CN105571073A - 一种地铁站空调水系统变频控制节能方法 - Google Patents

Abstract

一种地铁站空调水系统变频控制节能方法，属于暖通空调领域，一种地铁站空调水系统变频控制节能方法，其特征在于对地铁站空调系统的水泵运行模式进行变频控制的修改，应用Trnsys软件搭建地铁站通风空调系统并对系统进行能耗模拟仿真，将节能控制方法在仿真平台进行实现，通过对比地铁现行运行状况，分析所采取的控制方法的节能效果。本发明的主要研究对象为空调水系统的冷冻水系统，控制对象为可以变频的冷冻水泵。本发明对地铁站空调水系统冷冻水泵定频运行方式进行修改，应用Trnsys软件搭建水系统变频控制仿真模型，并模拟冷冻水泵能耗变化曲线，与工频运行水泵能耗作对比，分析节能效果并计算得到变频控制方法的节能效率。

Description

一种地铁站空调水系统变频控制节能方法

技术领域

本发明涉及到暖通空调领域，针对地铁站通风空调水系统存在能量浪费的问题，提出了一种水泵变频控制方法。具体是利用Trnsys软件对地铁站通风空调系统进行模型搭建以及能耗模拟仿真，通过节能控制算法对地铁站通风空调水系统进行改进，并分析节能效果。

背景技术

随着现代经济的不断发展和城市化趋势的改变，使得城市中车辆逐渐增多，人口迅速增长，因此也导致交通拥挤、环境污染等一系列问题，引起了世界各国的高度重视。地铁作为一种快速、高效的地下交通方式，能够有效改善地面交通状况，是解决城市道路交通阻塞和居民乘车困难最有效的途径，并且可以带来显著的社会效益和经济效益。

通风空调系统作为地铁车站的一个重要组成部分，其能耗约占地铁总能耗的30％～40％，主要原因是系统在最初设计时一般按照远期最大负荷预测设计并且留有一定的富裕量。然而，空调系统在日常运行时，长时间是在部分负荷情况下运行的，形成‘大马拉小车现象’，造成了能量的严重浪费。

地铁空调水系统运行方式为一次泵定频末端阀门变流量运行，系统仅仅依靠末端阀门开度控制水流量，而水泵始终在额定工况下运行，大量的能量浪费在阀门，使得水泵不节能。

变频技术作为一种有效的节能方式，在建筑空调系统中已经得到广泛采用，但我国已经建成的地铁空调水系统却很少应用。随着能源日益紧缺，地铁空调水系统采用新技术节能就显得尤为重要，如果可以把变频节能方法应用到地铁空调水系统中，将会大大减少系统的能耗，节省大量的资源。

发明内容

本发明针对地铁通风空调冷冻水系统存在的能源浪费问题，提出基于前馈-反馈变温差控制策略的一次泵变频调节方法，该方法通过改变水泵的运行状况，可以有效的节约空调系统能耗，并且节能效果显著。

一种地铁站空调水系统变频控制节能方法，其特征在于对地铁站空调系统的水泵运行模式进行变频控制的修改，应用Trnsys软件搭建地铁站通风空调系统并对系统进行能耗模拟仿真，将节能控制方法在仿真平台进行实现，通过对比地铁现行运行状况，分析所采取的控制方法的节能效果。

本发明的主要研究对象为空调水系统的冷冻水系统，控制对象为可以变频的冷冻水泵。

空调水系统的硬件系统示意图如说明书附图1所示。

系统主要包括冷水机组、冷冻水泵、负荷房间、温度传感器、PLC-200/235数据采集模块以及ABB变频器。首先将冷冻水泵与变频器相连接用以控制水泵转速。然后通过温度传感器采集冷冻水系统供回水温度，将采集到的模拟信号通过235数据采集模块传递给上位机。接着上位机通过计算将控制信号传递给PLC-200并通过变频器控制水泵的转速。

节能控制方法的具体控制流程图如说明书附图2所示。

具体的控制流程如下：

第一步，根据历史数据的总负荷变化趋势通过运算器由回水温度计算公式来计算冷冻水的回水温度，并将计算得到的回水温度的设定值传递给温度控制器，即PID控制器。

第二步，温度传感器采集冷冻水干管回水温度，并将采集到的数据传递给温度控制器，作为控制器的反馈信号。

第三步，通过给房间室内添加温度传感器，来采集室内温度并传递给温度控制器，作为控制器的前馈反馈信号，其目的是保证在变频调节过程中，室内温度可以保持在规定范围内。

第四步，控制器将采集到的实时回水温度与计算得到的设定值，并进行比较。如果检测到的实际值小于设定值时，则变频器控制水泵减低转速，调节冷冻水减少流量，从而提升冷冻水的回水温度，直到实际回水温度与设定值相等；如果检测到的实际值大于设定值时，则变频器控制水泵增加转速，调节冷冻水增大流量，从而降低冷冻水的回水温度，直到实际回水温度与设定值相等。具体的误差控制在设定值的±0.5℃左右。

PID闭环反馈温差控制框图如说明书附图3所示。

首先给定PID控制器的设定值，即回水温度的设定值T_r，set，其值由回水温度的设定值计算公式得到。通过温度传感器采集回水温度的实际值T_r，其值作为PID控制器的反馈信号，这些信号均属于模拟信号。

将温度信号传递给通过PID控制器时，将信号变为频率信号，范围在20Hz-50Hz，运算器通过对比实际值与设定值，从而给变频器控制信号来控制水泵转速。

在改变水泵转速后，冷冻水流量会发生相应变化，此时温度传感器采集回水温度，再次传递给控制器，将实际值与设定值对比，直到实际值达到设定值的规定范围内。如此反复循环，运行周期为1h。结束后进入下一运行周期。

在运行期间，通过温度传感器采集房间室内温度，作为前馈控制信号传递给控制器，如果房间温度不在规定范围内，则提前给控制器控制信号来控制水泵转速。在实际运行过程中发现，通常情况下，由于温度变化的滞后性以及水泵流量变化不会特别剧烈的原因，室内温度变化不会超出规定范围。

本发明的技术方案为：一种地铁站空调水系统变频控制节能方法，方法包括如下具体步骤：

(1)根据地铁站设计图纸以及实际参数搭建地铁站通风空调系统的仿真模型，主要包括三部分：地铁站的建筑仿真模型参数设计，包括地铁站站台层的尺寸大小、站内散热量；地铁站通风系统的仿真模型，包括风机参数设计、新风回风风量设计、室外温湿度设计；地铁站空调系统的仿真模型，包括表冷器、冷冻水泵、冷却水泵、冷水机组、冷却塔参数设计；在地铁站空调水系统仿真模型内为干管回水管道添加回水温度传感器，采集回水温度作为空调水系统反馈参数，在地铁站建筑模型内添加室内温度度传感器，采集室内温湿度作为舒适度评判标准的前馈参数；

(2)搭建地铁站通风空调系统，在TRNBuild软件中搭建地铁站仿真模型并导入SimulationStudio中；在SimulationStudio软件中分别搭建通风系统与空调系统，通风系统作为中间端与地铁站模型以及空调系统相连接；

(3)根据地铁站通风空调系统仿真模型参数，为地铁站空调水系统添加PID控制器。PID控制器输入参数中的反馈参数由空调水系统干管温度采集器提供，设定值的参数根据变频节能控制方法计算得出，地铁站站内温度作为前馈参数添加到控制系统中，PID的输出控制参数为冷冻水水泵的转速，控制冷冻水系统的流量；

(4)运行Trnsys软件，载入设计好的地铁站建筑模型并通过PID控制器控制空调冷冻水泵的转速，运行时长选择7月份和8月份(4344h-5088h)两个典型空调季节进行仿真实验，为仿真模型添加能耗检测与数据采集模块，分析评判水系统变频运行的节能效果；

(5)采集空调冷冻水系统的干管回水温度作为反馈参数输出给PID温度控制器，经运算器计算相应回水温度的设定值，与反馈得到的实际回水温度的检测值进行对比，如若设定值不等于检测值，则变频器改变频率，控制水泵转速从而控制冷冻水的水流量。模拟仿真的步长选择1h，变频器的变频范围要求在满足水泵流量正常运行的范围内；

(6)以模拟仿真步长为周期，通过温度传感器采集站内温湿度，作为前馈扰动信号，输入到变频控制系统中，当站内温湿度不满足设计规范的要求时，对前馈控制器的参数进行调整，提前调整冷冻水流量，直到站内温湿度满足设计标准为止；

(7)最后待系统运行稳定后，采集冷冻水泵能耗数据与检测曲线，分析变频控制方法的节能效果。

采用上述方案对地铁站通风空调系统进行模拟仿真，不仅能准确地模拟地铁站通风空调水系统实际运行情况，而且能够方便准确地得到地铁站站内温湿度的变化情况以及通风空调系统各设备的能耗情况。通过对空调水泵采取添加变频控制的方式，来改变空调水系统的运行状况。使用本方法对地铁站通风空调水系统运行模式进行修改，可以有效的改善地铁站水泵能源浪费的问题。

本发明针对地铁站通风空调系统分阶段定频运行存在的缺陷，在定温差控制的基础上，提出基于前馈-反馈变温差控制策略的一次泵变频调节方法。在以站内温湿度变化情况作为舒适度标准的前提下，对控制方法进行节能效果的评判与分析。

附图说明

图1是空调水系统的硬件系统示意图；

图2是节能控制方法的具体控制流程图；

图3是PID闭环反馈温差控制框图；

图4是通风空调系统仿真示意图；

图5是车站冷负荷变化曲线；

图6是室内温度分布变化曲线；

图7是冷冻水流量分布变化曲线；

图8是冷冻水功率分布变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及特点更加清楚明晰，以下示例将结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。所描述的示例只是本发明的一个应用，并不代表全部。

本发明在实施过程中，是采用Trnsys软件来对地铁通风空调系统进行模拟仿真，将节能控制方法在仿真平台上予以实现，并通过能耗仿真结果来分析评判所采用的节能控制方法的有效性。使用本方法来对地铁通风空调水系统的运行模式进行改善，可以有效的节约空调水系统的能耗。

通风空调系统结构示意图如说明书附图4所示。其中冷却塔、冷却水泵以及冷水机组组成冷却水循环系统；冷水机组、冷冻水泵、分集水器组成冷冻水循环系统；空气处理机以及风机盘管分别对应着地铁内的通风系统中的大系统以及小系统。

(1)根据地铁设计图纸以及实际参数设计地铁站通风空调系统仿真模型的基本参数。以下所给出的参数均为额定参数，是设备的基本参数。其中，地铁站的建筑仿真模型的设计在TRNBuild软件中进行，对地铁车站进行的设计，包括墙体组成与厚度、地面组成、室内窗体等基本建筑参数，以及房间内基本参数，包括有densityofair＝1.204kg/m³，specificheatofair＝1.012kJ/kg·K，pressureofair＝101325Pa，constantheatedfloor＝7.2kJ/m²，constantchilledfloor＝3.888kJ/m²等参数；地铁站通风系统中，新风机参数主要有ratedflowrate＝10000kg/hr，ratedpower＝4500kJ/hr，回风机参数主要有ratedflowrate＝1200kg/hr，ratedpower＝1000kJ/hr，室外温湿度通过Type109模型来给出；地铁站空调系统中，表冷器参数主要有liquidspecificheat＝4.190kJ/kg·K，冷冻水泵参数主要有ratedflowrate＝10000kg/hr，ratedpower＝8000kJ/hr，liquidspecificheat＝4.190kJ/kg·K，冷却水泵参数主要有ratedflowrate＝8000kg/hr，ratedpower＝3600kJ/hr，liquidspecificheat＝4.190kJ/kg·K，冷水机组参数主要有：ratedcapacity＝200kW，CHWfluidspecificheat＝4.190kJ/kg·K，CWfluidspecificheat＝4.190kJ/kg·K，冷却塔参数主要有Designinletfluidtemperature＝32℃，Designoutletfluidtemperature＝29℃，Designfluidflowrate＝10000kJ/hr，Designairflowrate＝18000kJ/hr，Ratedfanpower＝2.5kW；需要说明的是，以上各设备除了额定参数以外，还都包括输入以及输出参数，这些参数在系统运行过程中是不断变化的。在搭建系统模型时，这些输入输出变量之间的连线也是连接各个设备的桥梁，连线的箭头所指为能量的转移方向。

(2)搭建地铁通风空调系统，在TRNBuild软件中搭建地铁站仿真模型并导入SimulationStudio中，并以building模型代替。各个设备连接均为同样参数相连，且随着箭头指向分为outlet到inlet，输出到输入参数一一对应。室外与通风系统的联系主要包括ambienttemperature、relativehumidity、atmosphericpressure等，通风系统与空调系统的联系主要通过表冷器完成，新风机与表冷器连接参数包括outletairtemperature、outletair％RH、outletflowrate；冷冻水循环系统中，表冷器与冷冻水泵连接、冷冻水泵与冷水机组连接主要包括fluidoutlettemperature、outletfluidflowrate，冷水机组与表冷器连接参数主要包括chilledwatertemperature、chilledwaterflowrate；冷却水循环系统中，冷水机组与冷却塔连接参数主要包括coolingwatertemperature、coolingwaterflowrate，冷却塔与冷却水泵连接、冷却水泵与冷水机组连接参数主要包括fluidoutlettemperature、outletfluidflowrate等。

(3)根据地铁站通风空调系统仿真模型参数，为地铁站空调水系统添加PID控制器。通过回水温度的设定值的计算公式，将计算得到的数值输入到Coolingload模型中，并加入仿真系统模型中，作为PID控制器的Setpoint值。将室内温度连接到PID控制器，作为PID控制器的Controlledvariable值。PID控制器的输出为水泵的转速，控制水泵的流量，即Fluidflowrate。

(4)运行Trnsys软件，运行时长选择7月份和8月份(4344h-5088h)，将冷水机组的Chilledwatertemperature、冷冻水泵的Outletfluidtemperature、车站站内温度以及室外的Ambienttemperature输入到温度在线显示模块，将冷水机组、冷冻水泵的Powerconsumption输入到Energyconsumption在线显示模块中。将冷水机组的Chilledwaterflowrate、冷冻水泵的Outletfluidtemperature参数输入到流量在线显示模块中，通过在线仿真模拟，分析评判水系统变频运行的节能效果。

(5)系统选择根据总负荷变化趋势确定回水温度，由反馈得到实际回水温度，进行比较得到差值，经由前馈供水温度，判断设定值与检测值的差值，如若设定值不等于检测值，则变频器改变频率，控制水泵转速从而控制冷冻水的水流量。

根据负荷变化曲线，描述负荷与时间变化关系，车站冷负荷变化曲线如说明书附图5所示，将负荷变化分为9个阶段，分别为：5:00～7:30、7:30～11:00、11:00～14:00、14:00～16:00、16:00～16:30、16:30～18:00、18:00～19:00、19:00～20:00、20:00～23:00，每个阶段对应一条相似直线，拟合数据得到冷负荷与时间变化关系表达式如下所示：

Q′＝at+b

在变工况下，空调末端冷量计算公式如下所示：

$\frac{Q^{\′}}{Q_0}=\left(\frac{t_w^{\′}-t_s^{\′}}{t_w-t_s}\right)\·{\left(\frac{W^{\′}}{W}\right)}^n\·e^{\[m(t_w^{\′}-t_w)\]+\[p(t_s^{\′}-t_s)\]}$

式中：Q′为实际工况下的冷量，Kw；Q₀为额定工况下的冷量，Kw；t′_w为实际工况的进风温度，℃；t_w为额定工况的进风温度，℃；t_s′为实际工况的供水温度，℃；t_s为额定工况的供水温度，℃；W′为实际工况下的冷水流量，m³/h；W为额定工况下的冷水流量，m³/h；n、m、p为均为常数。

空调冷冻水循环侧计算公式如下所示：

Q′＝C·W′·(t_r′-t_s′)

$\frac{Q^{\′}}{Q_0}=\left(\frac{t_r^{\′}-t_s^{\′}}{t_r-t_s}\right)\·\left(\frac{W^{\′}}{W}\right)$

式中：t_r′为实际工况的回水温度，℃；t_r为额定工况的进风温度，℃；其他含义同上。

本方法设定冷冻水的供水温度保持不变，即t_s′＝t_s＝7℃，则冷冻水回水温度设定值的计算公式如下所示：

$t_r^{\′}=t_s^{\′}+(t_r-t_s)\·{\[{\left(\frac{Q^{\′}}{Q_o}\right)}^{n-1}.\left(\frac{t_w^{\′}-t_s^{\′}}{t_w-t_s}\right)\·e^{\left(m\right(t_w^{\′}-t_w\left)\right)}\]}^{\frac{1}{n}}$

计算得到的t_r′作为冷冻水系统回水温度的设定值，即T_r,set。

(6)通过温度传感器采集站内温湿度，作为前馈扰动信号，输入到变频控制系统中。在仿真模型中为水系统添加前馈控制，并为前馈控制的PID控制器添加设定值设定模块，即ChilledwaterSetpoint，控制器的输出模块为水泵流量的Controlsignal。当站内温湿度不满足设计规范的要求时，对前馈控制器的参数进行调整，提前调整冷冻水流量，直到站内温湿度满足设计标准为止。

(7)最后待系统运行稳定后，采集冷冻水泵能耗数据与检测曲线，分析变频控制方法的节能效果。不加控制(模式一)与添加控制(模式二)的室内温湿度对比曲线图如说明书附图6所示，由图6可以看出，在两种不同的运行模式下，均可以使室内温度维持在25℃左右，保证了室内舒适性的需求。其中，变化起伏较大的曲线为模式一下的运行曲线，变化相对稳定的去向为在模式2下的运行曲线。冷冻水系统水泵的流量以及功率变化情况如说明书附图7、8所示。经计算，7月1日至8月31日期间，在定频运行模式下，冷冻水泵消耗的总电量为40146kwh，添加了变频控制的冷冻水泵消耗的总电量为23212kwh，相比较定频运行模式，所采用的变频变流量控制方法节约了42.2％的电源，节能效果明显。

本发明的一种地铁站空调水系统变频控制节能方法不局限于上述示例所属的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种地铁站空调水系统变频控制节能方法，其特征在于：本方法对地铁站空调系统的水泵运行模式进行变频控制的修改，应用Trnsys软件搭建地铁站通风空调系统并对系统进行能耗模拟仿真，将节能控制方法在仿真平台进行实现，通过对比地铁现行运行状况，分析所采取的控制方法的节能效果；

本方法的主要研究对象为空调水系统的冷冻水系统，控制对象为可以变频的冷冻水泵；

空调水系统的硬件系统主要包括冷水机组、冷冻水泵、负荷房间、温度传感器、PLC-200/235数据采集模块以及ABB变频器；首先将冷冻水泵与变频器相连接用以控制水泵转速；然后通过温度传感器采集冷冻水系统供回水温度，将采集到的模拟信号通过235数据采集模块传递给上位机；接着上位机通过计算将控制信号传递给PLC-200并通过变频器控制水泵的转速；

节能控制方法的具体控制流程如下，

第一步，根据历史数据的总负荷变化趋势通过运算器由回水温度计算公式来计算冷冻水的回水温度，并将计算得到的回水温度的设定值传递给温度控制器，即PID控制器；

第二步，温度传感器采集冷冻水干管回水温度，并将采集到的数据传递给温度控制器，作为控制器的反馈信号；

第三步，通过给房间室内添加温度传感器，来采集室内温度并传递给温度控制器，作为控制器的前馈反馈信号，其目的是保证在变频调节过程中，室内温度能够保持在规定范围内；

第四步，控制器将采集到的实时回水温度与计算得到的设定值，并进行比较；如果检测到的实际值小于设定值时，则变频器控制水泵减低转速，调节冷冻水减少流量，从而提升冷冻水的回水温度，直到实际回水温度与设定值相等；如果检测到的实际值大于设定值时，则变频器控制水泵增加转速，调节冷冻水增大流量，从而降低冷冻水的回水温度，直到实际回水温度与设定值相等；具体的误差控制在设定值的±0.5℃左右。

2.根据权利要求1所述的一种地铁站空调水系统变频控制节能方法，其特征在于：PID闭环反馈温差控制过程如下，

首先给定PID控制器的设定值，即回水温度的设定值T_r，set，其值由回水温度的设定值计算公式得到；通过温度传感器采集回水温度的实际值T_r，其值作为PID控制器的反馈信号，这些信号均属于模拟信号；

将温度信号传递给通过PID控制器时，将信号变为频率信号，范围在20Hz-50Hz，运算器通过对比实际值与设定值，从而给变频器控制信号来控制水泵转速；

在改变水泵转速后，冷冻水流量会发生相应变化，此时温度传感器采集回水温度，再次传递给控制器，将实际值与设定值对比，直到实际值达到设定值的规定范围内；如此反复循环，运行周期为1h；结束后进入下一运行周期；

在运行期间，通过温度传感器采集房间室内温度，作为前馈控制信号传递给控制器，如果房间温度不在规定范围内，则提前给控制器控制信号来控制水泵转速；在实际运行过程中发现，通常情况下，由于温度变化的滞后性以及水泵流量变化不会特别剧烈的原因，室内温度变化不会超出规定范围。

3.根据权利要求1所述的一种地铁站空调水系统变频控制节能方法，其特征在于：该方法包括如下具体步骤，

(1)根据地铁站设计图纸以及实际参数搭建地铁站通风空调系统的仿真模型，主要包括三部分：地铁站的建筑仿真模型参数设计，包括地铁站站台层的尺寸大小、站内散热量；地铁站通风系统的仿真模型，包括风机参数设计、新风回风风量设计、室外温湿度设计；地铁站空调系统的仿真模型，包括表冷器、冷冻水泵、冷却水泵、冷水机组、冷却塔参数设计；在地铁站空调水系统仿真模型内为干管回水管道添加回水温度传感器，采集回水温度作为空调水系统反馈参数，在地铁站建筑模型内添加室内温度度传感器，采集室内温湿度作为舒适度评判标准的前馈参数；

(2)搭建地铁站通风空调系统，在TRNBuild软件中搭建地铁站仿真模型并导入SimulationStudio中；在SimulationStudio软件中分别搭建通风系统与空调系统，通风系统作为中间端与地铁站模型以及空调系统相连接；

(3)根据地铁站通风空调系统仿真模型参数，为地铁站空调水系统添加PID控制器；PID控制器输入参数中的反馈参数由空调水系统干管温度采集器提供，设定值的参数根据变频节能控制方法计算得出，地铁站站内温度作为前馈参数添加到控制系统中，PID的输出控制参数为冷冻水水泵的转速，控制冷冻水系统的流量；

(4)运行Trnsys软件，载入设计好的地铁站建筑模型并通过PID控制器控制空调冷冻水泵的转速，运行时长选择7月份和8月份两个典型空调季节进行仿真实验，为仿真模型添加能耗检测与数据采集模块，分析评判水系统变频运行的节能效果；

(5)采集空调冷冻水系统的干管回水温度作为反馈参数输出给PID温度控制器，经运算器计算相应回水温度的设定值，与反馈得到的实际回水温度的检测值进行对比，如若设定值不等于检测值，则变频器改变频率，控制水泵转速从而控制冷冻水的水流量；模拟仿真的步长选择1h，变频器的变频范围要求在满足水泵流量正常运行的范围内；

(6)以模拟仿真步长为周期，通过温度传感器采集站内温湿度，作为前馈扰动信号，输入到变频控制系统中，当站内温湿度不满足设计规范的要求时，对前馈控制器的参数进行调整，提前调整冷冻水流量，直到站内温湿度满足设计标准为止；

(7)最后待系统运行稳定后，采集冷冻水泵能耗数据与检测曲线，分析变频控制方法的节能效果。