地铁通风空调系统智能化控制与能研究报告.doc

地铁通风空调系统智能化控制与节能研究天津大学环境科学与工程学院 由世俊 张磊 袁凤东摘要地铁通风空调系统的设备选择通常都是按照地铁运行远期最大负荷时选择的，在设备实际运行过程中，负荷往往达不到最大负荷，甚至会小很多。本文提出采用智能化控制地铁通风空调系统设备运行的观点，根据负荷的变化，实时控制系统设备的运行，节约运行费用，降低系统能耗；分析风机的变频节能原理，根据地铁通风空调系统的运行控制方案，探讨风机变频运行的节能潜力，并将分时段控制的节能效果与实时控制的节能效果进行对比。关键词地铁通风空调系统 智能化控制 风机 变频节能0 引言在地铁系统的日常运行中，环控系统能耗占到地铁系统能耗的40以上。降低地铁环控系统的能耗，可以节约能源，降低运行成本。在地铁通风空调系统设计中，设备的选择一般都是按照最不利因素下输入来改变对风机的输出，从而控制风机的转速，改变地铁通风空调系统的风量。整个控制过程包括站台和站厅温、湿度的测量；CO2浓度的检测，自动售票机获得瞬间客流量，控制算法的选择，数据的处理，以及控制的输出。 1.1 测量参数和测点布置要求所测量的参数主要有：新风干球温度和湿球温度；送风干球温度和送风量；回风干球温度和湿球温度和回风量；车站公共区干球温度和湿球温度；站台的CO2浓度值；自动售票机监测的客流密度。根据车站公共区空调通风系统设计，其测点布置要求如下：风量测量断面选择在气流均匀而稳定的直管段上，并远离形成涡流的局部构件(三通、风阀、弯头和风口等部位。新风干球温度、湿球温度测点布置在新风亭入口的百叶箱内，以确保测量参数为室外新风参数。送风干球温度和风量测点布置在送风干管上按气流方向局部构件后4L(L为矩形管道的大边尺寸、局部构件前1.5L处，并尽可能靠近送风机出风口端。回风干球温度、湿球温度和回风风量测点布置在回/排风干管上，按气流方向局部构件后4L(L为矩形管道的大边尺寸、局部构件前1.5L处，并设在回/排风机之前部位，且尽可能靠近回/排风机端。站厅、站台公共区空气参数测点设在站厅、站台两端柱子离地2M高度处。1.2 控制逻辑变风量的控制方法随季节的不同而有所变化，因此，我们把一年时间分为几个部分，夏季酷热期(傍晚高峰时刻室外空气焓值大于地下车站空气焓值的时间、冬季严寒期(室外温度在5以下以及除这两个期间的其它时间(主要是春秋季节，以下简称春秋季节。一般而言，在春秋季节的地下站台的温度比较好控制，因为室外温度不高(一般在529之间，此时新风对站台环境有很好的冷却作用，同时，室外温度也不是很低，不用考虑站台温度会低至5的情况。此时，过渡季地铁通风空调系统变风量控制方案需满足以下三个条件：即满足人员最小新风量、满足站台最小换气次数要求(不小于5次和保证地铁站台内温度不超过30。因为站台人员(主要是乘客的数量是随时间而变化的，这样我们可以得到一个逐时的风量，在实际应用中，由于现在地铁系统都普遍采用自动售检票系统，可以通过这个售检票系统而获得真实的逐时人员流量及站台人员密度，相应可以得到逐时的风机通风量，这个计算风量的基础是满足客流量的最小新风量。这样，我们可以得到在春秋季节的变风量控制方案。夏季酷热期和冬季严寒期的新风控制方法则相对比较复杂，即在满足人员新风量要求的情况下，还必须保证地铁车站的环境温度没有超过设计允许的标准，即夏季地铁车站的温度必须小于等于30，在冬季地铁车站的温度不能小于5；为满足这一点，分别地，在夏季酷热期，就必须保证在地铁晚高峰时期的站台温度小于等于30，这是因为尽管早高峰的客流量比晚高峰客流量要大(早8点的客流系数是1，晚6点的客流系数是0.8，但相对来说，在早高峰时(早8点，室外气温还不是很高，其焓值还是低于站台空气的焓值，此时的通风还是起一个抵消站台热负荷的作用；而在傍晚高峰期时(傍晚6点，这时的室外气温比较高，焓值已经超过了站台空气的焓值，通风成为热负荷，因此晚高峰是最不利的时刻。另外，在冬季严寒期，必须保证早高峰时期的站台温度大于5，原因是早高峰时的室外气温较晚高峰的要低。在夏季最不利条件下拟采取的控制方案为：通过查天津市标准年气象资料，可以得到逐时的室外温湿度，并求得相应的焓值与地铁下站台环境允许的最大焓值相比较，在低于这个最大焓值时(例如早6点-9点时，还是按每人30m3/h新风量的标准进行通风，在室外气温逐渐升高，焓值也增加到接近这个最大焓值时，就开始考虑减少送风量，原则为先保证室内室气品质，保证每人30m3/h的新风量，同时关闭活塞风井，打开中墙的回流风口，(因为关闭了活塞风井后，不可避免地活塞风的走向将是站台的出入口，所以同时打开回流风口可以减少活塞风对站台的不利影响。一般的室外空气焓值高于允许值的时刻在早11点到晚7点之间，当然最不利的时候也会有从早10点到晚10点左右，这个问题在实际应用中我们增加室外温度和湿度的测头可以直接测出温湿度并换算成焓值，并以这个真实值与允许的室内空气焓值进行比较，在这个阶段，新风量严格按每人30m3/h送入，并将新风与一部分回风相混合后再送入站台，这样作的目的是为了在保证室内空气品质在规范要求以内的基础上，提高乘客的舒适度。确定站厅和站台的设计参数需引用“暂时舒适”的概念，在站台内气温比较高的情况下，适当地提高一点送风风速，对于在站台停留时间很短的乘客来说，也会有一个比较凉爽的感觉。在这段期间，地铁运行和站台人员设备等的发热绝大部分是通过地下围护结构的传热给抵消的，而不是通过通风而排到室外，因此，必须加强夜间的冷却通风强度和增加冷却通风的时间，以再生地下围护结构的传热能力。在冬季最不利条件下拟采取的控制方案为：通过查天津市标准年气象资料，可以得到逐时的室外温湿度，并求得相应的焓值与地铁下站台环境允许的最小焓值相比较，在低于这个最小焓值时(例如早6点-9点时，还是按每人30m3/h新风量的标准进行通风，在室外气温逐渐升高，焓值也增加到高于这个最小焓值时，就开始考虑增加送风量，原则为先保证室内室气品质，保证每人30m3/h的新风量，同时关闭活塞风井，打开中墙的回流风口，减少活塞风对地铁站台的影响。1.3 控制器的硬件构成地铁通风空调系统的测点分散，地下空间大，为了能够及时、准确的对地铁站台的温度、湿度、CO2浓度进行控制，就需要对各个测点的测量值的变化进行及时的测量和反应，从而使控制器能够针对现场的情况进行及时准确的判断，实时给变频器发送信号，从而控制风机的转速，改变站台内的风量，实时控制站台站厅内的环境满足设计要求，同时最大限度的节约风机能耗。控制系统主要由远端热电阻采集模块、386控制器主板和远端模拟量输出模块1等组成。2 风机变频节能分析地铁专用轴流风机是一种可变频调速的设备。以前的风机调节主要是靠阀门来调节风机的风量，通过改变系统的阻力来达到调节风量的目的，但是这种调节方式从节能的角度来讲是非常浪费的，因为它无形中增加了一部分功。对于小型的风机还是经常采用这种方式，但是，对于大功率的风机可以采用改变风机的性能曲线来调节风机的风量。而改变性能曲线也有好几种方式：改变风机的转速，进口导流器调节，改变叶片的宽度，动叶可调等方式。目前较流行的调节方式是改变风机的转速调节，因为其他三种方式在调节上对机械部件的要求比较高，而改变转速只改变电机的输入电流电压就可以达到调节的目的2。2.1 风机变频节能原理风机采用转速调节改变风量、流量，可以节电；而采用节流调节(控制挡板和阀门的开度则浪费电3。风量与转速成正比， (2-1风压与转速的平方成正比， (2-2电动机的轴功率与与的积成正比，即与转速的三次方成正比 (2-3式中，、为常数。轴功率还可表示为 (2-4式中： 风机效率(包括风机与传动装置风量m3/s风压Pa 转速rpm显然，采用转速调节时，当要求风量由1降低到1/2时，只需转速由1降低到1/2即可。而轴功率则由1减少为(1/23=1/8，也就是节约了7/8的电功率，效果非常显著4。如果采用传统的节流调节，则转速保持不变而使挡板或者阀门的开度减小，管网阻力增加，此时当由1减为1/2时，风压变化不大，多数略有上升。由式(2-4知减少不明显，同风量的减少不成比例。此时功率中的大部分用来克服管道的通风阻力而白白浪费了5。2.2 风机运行工况分析地铁空调通风系统的控制过程一般分为以下几个阶段：(1根据室外的温湿度确定空调通风大系统的当前运行模式 车站公共区空调根据室外气象条件分为以下3种模式6：工况-最小新风量空调运行模式当室外空气焓值大于回风焓值时，采用最小新风量空调运行模式。启动制冷空调系统，部分回/排风排出地面，部分与室外新风相混合，经过冷却处理后送至车站公共区。关闭全新风风阀，同时开启回风风阀、排风风阀及回/排风机，实现最小新风量空调。当车站公共区负荷发生变化时，相应控制送风机，回/排风机之转速，使之与变化的负荷相匹配。但最小新风量保持不变。工况-全新风空调运行模式当室外空气焓值小于或等于回风焓值，大于空调送风焓值时，采用全新风空调运行模式。启动制冷空调系统，外界空气经过冷却处理后送至车站公共区，排风则全部排出地面。开启全新风风阀，关闭回/排风机和回风阀、排风阀,实现全新风运行模式。当室内负荷发生变化时，相应控制送风机转速，使之与变化的负荷相匹配。工况-通风运行模式当室外空气焓值小于或等于空调送风焓值时，空调制冷机停止运作，采用机械通风和自然通风排热。外界空气不经冷却处理直接送至车站公共区，排风则全部排除地面。开启全新风机、回/排风机及其联动风阀，实现通风运作模式。(2根据地下站内测到的温湿度数据，通过变频器调节送风机和回/排风机的转速。最小新风量空调期间：布置在回风干管上的测点测量空调回风温度，若偏离设计点(约29，则应向送风机的变频调节器发送信息，调节送风机转速，从而控制车站公共区温度。布置在各自送风干管上的测点测量送风量，分别累计总的空调送风量，发送信息给回/排风机变频调节器，使其风量与送风量相匹配。全新风空调期间和通风期间：布置在车站公共区的测点测量公共区温度。若偏离设计点(约29，则向送风机的变频调节器发送信息，调节送风机转速，从而控制车站公共区温度。对夏季典型日的空调通风工况进行分析，本课题中夏季典型日取1991年7月25日，因为晚6点的温度为32.5，相对湿度为62%，接近于天津市夏季空调室外计算参数。(见表2-1表2-1 夏季典型日气象参数时间123456789101112温度）24.724.524.124.12424.224.925.326.728.43031.2相对湿度）919194959696929085787267时间131415161718192021222324温度）3232.733.333.733.432.531.230.129.328.728.227.4相对湿度）625855555762687478808185由逐时负荷的计算可得到天津下瓦房站远期夏季负荷变化曲线图如图2-1所示。图2-1天津下瓦房站远期夏季负荷变化曲线图由天津下瓦房站远期夏季负荷变化曲线图可以看出，一天之内有两个负荷高峰期，即早8点和晚6点。10：00-16：00之间，负荷变化比较平缓。以早8点负荷为基准，则10：00-16：00之间站台负荷约为早8点负荷的0.85倍。根据以上分析，确定一天之中风机运转方式如下：5：00-6：00 在列车发车之前，进行一小时的通风换气，充分利用隧道冷风来冷却车站公共区，此时风机满负荷运转。6：00-23：00 在客流早、晚高峰期以及其它时间，风机变频运转。23：00-24：00 停车之后，进行一小时的通风换气，充分利用夜间冷风来冷却隧道和车站公共区，此时风机满负荷运转。2.3 节能效果分析按照时间段来控制系统运行的的风机变频运行曲线如图2-2所示，其节能分析如下。图2-2 风机运行曲线由图2-2可以看出，一天之内，风机通过变频可以减少7%左右的风量。根据风机风量与转速的一次方成正比，而所耗功率与转速的三次方成正比的原理可知，在风量减少7%的情况下，相应的电机转速应降低7%，风机功率为原来的:44-464欧阳建中，邓永清，汪微胜等。变频调速技术在罗茨鼓风机上的应用。流体机械，1999(5：32-345杨国，变频节能技术在风机控制中的应用。自动化仪表，2003，24(1：58-606地下铁道设计规范，GB50157-92，中华人民共和国国家标准，中国计划出版社，1993.1作者简介：由世俊,男,1955年生人 天津大学教授 通讯地址：天津大学环境学院 邮编：300072 电话：[phone] E-mail：yousj