CN111322740B

CN111322740B - 一种基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法

Info

Publication number: CN111322740B
Application number: CN202010137341.9A
Authority: CN
Inventors: 朱祝龙; 贺维国; 田峰; 金若翃; 陈洋; 段悟哲; 陈宜汉; 张宇
Original assignee: China Railway Liuyuan Group Co Ltd; China Railway Tianjin Tunnel Engineering Survey and Design Co Ltd
Current assignee: China Railway Liuyuan Group Co Ltd; China Railway Tianjin Tunnel Engineering Survey and Design Co Ltd
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: CN111322740A

Abstract

本发明公开一种基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，其特征在于：确定制冷季单月变频排热风机的节能率计算公式如下：

上式中，p_es为变频排热风机制冷季单月节能率，单位％；d_(m)为单月累计天数；p_(VVVF·i)＝f_(i)/50为变频百分比，f_(i)与50分别为变频频率值与工频频率值；i＝1和i＝n，变频百分比起始与总变频调节段数；d_(i)为制冷季内运行在f_(i)变频频率值下排热风机的工作天数。本发明能直接量化地铁车站通风空调系统中排热风机制冷季的逐日变频百分比，避免逐时调节的繁琐，迅速快捷确定出变频频率值、变频百分比及其二者对应的逐日天数，实现排热风机高效节能运行。

Description

一种基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法

技术领域

本发明属于地铁通风空调系统及其装备节能技术领域，具体涉及一种基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法。

背景技术

地铁区间隧道与车站是半陷或者浅埋的狭长空间，地铁车站通风空调系统及其装备节能运行，一直是业界关注的重要问题。中国大部分主要城市位于中低纬度地区，夏季湿热，夏季与制冷季基本重合，地铁车站必须实施人工制冷降温及减湿。为了控制规模、初投资和节省运行成本，实施人工制冷的车站通风空调系统中，一般均设计了、安装了和运行着排热风机及其管网子网络。这个设备及其管网，一般简称为排热风机。在制冷季，排热风机能直接排走地铁列车车厢顶部冷凝器的冷凝热，一般也能直接排走列车底部的摩擦热。大量研究与工程实践说明，排热风机及其变频运行控制实现与地铁站内热湿环境参数控制、室外大气环境空气温度渐变、地铁车站及其区间维护结构热惰性之间的优化，仍是行业内的前沿问题。

针对地铁车站通风空调系统中的空气处理末端设备及其控制区域问题，潘展华等申请了“地铁站通风空调系统用变风量分区控制风机墙及控制方法”的发明专利，该申请包括嵌在墙体内的多台风机、风机墙框架和底座，并且根据地铁站通风空调系统的不同制冷系统运行所需风量对多台风机进行区域划分。但是，所涉及到的需风量计算方法，是基于常规空气调节中的负荷计算与焓湿状态点确定，继而，潘展华等把调节时段划分为早、中和晚三个时间区段等。为满足工况需要而启动或者关闭风机，王鑫荣等申请了“地铁隧道风机控制系统”的发明专利，该申请具体由主电路、PLC(Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器)控制电路及强启控制电路构成，实现运营与灾变工况的切换。但是，不涉及地铁车站排热运行控制及其方法。针对地铁排热风机运行与节能实现问题，唐敏等设计了“地铁轨道排热风机节能控制系统”的发明专利，该设计涉及一种地铁轨道排热风机节能控制系统，包括排热风机、红外线光电开关传感器、I/O模块和可编程逻辑控制器，实现了对排热风机转速的实时调整，避免了排热风机持续处于大功率状态，有效排出轨行区热量，并降低了排热风机能耗。本质上，唐敏等提出的装置与实现方法，属于信号系统与排热风机的联动运行。基于该联动的节能实现途径，翁元等申请了“一种地铁多站点风机节能方法”的发明专利，该专利以地铁综合监控系统为主控平台，以信号专业的列车时刻表以及列车实时状态为依据，通过时间递归射算法和通用的联动接口程序为驱动，最终，形成排热风机节能运行的实施方法。显然，排热风机及其变频器运行控制是实现节能的关键。针对此关键问题的解决途径，谈洪朝等设计了“地铁地下车站用节能排热风机系统”的发明专利，该专利包括带有变频电机的排热风机、安装有可编程控制器、变频器、交流接触器的风机变频控制柜和带有传感器的传感器接线盒，其中，传感器包括温度传感器、光控传感器、声控传感器、振动传感器和光电传感器；实际上，依靠光控传感器、声控传感器、振动传感器和光电传感器探测地铁列车及其是否进站，并形成排热风机运行调节策略，此外，温度传感器则测量车站车道温度变化，继而制定出排热风机的运行控制策略。针对上述策略，田炳权等申请了“一种地铁屏蔽门系统排热风机运行频率确定方法”的发明专利，具体采用隧道温度传感器实时监测隧道壁面温度，并计算温升速率，当温升速率大于温升速率阈值时，开启排热风机；此外，吴小俊等申请了“一种地铁排热风机的节能控制方法及系统”的发明专利，该专利的特征在于：环境与设备监控系统接收隧道分布式感温光纤系统发送的隧道各段温度数值，通过与预设值的温度进行比较，按指定频率控制排热风机的运行速度。

归纳起来，上述专利及其涉及实质性内容，主要通过列车信号系统、隧道空气温度测定、常规空气调节计算、传感变送和常规的可编程逻辑控制器等，单一功能或者多模块组合，实现排热风机变频运行控制；但是，仍存在系统复杂、信号来源庞杂、地铁车站及其区间维护结构热惰性利用不充分和调节依据阐述不清晰等工程技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，能迅速快捷确定出制冷季内变频排热风机的逐日变频频率值及其对应的天数、节能率。

本发明采用的技术方案是：一种基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，确定制冷季单月变频排热风机的节能率计算公式如下：

上式中，p_es为变频排热风机制冷季单月节能率，单位％；100为常数，无量纲自然数；d_(m)为单月累计天数，无量纲自然数；p_(VVVF·i)＝f_(i)/50为变频百分比，单位％，f_(i)与50分别为变频频率值与工频频率值，单位Hz；i＝1和i＝n，变频百分比起始与总变频调节段数，无量纲自然数；d_(i)为制冷季内运行在f_(i)变频频率值下排热风机的工作天数，无量纲自然数。

变频百分比及其对应天数的计算方法如下：

(a)在制冷季内，当逐日当日的温差不低于9℃且低于10℃时，变频百分比设定为60％；当逐日当日的温差不低于8℃且低于9℃时，则变频百分比设定为70％；当逐日当日的温差不低于7℃且低于8℃时，则变频百分比设定为80％；当逐日当日的温差不低于温差波动基准线数值且低于7℃时，则变频百分比设定为90％；当逐日当日的温差低于温差波动基准线数值时，则变频百分比设定为100％，实施工频运行；

(b)在步骤(a)中，所述温差为逐日最高气温与最低气温的差值，且气温为室外大气环境空气温度；

(c)根据步骤(a)和步骤(b)，并利用现有或近期预报的室外大气环境最高气温和最低气温，即能确定出变频百分比及其所对应的天数。

在制冷季内，所述温差波动基准线数值为6℃。温差波动基准线数值的确定方法如下：

(a)通过现场测定了若干个连续地铁区间的空气温度数据，根据公开的研究成果：夏季空气温度比冬季高，二者分别为23.5℃～27.5℃和16.5℃～20℃，并且，当地铁区间空气温度与室外大气环境中平均气温相差6℃时，地铁区间空气温度并未有明显波动；

(b)由于地铁区间地层、土壤、维护结构所释放热量与当前室外大气环境气温波动之间具有动平衡特性，具体表现为地铁区间车站最高空气温度与最低空气温度非常接近，并且，最高空气温度与最低空气温度之间的平均空气温度近似等于室外大气环境中逐日最低气温；

所述动平衡特性，是隧道区间地层、土壤、维护结构所释放热量与当前室外大气环境气温波动之间的动态热量收支平衡，具体表现为地铁空间内空气温度的小幅度波动；

(c)极大化步骤(a)中所述的室外大气环境中平均气温，即近似等于室外大气环境中逐日最高气温；

(d)综合步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)，确定温差波动基准线数值为6℃。

所述变频排热风机包括通风机、变频器和管网。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明能直接量化地铁车站通风空调系统中排热风机制冷季的逐日变频百分比，能避免逐时调节的繁琐，也能避免常规方法频繁改变及其校核排热风机变频频率值，并能避免布设传感器的高投入，能迅速快捷确定出变频频率值、变频百分比及其二者对应的逐日天数，也能预估出变频运行的当日节能率和月节能率，甚至能预评价制冷季节能率，最终，实现排热风机高效节能运行。

附图说明

图1是本发明实施例的中国天气网数据与地铁站台安检区实测最高气温与最低气温对比曲线图；

图2是本发明实施例的06月、07月和08月的温差逐日波动对比曲线图；

图3是本发明实施例的06月、07月和08月的温差不低于6℃天数统计与排热风机功率消耗曲线图；

图4是本发明实施例的06月、07月和08月的功率消耗百分率与累计节能率对比曲线图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，所述变频排热风机由通风机、变频器和管网组成，其特点是：

确定制冷季单月变频排热风机的节能率计算公式如下：

式(1)中，p_es为变频排热风机制冷季单月节能率，单位％；100为常数，无量纲自然数；d_(m)为单月累计天数，无量纲自然数；p_(VVVF·i)＝f_(i)/50为变频百分比，单位％，f_(i)与50分别为变频频率值与工频频率值，单位Hz；i＝1和i＝n，变频百分比起始与总变频调节段数，无量纲自然数；d_(i)为制冷季内运行在f_(i)变频频率值下排热风机的工作天数，无量纲自然数。

其中，变频百分比及其对应天数的计算方法如下：

(b)在步骤(a)中，所述温差为逐日最高气温与最低气温的差值，且气温为室外大气环境空气温度；在制冷季内，所述温差波动基准线数值为6℃；

其中，温差波动基准线数值的确定方法如下：

a)通过现场测定了3个连续地铁区间的空气温度数据，根据公开的研究成果：夏季空气温度比冬季高，二者分别为23.5℃～27.5℃和16.5℃～20℃，并且，当地铁区间空气温度与室外大气环境中平均气温相差6℃时，地铁区间空气温度并未有明显波动；

b)由于地铁区间地层、土壤、维护结构所释放热量与当前室外大气环境气温波动之间具有动平衡特性，具体表现为地铁区间车站最高空气温度与最低空气温度非常接近，并且，最高空气温度与最低空气温度之间的平均空气温度近似等于室外大气环境中逐日最低气温；

所述动平衡特性，是隧道区间地层、土壤、维护结构所释放热量与当前室外大气环境气温波动之间的动态热量收支平衡，具体表现为地铁空间内空气温度的小幅度波动；例如，公开的实测数据表明：在2017年03月期间，某地铁车站站厅层安检区最高空气温度和最低空气温度依次为15℃和14℃，基本高于或等于当地2017年03月的室外大气环境中逐日最高气温，并且，地铁空间内空气温度几乎不受室外环境气温逐时波动的影响，基本只受到室外环境气温逐日波动的影响；

c)极大化步骤a)中所述的室外大气环境中平均气温，即近似等于室外大气环境中逐日最高气温；

d)综合步骤a)、步骤b)和步骤c)，确定温差波动基准线数值为6℃。

下面是应用本发明方法的一个工程实施例。

参见图1至图4，在图1中，纵坐标的变量为空气温度及其单位℃，下部横坐标的变量为Date(即日期)及其单位自然数，上部横坐标的变量为Number(即序号)及其单位自然数，“―□―Maxi-1”和“―○―Mini-1”依次为来自中国天气网公开的2017年03月室外大气环境中最高气温和最低气温，“―■―Maxi-2”和“―●―Mini-2”依次为实测的2017年03月青岛地铁3号线五四广场站站厅层安检区最高气温和最低气温。如图1所示，在2017年03月期间，该安检区最低气温为14℃、最高气温为15℃，上述气温基本高于当地2017年03月的室外大气环境中最高气温和最低气温。这表明青岛地铁3号线五四广场站的隧道区间地层、土壤、维护结构所释放热量与当前室外大气环境气温波动之间具有动平衡特性，该特性实现了五四广场站地下空间内气温的削峰填谷作用，并维持了空间内气温小幅度波动。进一步归纳为，地铁站台地下空间内气温的逐时波动受到室外大气环境气温逐时波动的影响小，而受到逐日波动的影响明显。

在室外大气环境气温逐日波动中，涉及到单日最高气温与最低气温，二者气温的差值，简称为温差，其单位为℃。图2是温差逐日波动(06月、07月和08月的对比)。在图2中，纵坐标的变量为温差及其单位℃，横坐标的变量为Date(即日期)及其单位自然数，“―△―June”、“―◇―July”和“―☆―August”依次为06月、07月和08月的温差逐日波动，数据来自于中国天气网公布的2017年06月、07月和08月室外大气环境中最高气温、最低气温及其二者的温差。此外，在图2中，“―┼―Baseline”为温差波动基准线，其温差数值为6℃；该温差波动基准线的确定步骤如下：

a)连续测定了3个连续地铁区间的气温数据，并得出：夏季气温比冬季高，二者分别为23.5℃～27.5℃和16.5℃～20℃，并且，当地铁区间气温与室外大气环境中平均气温相差6℃时，地铁区间气温并未有明显波动；

b)由于地铁区间地层、土壤、维护结构所释放热量与当前室外大气环境气温波动之间具有动平衡特性，具体表现为地铁区间车站最高气温与最低气温的非常接近，并且，最高气温与最低气温之间的平均气温近似等于室外大气环境中逐日最低气温；

c)极大化步骤a)中的室外大气环境中平均气温，即近似等于室外大气环境中逐日最高气温；

d)综合步骤a)、b)和c)，得到温差波动基准线数值为6℃。

应用确立的温差波动基准线数值6℃，并利用中国气象网公开的青岛2017年06、07月和08月室外大气环境逐日最低气温和逐日最高气温，统计出温差不低于6℃的天数，如图3所示。在图3中，左纵坐标的变量为“Day number”(即天数)及其单位DDN(即无量纲数)，下横坐标的变量为“VVVF Value”(即变频频率值)及其单位Hz(即赫兹)，“―△―June”、“―◇―July”和“―☆―August”依次为06月、07月和08月的不低于温差波动基准线数值天数与变频频率值之间的因变曲线。在图3中，变频频率值与天数之间的因变关系确立如下：

(a)在制冷季(青岛当地为06月、07月和08月)内，当逐日当日的温差不低于温差波动基准线数值且低于7℃时，地铁车站变频排热风机的变频频率值设定为45Hz(即工频频率的90％)；

(b)并且，当逐日当日的温差不低于7℃且低于8℃时，地铁车站变频排热风机的变频频率值设定为40Hz(即工频频率的80％)；

(c)并且，当逐日当日的温差不低于8℃且低于9℃时，地铁车站变频排热风机的变频频率值设定为35Hz(即工频频率的70％)；

(d)并且，当逐日当日的温差不低于9℃且低于10℃时，地铁车站变频排热风机的变频频率值设定为30Hz(即工频频率的60％)；

(e)此外，在过渡季节，当逐日当日的温差更大时，依次逐级递减地铁车站变频排热风机的变频频率值，最终，直至停机，不再排热；在供热季，关闭排热风机，利用地铁列车刹车产生的热量补充供热季的通风空调热量。

在青岛某线某地铁车站通风空调系统的制冷季内，开启变频排热风机，该排热风机的风量为40m3/s、静压为600Pa、功率为55kW和电网输入工频为50Hz，配备了VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency，即变电压与变频率)调节器(简称变频器)，本机具备了变频运行调节功能。在流体力学、泵与风机的经典理论中，有如下关系式：

在式(2)中，f_(i)为某一变频频率值，Hz；f_(i+1)为另一变频频率值，Hz；N_(i)为f_(i)变频频率值下排热风机所消耗功率，kW；N_(i+1)为f_(i+1)变频频率值下排热风机所消耗功率，kW；1/3为幂函数的数值，无量纲数。

利用式(2)，得到制冷季内某变频频率值下排热风机功率消耗计算式如式(3)所示：

N_(i)·(d)＝d_(i)·N_(i) (3)；

在式(3)中，N_(i)·(d)为制冷季内f_(i)变频频率值下排热风机功率消耗量，kW；d_(i)制冷季内运行在f_(i)变频频率值下排热风机的工作天数，无量纲自然数。

利用式(3)，结合图3中“VVVF Value”与“Day Number”之间的对应关系(即变频频率值与天数之间的因变关系)，并根据前述青岛某线某地铁车站通风空调系统中变频排热风机的性能参数，绘制出变频频率值与变频频率值下排热风机功率消耗量的关系图，如图3所示。在图3中，右纵坐标的变量为“Consumed Power”(变频频率值下排热风机功率消耗量)及其单位kW，上横坐标的变量为“VVVF Value”(即变频频率值)及其单位Hz(即赫兹)，“―▲―June”、“―◆―July”和“―★―August”依次为06月、07月和08月的变频频率值与变频频率值下排热风机功率消耗量之间的因变曲线。

利用式(3)，得到了制冷季内变频排热风机功率消耗及百分率计算式如式(4)所示：

p_pc＝(100·d_(i)·N_(i))/(d_(i)·N_(j)) (4)；

在式(4)中，p_pc为排热风机f_(i)变频频率值下运行与工频运行相比的功率消耗百分率，％；N_(j)为排热风机工频运行的功率消耗，kW；100为常数，无量纲自然数。

利用式(4)，结合图3中“VVVF Value”与“Consumed Power”之间的因变关系(即，变频频率值与变频频率值下排热风机功率消耗量之间的因变关系)，并根据前述青岛某线某地铁车站通风空调系统中变频排热风机的性能参数，绘制出变频频率值与排热风机变频运行与工频运行相比的功率消耗百分率的关系图，如图4所示。在图4中，左纵坐标的变量为“Power-Consuming Percent”(功率消耗百分率)及其单位％，下横坐标的变量为“VVVFValue”(即变频频率值)及其单位Hz(即赫兹)，“―△―June”、“―◇―July”和“―☆―August”依次为06月、07月和08月功率消耗百分率与变频频率值之间的因变曲线。

确立变频频率值及其所对应的累计天数后，结合排热风机的性能参数，得到变频排热风机单月节能率，其计算公式如式(5)所示：

在式(5)中，p_es为变频排热风机单月节能率，％；i＝1及n排热风机f_(i)变频频率值及其累计数，无量纲自然数；d_(m)为单月累计天数，无量纲自然数。

利用式(5)，并结合前述变频排热风机的变频频率值及其所对应的天数，计算出变频排热风机单月节能率与单月累计功率消耗之间的关系图，如图4所示。在图4中，上横坐标的变量为“Accumulated Power-Consuming”(变频排热风机单月累计功率消耗)及其单位kW，右纵坐标的变量为“Accumulated Energy-Saving Percent”(即变频排热风机单月节能率或者变频排热风机制冷季平均节能率)及其单位％，“▲June”、“◆July”和“★August”依次为06月、07月和08月的累计功率消耗与节能率之间的对应关系。图4的数据表明，针对上述的青岛某线某站变频排热风机，2017年06月、07月、08月的累计功率消耗，依次为1178.92kW、1528.39kW和1339.85kW，上述累计功率消耗所对应的节能率为28.55％、10.36％和21.42％。

进一步，变频排热风机及其在制冷季内运行的节能率，能通过如下步骤，实现普适性的量化计算：

(a)在式(2)中，令f_(i+1)＝f_(j)和N_(i+1)＝N_(j)，继而，整理式(2)，则有下式：

在式(6)中，f_(j)为工频频率，一般为50Hz；p_(VVVF·i)为变频频率值f_(i)与工频频率的比例值，简称变频百分比，％。

(b)把式(6)代入式(5)，整理，得到式(1)：

利用式(1)，并根据青岛室外大气环境最低气温和最高气温(中国天气网公布的2017年06、07月和08月数据)为特例，计算出制冷季变频排热风机单月节能率，具体计算步骤如下：

(a)在制冷季内，变频排热风机的变频百分比为60％(30Hz)、70％(35Hz)、80％(40Hz)、90％(45Hz)、100％(50Hz，工频频率运行)及其对应的天数依次为：06月，60％、1day(天)，70％、2day(天)，80％、5day(天)，90％、7day(天)，100％、15day(天)；07月，80％、2day(天)，90％、3day(天)，100％、26day(天)；08月，80％、3day(天)，90％、7day(天)，100％、21day(天)；

(b)把上述数据代入式(6)，则计算得到：06月，28.55％；07月，10.36％；08月，21.42％；

(c)归纳前述(a)中的数据，制冷季内共计的92天期间，变频排热风机的变频百分比及其天数依次为，60％为1day(天)，70％为2day(天)，80％为10day(天)，90％为17day(天)，100％为62day(天)，把以上数据代入式(6)，则得到制冷季内变频排热风机平均节能率为20.11％。

通过分析具体实施方案，做出如下归纳：①在制冷季内，变频排热风机的月节能率，既受到变频百分比影响，也受到所对应变频百分率的运行天数影响；变频排热风机的制冷季节能率直接受到变频百分比及其累计天数的影响，逐日特征显著。②利用公开的历史数据，能计算出变频排热风机节能率；此外，利用天气预报数据，能直接手动设定逐日预设变频百分比或者人工智能程控设定预设变频百分比；因此，本发明提出了一种具有简单、可靠和初投资低的基于逐日调节的变频排热风机制冷季节能率计算方法。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims

1.一种基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，其特征在于：

确定制冷季单月变频排热风机的节能率计算公式如下：

上式中，p_es为变频排热风机制冷季单月节能率，单位％；100为常数，无量纲自然数；d_(m)为单月累计天数，无量纲自然数；p_(VVVF·i)＝f_(i)/50为变频百分比，单位％，f_(i)与50分别为变频频率值与工频频率值，单位Hz；i＝1和i＝n，变频百分比起始与总变频调节段数，无量纲自然数；d_(i)为制冷季内运行在f_(i)变频频率值下排热风机的工作天数，无量纲自然数；

变频百分比及其对应天数的计算方法如下：

2.根据权利要求1所述基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，其特征在于：在制冷季内，所述温差波动基准线数值为6℃。

3.根据权利要求2所述基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，其特征在于：温差波动基准线数值的确定方法如下：

4.根据权利要求1-3中任一所述基于逐日调节的变频排热风机制冷季的节能率计算方法，其特征在于：所述变频排热风机包括通风机、变频器和管网。