地鐵作為目前城市交通中高速、快捷和便利的代表，在對(duì)各大城市交通問題緩解方面起到了至關(guān)重要的作用。但是由此所引發(fā)的節(jié)能降耗問題也受到了人們的廣泛關(guān)注。在城市交通運(yùn)輸中，地鐵運(yùn)營(yíng)耗能巨大，某種程度上制約了地鐵的快速發(fā)展。而其中地鐵環(huán)控系統(tǒng)的能耗占了整個(gè)地鐵運(yùn)營(yíng)總能耗的30%～40%。因此在地鐵空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行等許多環(huán)節(jié)上進(jìn)一步優(yōu)化，采取可行的節(jié)能措施，將對(duì)地鐵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。

　　空調(diào)水系統(tǒng)在變水量運(yùn)行中由于流量的調(diào)節(jié)，不但管路的水壓時(shí)時(shí)發(fā)生變化，而且各末端裝置的供回水管之間的壓差也每時(shí)每刻地發(fā)生變化。不但系統(tǒng)總供水量發(fā)生變化時(shí)要變化，其他一些末端裝置或其他一些環(huán)路供水量發(fā)生變化時(shí)也要變化，因此變流量系統(tǒng)的實(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)任何末端設(shè)備負(fù)荷變化要求電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)，不論系統(tǒng)壓力如何變化，各調(diào)節(jié)閥門都能夠很有效地進(jìn)行水量的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)精確的溫度，互不干擾，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地系統(tǒng)平衡，使系統(tǒng)的負(fù)荷在輸出和需求上始終保持最佳的匹配，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)閥能有效地解決以上問題，此閥門不受管網(wǎng)壓力波動(dòng)的影響，在工作壓差范圍內(nèi)始終保持設(shè)定的水量。

1 、空調(diào)水系統(tǒng)的不匹配

　　目前，國(guó)內(nèi)地鐵空調(diào)水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)存在較多不匹配的情況，原因如下：

　　1)主要不匹配：大馬拉小車

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.冷凍水泵、冷卻水泵按空調(diào)機(jī)組額定工況匹配;

　　C.末端系統(tǒng)按總負(fù)荷量110%～120%匹配。

　　2)次要不匹配：小溫差、大流量

圖2 次要不匹配

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

2、空調(diào)水系統(tǒng)控制分析

　　以廣州地鐵某線路號(hào)為例，該線路采用集中冷站提供冷源，末端支路設(shè)二通閥和壓差傳感器進(jìn)行流量控制。下圖3為集中冷站原理圖。

圖3 集中冷站原理圖

　　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：水泵5臺(tái)，其中調(diào)速泵4臺(tái)(同型規(guī)格)，定速泵1臺(tái)。用戶為大學(xué)城南站、官洲車站。

　　2號(hào)支路：水泵3臺(tái)，其中調(diào)速泵2臺(tái)(同型規(guī)格)，定速泵1臺(tái)。用戶為大學(xué)城北車站。

　　上述二條支路分別由二組水泵供水，構(gòu)成兩個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)。這二個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)車站的不同需求，完成冷凍水的輸送任務(wù)。

　　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

　　在末端支路中，采用“最不利末端壓差”恒定監(jiān)控方式對(duì)變頻水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

　　控制基點(diǎn)：結(jié)合水系統(tǒng)現(xiàn)狀實(shí)際已經(jīng)安裝了壓差傳感器的地方，大系統(tǒng)末端空調(diào)機(jī)組壓差ΔPab。

　　控制范圍：ΔPab不低于滿負(fù)荷工況時(shí)的ΔPabmin。

　　調(diào)節(jié)手段：壓差—變頻器頻率PID調(diào)節(jié)。

　　調(diào)試記錄如下：

　　1號(hào)支路，官洲站AHU—02為最不利末端。

　　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為最不利末端。

表2

　　通過(guò)滿負(fù)荷工況調(diào)試，變頻泵做PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了末端用戶的使用壓差始終運(yùn)行在最小壓差之上，保證了各個(gè)用戶的用水壓差所需。通過(guò)“最不利末端壓差”恒定，實(shí)現(xiàn)了最不利末端達(dá)到設(shè)計(jì)流量即所需的最大流量。同時(shí)其他支路流量均會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)流量，這就形成了部分的能量損耗，且管網(wǎng)壓力對(duì)各個(gè)支路末端影響很大，水力平衡也會(huì)受到影響。

　　在地鐵變水量系統(tǒng)的末端設(shè)備中，使用不受管網(wǎng)壓力波動(dòng)的流量控制閥即動(dòng)態(tài)平衡型電動(dòng)閥來(lái)控制水量，是解決變水量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)失調(diào)，真正節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行的最佳方案。

3、動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥的性能分析

　　經(jīng)過(guò)閥門的流量可按下式計(jì)算：

　　式中：Q-流經(jīng)閥門的流量，

　　K，-閥門的流通能力，與閥門的開度相對(duì)應(yīng);閥前后的壓差，bar。

　　由公式得經(jīng)過(guò)閥門的流量大小與閥門的開啟度及閥前后的壓差有關(guān)，而控制系統(tǒng)則根據(jù)負(fù)荷變化向閥門輸出相應(yīng)信號(hào)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而達(dá)到相應(yīng)的流量。因此只要能恒定調(diào)節(jié)閥前后的壓差，就可以保證流量的變化完全由閥門開度而決定，即與負(fù)荷變化相對(duì)應(yīng)，而不受其它閥門開關(guān)影響產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的效果。任何一個(gè)支路的調(diào)節(jié)都不會(huì)對(duì)其他支路產(chǎn)生干擾，同時(shí)任何一個(gè)支路都不會(huì)受到其它支路調(diào)節(jié)的影響。

　　在空調(diào)水系統(tǒng)中，為了達(dá)到良好的受控效果，最佳的調(diào)節(jié)閥的特性應(yīng)是等百分比特性，也稱對(duì)數(shù)特性，此曲線也稱閥門的理想特性曲線。一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)如果不能夠保持調(diào)節(jié)閥開度和空調(diào)器散熱量之間的良好線性關(guān)系，則會(huì)造成溫度波動(dòng)頻繁，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

　　動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥區(qū)別于傳統(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)調(diào)節(jié)閥兩端的壓差在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程恒定，即閥權(quán)度始終為1，可實(shí)現(xiàn)其理想特性曲線，從而實(shí)現(xiàn)理想的溫控效果。動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥在不同開度時(shí)的流量與閥門兩邊壓差的關(guān)系曲線見圖5，從圖中可以看出要想達(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)，流量隨閥門兩端的壓差的增加而增加，當(dāng)達(dá)到閥門最小工作壓差后，經(jīng)過(guò)閥門的流量將保持恒定不變，不再隨閥門兩端的壓差的增加而變化。只有當(dāng)調(diào)節(jié)閥芯的開度發(fā)生變化時(shí)，流量才發(fā)生變化。

圖5 動(dòng)態(tài)壓差平衡閥流量變化曲線圖

4、改進(jìn)措施

　　為解決前文中提出的問題，蘇州軌道交通1號(hào)線空調(diào)水系統(tǒng)在各支路加裝動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，每個(gè)支路通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥來(lái)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)閥由一個(gè)動(dòng)態(tài)閥CV216GG(DNXX)和靜態(tài)閥STAF(DN80)組成。通過(guò)靜態(tài)平衡閥的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)中各個(gè)管路的流量比值與設(shè)計(jì)流量的比值一致，這樣當(dāng)系統(tǒng)的總流量等于設(shè)計(jì)總流量時(shí)，各個(gè)末端設(shè)備及管道的流量也同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量即所需的最大流量，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水力平衡。配置了適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)閥后，支路均運(yùn)行在設(shè)計(jì)流量狀態(tài)。如果并聯(lián)的外網(wǎng)由于變動(dòng)而造成壓力的變化在一定范圍內(nèi)(該閥門有效范圍)，不會(huì)造成流經(jīng)該設(shè)備流量的變化，一方面可以保證機(jī)組在額定狀態(tài)運(yùn)行，將流量恒定在設(shè)計(jì)值，從而保護(hù)機(jī)組，另一方面提高機(jī)組的運(yùn)行效率，使系統(tǒng)運(yùn)行的水溫正常。

　　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)中大系統(tǒng)、各小系統(tǒng)因功能不同所要求的溫度也不同，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℃，按照設(shè)定溫度的要求和實(shí)際測(cè)量的回風(fēng)溫度變化，動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥實(shí)時(shí)地進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，當(dāng)小系統(tǒng)2、3支路達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，該支路的動(dòng)態(tài)平衡閥BV-4的開度維持在某一位置保持不變以輸出一個(gè)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，則將小系統(tǒng)1支路的動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥BV-3關(guān)小以減少流過(guò)空調(diào)機(jī)組AHU-B101的冷水量，使制冷量減少，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)增大，由于動(dòng)態(tài)平衡閥的定壓差作用，使得其他支路的流量不發(fā)生變化，制冷量不變，其余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(guò)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)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥安裝在空調(diào)末端設(shè)備的回水管上，既可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水量，又可實(shí)時(shí)保證所調(diào)水量恒定，避免了由于閥門調(diào)節(jié)帶來(lái)的壓差變化產(chǎn)生的相互干擾等動(dòng)態(tài)失調(diào)現(xiàn)象，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)度，確保線性散熱受控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，保證系統(tǒng)的迅速穩(wěn)定。

　　3)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)試工作量非常小，加速安裝周期，系統(tǒng)改造、擴(kuò)建時(shí)可以免調(diào)試，同時(shí)能方便的修正實(shí)際和設(shè)計(jì)工況之間的差異。