每天5:00～23:00。

2.1模型简化

对于地铁站而言，地铁站的围护结构与外界换热主要包括轨底风道与站台层底板换热，轨顶风道与屏蔽门上竖墙换热，轨顶风道与站厅层底板换热以及屏蔽门与轨道之间换热；地铁站站厅与站台内空气主要是与站台层底板、屏蔽门上竖墙、站厅层底板、屏蔽门以及房间内部物体之间换热。在系统模型中，变风量系统可以看作一个由许多相互连接部件组成的回路。这些部件包括建筑、盘管、风机、水泵及传感器等[5]。

2.2建筑热湿平衡方程

图4是简化的热网模型示意图，站台层底板，屏蔽门上竖墙以及站厅层底板考虑为2R1C（即两个热阻一个热容）模型，房间内部物体为2R2C模型，屏蔽门的换热简化为Q＝KΔT，其中K为轨道与站台内空气的传热系数，ΔT为轨道与室内空气之间温差（设计值为12℃）。

建筑围护结构、室内空气和房间内部物体的热平衡方程如式（5）～式（8）所示，房间空气湿平衡和空气CO2浓度方程如式（9）～（10）所示：

式中：Mvav为送风量，kg/s；Minf为渗透风量，kg/s；Gvav为送风含湿量，kg/kg；Ginf为渗透风含湿量，kg/kg；Gin(t)为室内空气含湿量，kg/kg；Kd为屏蔽门与周围空气的传热系数；i=1，2，3，分别表示第i个围护结构；Mass为房间空气质量，kg；Goc为人员散湿量，kg/kg；CO2oc为人员呼吸产生CO2浓度，ppm。

通过上述方程可以得到任何一个时刻地铁站内房间空气的状态。

图4建筑模型热网示意图

2.3盘管模型

盘管模型是用来动态模拟盘管内流体换热的，它是在Lebrun提出的盘管数学模型基础上建立的[6]。盘管模型可以抽象为一个2R1C模型，利用能量守恒公式，可得式（11）：

式中：Cc为总热容，kJ/℃；Tc盘管内平均温度，℃；Tair,in盘管进风温度，℃；Tw,in盘管进水温度，℃；R1空气侧传热热阻，℃/kW；R2冷冻水侧传热热阻，℃/kW。

干工况时，总的传热热阻R由如下公式求出[7]：

式中：NTU为传热单元数；ε为效能；Cmin为空气侧热容Cair与冷冻水侧热容Cw的最小值，kJ/℃；Cmax为空气侧热容Cair与冷冻水侧热容Cw的最大值，kJ/℃；Ra，Rm，Rw分别为空气侧，盘管金属侧，冷冻水侧对流传热热阻，℃·m2/kW；A为换热面积，m2；Nrow为管排数，当Nrow大于2时，冷冻水与空气的流动形式是逆流；当Nrow小于或等于2时，流动形式是交叉流。

湿工况时，先假设一组气流，它的比热与饱和湿空气在温度为盘管进风湿球温度与盘管进水温度平均值时的比热相等。总的换热热阻R计算方法同干工况时一样：

其中下标f表示流体，wt表示湿工况。

求出总的换热热阻后，空气侧换热热阻R1及冷冻水侧换热热阻R2就可以通过公式求出：

式（11）～式（21）中，分别可以求出盘管内平均温度Tc，空气侧传热热阻R1，冷冻水侧传热热阻R2。盘管出口侧的冷冻水温度，空气温度则可以通过热平衡公式求得。

式中：Tair,out为空气侧出风温度，℃；Tw,out为盘管冷冻水出水温度，℃；SHR为显热比。

2.4风机及水泵模型

风机在给定频率下的输出流量和功耗公式如下：

式中：f和fdesign为风机的即时频率和工频运行频率（通常为50Hz）；M和Mdesign为风机的即时风量与设计风量，kg/s；P和Pdesign为风机的即时功耗与设计功耗，kW。

通过式（26）和式（27）分别计算风机传热给空气造成的冷损失功耗和风机的实际出风温度。

式中：η为风机效率；ξ为风机发热到空气中的系数；cair为空气比热，kJ/(kg·℃)。

水泵功率公式如下：

式中：g为重力加速度；H为水泵扬程。

2.5阀门模型

水流量随阀门开度变化的特性曲线如图5所示，特性曲线表明，当阀门开度（Pos）小于某一值（Posmin）时，水流量为最小流量（Qmin）；当阀门开度大于等于某一值（Posmax）时，水流量为最大流量（Qmax）；当阀门开度介于二者之间时，水流量由式（29）、式（30）求出：

图5水流量随阀门开度变化特性曲线

2.6执行器及传感器模型

假设执行器加速非常快，流程图如图6所示。执行器模型还能通过DC的符号(DC为负号，表明执行器反转，DC为0表明执行器不运行，DC为正号，表明执行器正转)统计执行器的启停次数。阀门的行程距离以及执行器的启停次数可以反映阀门运行时的稳定性。

图6执行器输出计算流程图

温度传感器模型采用时间常数法。时间常数是当给传感器阶跃输入时，输出达到变化稳定值的63.2%时间。根据传感器测量端热平衡方程[8]得出式（31）：

式中：y为测量变量的真实值；y'为传感器输出值；Tc为时间常数。

3 模拟分析

3.1模拟条件

根据上述建立的模型，以TRNSYS[9]作为仿真平台建立了地铁站空调系统，如图7所示。使用该平台分别模拟定风量控制、优先控制风机法、优先控制水阀法以及送回风温度控制法，以比较系统能耗和运行情况。采用定风量控制法时，室内温度设定值为29℃。采用优先控制风机法以及优先控制水阀法时，室内允许最高温度Tmax为30℃，室内允许最低温度Tmin为28℃，风机运行最大频率50Hz，变风量系统分别对风机运行最低频率为25Hz，30Hz，35Hz，40Hz，45Hz的情况进行模拟计算。采用送回风温度控制法时，变风量系统分别对出风温度设定值为13℃，14℃，15℃，

图7变风量系统模拟平台

3.2制冷季运行情况

制冷季从5月15日到10月15日，车站运行时间为5:00～23:00。结果如表1所示。

表1显示，定风量控制下能耗最大。采用送回风温度控制法时，随着出风温度设定值降低，风机功耗（送风机＋新风机＋回风机）逐渐下降而水泵功耗逐步上升，这是因为盘管的出风温度是通过水阀控制的，要使出风温度降低，水流量就得相应增大，因此水泵功耗会增大，水阀开度也就增大，水阀需要调整的次数及行程要少于出风温度设定值较高的情况。表1还显示，对于优先控制风机法与优先控制水阀法，在整个制冷季不同的运行情况大致相同。三种控制方法下总功耗最小的工况出现在送回风温度控制法控制出风温度为15℃的时候。

3.3不同控制方法综合比较

随着风机运行最低频率降低，送风量减少，为了维持室内温度，需降低送风温度，而送风温度过低会引起送风结露。为了综合比较送风结露对不同控制方法下系统运行情况的影响，当不考虑送风结露时，送回风温度控制下的出风温度为15℃，最低频率25Hz；优先控制风机法和优先控制水阀法的风机运行最低频率为30Hz。当考虑送风结露时，设置送回风温度控制下出风温度为18℃，最低频率25Hz；优先控制风机法和优先控制水阀法的风机运行最低频率为45Hz。不同控制策略下，综合统计表分别如表2、3所示。

表1变风量系统制冷季模拟结果表

表2不同控制方法综合比较（不考虑送风结露）

表3不同控制方法综合比较（考虑送风结露）

从上表可以看出，送回风温度控制法下，室内温度平均误差均小于优先控制风机法与优先控制水阀法，表明能更好地维持室内温度在设定值。三种控制方法下，在不考虑送风结露时全年能耗大致相当。当考虑送风结露时，三种控制方法的全年能耗均有所增加，但仍然低于定风量控制法，且两种工况下，送回风温度控制法最节能，节能率分别达到67.0%和55.9%。

4结论

本文以武汉地铁2号线螃蟹甲站作为研究对象，采用模拟方法对变风量空调系统不同控制方法的能耗进行了分析研究，得到以下结论：

（1）针对无变风量末端的变风量系统，本文提出了3种控制方法，即送回风温度控制法，优先控制水阀法以及优先控制风机法。建立了房间、风机、水阀、盘管和控制器等的数学模型，以TRNSYS为仿真平台，搭建了地铁站房变风量系统的模型，以比较3种控制方法与定风量控制下系统在制冷季节和全年的运行情况。

（2）模拟结果表明，优先控制水阀法与优先控制风机法效果基本一致，送回风温度控制法较前者能更好地控制室内温度，且在适当的出风温度设定值下，能耗能达到最小，在不考虑送风结露和考虑送风结露情况下，节能率分别达到67.0%和55.9%。

（3）对于地铁站的变风量系统，从维持室内温度与节能的角度出发，采用送回风温度控制法最为合适，在不考虑送风结露的条件下控制出风温度在15℃，考虑送风结露条件下应控制出风温度为18℃（建议风机运行最低频率为25Hz）。

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Study on Control Sc he m e s of VAV Sys te m in Subw a y

LIU Jun,LIU Jian,CHE Lun-fei
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

Three control schemes applied to Variable Air Volume(VAV)system without VAV boxes are proposed. They are supply-return air temperature control scheme,water valve priority control scheme and fan priority control scheme.Take the air conditioning system of Pangxiejia station of Wuhan metro line 2 as the simulation object.The mathematical models of room,fan,water valve,coil and controller were established.TRNSYS was used as the simulation platform to build up the model of VAV system of subway station.The operational conditions of three control schemes were compared with those of constant air volume.The simulation results show that supply-return air temperature control scheme does relatively well in maintaining indoor temperature,whose energy consumption attains minimum in condition of proper supply air temperature.The energy conservation ratio reaches 67.0%and 55.9%, respectively,when supply air condensation is neglected and considered.

subway environmental control,VAV system,control scheme,energy consumption,TRNSYS

1003-0344（2014）05-010-6

2013-8-14

刘俊（1982～），男，博士，高工；武汉市武昌区和平大道745号铁四院城地院暖通所（430063）；027-51156167；

E-mail:xqliujun@163.com