前言

地鐵作為城市交通中高速、快捷、便利的代表，在緩解各大城市交通問題方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，由此產(chǎn)生的節(jié)能降耗問題也引起了廣泛關(guān)注。在城市交通中，地鐵運(yùn)營(yíng)能耗巨大，在一定程度上制約了地鐵的快速發(fā)展。其中，地鐵環(huán)控系統(tǒng)的能耗占地鐵運(yùn)營(yíng)總能耗的30%~40%。因此，進(jìn)一步優(yōu)化地鐵空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，采取可行的節(jié)能措施，對(duì)地鐵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

由于空調(diào)水系統(tǒng)在變水量運(yùn)行過程中的流量調(diào)節(jié)，不僅管道的水壓不斷變化，而且各終端設(shè)備供回水管之間的壓差也不斷變化。不僅系統(tǒng)總供水量變化，其他終端設(shè)備或其他環(huán)路供水量也變化，因此實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)平衡是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。動(dòng)態(tài)平衡功能是指當(dāng)任何終端設(shè)備負(fù)荷變化需要電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)，無論系統(tǒng)壓力如何變化，調(diào)節(jié)閥都能有效調(diào)節(jié)水量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度，相互干擾，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)平衡，使系統(tǒng)負(fù)荷在輸出和需求上始終保持最佳匹配，處于最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥能有效解決上述問題，不受管網(wǎng)壓力波動(dòng)的影響，始終保持工作壓差范圍內(nèi)設(shè)定的水量。

1 空調(diào)水系統(tǒng)不匹配

目前，國(guó)內(nèi)地鐵空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行存在許多不匹配，原因如下：

1)主要不匹配:大馬拉車

圖1 主要不匹配

A.機(jī)組按照建筑物最大熱負(fù)荷的110%～120%設(shè)計(jì)；

B.根據(jù)空調(diào)機(jī)組的額定工況，冷凍水泵和冷卻水泵匹配；

C.終端系統(tǒng)按總負(fù)荷110%~120%匹配。

2)次要不匹配:溫差小，流量大

圖2 次要不匹配

季節(jié)/晝夜/末端負(fù)荷變化→主機(jī)進(jìn)出水溫差2℃～3℃。

2 空調(diào)水系統(tǒng)控制分析

以廣州地鐵某線號(hào)為例，采用集中冷站提供冷源，末端支路設(shè)置二通閥和壓差傳感器控制流量。下圖3為集中冷站原理圖。

圖3

集中冷站設(shè)置在大學(xué)城南站，冷站的輸水系統(tǒng)按泵組劃分共有二條支路：

1號(hào)支路:5臺(tái)水泵，4臺(tái)調(diào)速泵(同型規(guī)格)，1臺(tái)定速泵。用戶是大學(xué)城南站和官洲站。

2號(hào)支路:3臺(tái)水泵，其中2臺(tái)調(diào)速泵(同型規(guī)格)，1臺(tái)定速泵。用戶是大學(xué)城北站。

上述兩個(gè)支路由兩組水泵供水，形成兩個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)。兩個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)車站的不同需要完成冷凍水的輸送任務(wù)。

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空調(diào)水系統(tǒng)末端原理圖如下圖4所示：

圖4 空調(diào)水系統(tǒng)末端原理圖

變頻端支路中，變頻泵采用最不利終端壓差的恒定監(jiān)控方法進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

控制基點(diǎn)：根據(jù)水系統(tǒng)現(xiàn)狀，壓差傳感器已安裝在大系統(tǒng)末端空調(diào)機(jī)組的壓差ΔPab。

控制范圍：ΔPab不低于滿載條件時(shí)的滿載條件ΔPabmin。

調(diào)節(jié)方法：壓差-變頻器頻率PID調(diào)節(jié)。

調(diào)試記錄如下：

官洲站1號(hào)支路AHU—02是最不利的終端。

官洲站：

表1

表中：a b=32.37m³/h，c d=19.91m³/h

大學(xué)城南站：

表中：a b=33.33m³/h

2號(hào)支路，大學(xué)城北站AHU—01是最不利的終端。

表2

變頻泵通過滿負(fù)荷條件調(diào)試進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)了終端用戶的使用壓差始終高于最小壓差，保證了每個(gè)用戶的水壓差。通過最不利終端壓差的恒定，實(shí)現(xiàn)了最不利終端達(dá)到設(shè)計(jì)流量所需的最大流量。同時(shí)，其他支路流量將超過設(shè)計(jì)流量，形成部分能量損失，管網(wǎng)壓力對(duì)各支路終端影響很大，影響水力平衡。

在地鐵變水系統(tǒng)的終端設(shè)備中，動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥是解決變水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)失衡、真正節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行的最佳方案。

3 電動(dòng)閥動(dòng)態(tài)平衡性能分析

閥門流量可按下式計(jì)算：

式中：Q-流經(jīng)閥門的流量，

K，-閥門的循環(huán)能力對(duì)應(yīng)于閥門的開度；

閥門前后的壓差，bar。

該公式與閥門的開啟度和閥門前后的壓差有關(guān)，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載變化向閥門輸出相應(yīng)的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的流量。因此，只要閥門前后的壓差能夠恒定調(diào)整，流量變化就可以完全由閥門開度決定，即與負(fù)載變化對(duì)應(yīng)，而不受其他閥門開關(guān)的系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的效果。任何支路的調(diào)整都不會(huì)干擾其他支路，任何支路都不會(huì)受到其他支路調(diào)整的影響。

在空調(diào)水系統(tǒng)中，為了達(dá)到良好的控制效果，調(diào)節(jié)閥的最佳特性應(yīng)為等百分比特性，也稱為對(duì)數(shù)特性，也稱為閥的理想特性曲線。如果空調(diào)系統(tǒng)不能保持調(diào)節(jié)閥開度與空調(diào)散熱之間的良好線性關(guān)系，則會(huì)導(dǎo)致頻繁的溫度波動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間過長(zhǎng)。

動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥不同于傳統(tǒng)的電動(dòng)二通閥，是動(dòng)態(tài)平衡與電動(dòng)調(diào)節(jié)一體化的產(chǎn)品，動(dòng)態(tài)壓差平衡閥直接恒定電動(dòng)調(diào)節(jié)閥兩端的壓差，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)閥兩端的壓差，即閥權(quán)始終為1，可實(shí)現(xiàn)其理想的特性曲線，從而達(dá)到理想的溫度控制效果。動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥流量與閥兩側(cè)壓差的關(guān)系曲線見圖5。從圖中可以看出，為了達(dá)到所需的流量，需要滿足最小的工作壓差。當(dāng)調(diào)節(jié)閥芯開度一定時(shí)，整個(gè)閥兩端的實(shí)際壓差小于最小工作壓差時(shí)，流量隨閥兩端壓差的增加而增加。

圖5

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4 改進(jìn)措施

為解決上述問題，蘇州軌道交通1號(hào)線空調(diào)水系統(tǒng)在各支路安裝動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，各支路通過動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥調(diào)節(jié)目標(biāo)區(qū)域的回風(fēng)溫度。每組動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由動(dòng)態(tài)閥組成CV216GG（DNXX）和靜態(tài)閥STAF（DN80）組成。通過靜態(tài)平衡閥的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中各管道的流量比與設(shè)計(jì)流量一致，使當(dāng)系統(tǒng)總流量等于設(shè)計(jì)總流量時(shí)，各終端設(shè)備和管道的流量也達(dá)到設(shè)計(jì)流量所需的最大流量，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水力平衡。配置適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)閥后，支路在設(shè)計(jì)流量狀態(tài)下運(yùn)行。如果平行外網(wǎng)在一定范圍內(nèi)（閥門有效范圍）變化，不會(huì)通過設(shè)備流量變化，一方面可以確保機(jī)組在額定狀態(tài)下運(yùn)行，設(shè)計(jì)值恒定流量，保護(hù)機(jī)組，另一方面提高機(jī)組運(yùn)行效率，使系統(tǒng)運(yùn)行水溫正常。

以蘇州軌道交通1號(hào)線塔園路站為例，下圖6為塔園路站空調(diào)水系統(tǒng)部分支路原理圖。

圖6 塔園路站支路

在空調(diào)水系統(tǒng)中，由于功能不同，大系統(tǒng)和小系統(tǒng)所需的溫度也不同。小系統(tǒng)1支路（AHU-B101支路要求環(huán)境溫度為36℃，小系統(tǒng)2、3支路（AHU-B201支路要求環(huán)境溫度為27℃，動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥根據(jù)設(shè)定溫度的要求和實(shí)際測(cè)量的回風(fēng)溫度變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量。當(dāng)小系統(tǒng)2、3支路達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，支路動(dòng)態(tài)平衡閥BV-4的開度保持不變，以輸出恒定的流量。此時(shí)，如果小系統(tǒng)1支路的回風(fēng)溫度低于設(shè)定溫度，則動(dòng)態(tài)平衡小系統(tǒng)1支路的電動(dòng)閥BV-3關(guān)小，減少流過空調(diào)機(jī)組AHU-B101冷水量降低制冷量，回風(fēng)溫度升高，達(dá)到設(shè)定溫度。同時(shí)，供回水管之間的壓差會(huì)增加。由于動(dòng)態(tài)平衡閥的固定壓差，其他支路的流量不變，制冷量不變，其他支路仍處于平衡狀態(tài)，不受系統(tǒng)壓差變化的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述控制方式在蘇州軌道交通一號(hào)線中的實(shí)際使用，我們認(rèn)為：

1)安裝在空調(diào)終端設(shè)備回水管上的動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥不僅可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水量，還可以實(shí)時(shí)保證調(diào)節(jié)水量的恒定，避免了閥門調(diào)節(jié)引起的壓差變化引起的相互干擾，相應(yīng)降低了能耗。

2)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥提供良好的閥權(quán)，保證線性散熱控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)的快速穩(wěn)定。

3）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)試工作量很小，安裝周期加快。系統(tǒng)改造擴(kuò)建時(shí)可避免調(diào)試，實(shí)際設(shè)計(jì)條件差異可方便糾正。