地鐵作為目前城市交通中高速、快捷和便利的代表，在對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。在城市交通運輸中，地鐵運營耗能巨大，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)的能耗占了整個地鐵運營總能耗的30%～40%。因此在地鐵空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計、運行等許多環(huán)節(jié)上進一步優(yōu)化，采取可行的節(jié)能措施，將對地鐵的經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。

　　空調(diào)水系統(tǒng)在變水量運行中由于流量的調(diào)節(jié)，不但管路的水壓時時發(fā)生變化，而且各末端裝置的供回水管之間的壓差也每時每刻地發(fā)生變化。不但系統(tǒng)總供水量發(fā)生變化時要變化，其他一些末端裝置或其他一些環(huán)路供水量發(fā)生變化時也要變化，因此變流量系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié)和動態(tài)平衡是實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。動態(tài)平衡功能是指當任何末端設(shè)備負荷變化要求電動調(diào)節(jié)閥動作時，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行水量的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)精確的溫度，互不干擾，實現(xiàn)動態(tài)地系統(tǒng)平衡，使系統(tǒng)的負荷在輸出和需求上始終保持最佳的匹配，處于最經(jīng)濟的運行狀態(tài)。動態(tài)平衡電動調(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，國內(nèi)地鐵空調(diào)水系統(tǒng)在設(shè)計和運行時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.機組按照建筑物最大熱負荷的110%～120%設(shè)計;

　　B.冷凍水泵、冷卻水泵按空調(diào)機組額定工況匹配;

　　C.末端系統(tǒng)按總負荷量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/末端負荷變化+水泵定流量→主機進出水溫差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)置在大學城南站，冷站的輸水系統(tǒng)按泵組劃分共有二條支路：

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

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

　　上述二條支路分別由二組水泵供水，構(gòu)成兩個管網(wǎng)系統(tǒng)。這二個管網(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)控方式對變頻水泵進行調(diào)節(jié)控制。

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

　　控制范圍：ΔPab不低于滿負荷工況時的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

　　大學城南站：

　　表中：a+b=33.33m3/h

　　2號支路，大學城北站AHU—01為最不利末端。

表2

　　通過滿負荷工況調(diào)試，變頻泵做PID自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了末端用戶的使用壓差始終運行在最小壓差之上，保證了各個用戶的用水壓差所需。通過“最不利末端壓差”恒定，實現(xiàn)了最不利末端達到設(shè)計流量即所需的最大流量。同時其他支路流量均會超過設(shè)計流量，這就形成了部分的能量損耗，且管網(wǎng)壓力對各個支路末端影響很大，水力平衡也會受到影響。

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

3、動態(tài)平衡電動閥的性能分析

　　經(jīng)過閥門的流量可按下式計算：

　　式中：Q-流經(jīng)閥門的流量，

　　K，-閥門的流通能力，與閥門的開度相對應;閥前后的壓差，bar。

　　由公式得經(jīng)過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)負荷變化向閥門輸出相應信號調(diào)節(jié)閥門的開度，從而達到相應的流量。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，即與負荷變化相對應，而不受其它閥門開關(guān)影響產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力波動的影響，從而達到動態(tài)平衡的效果。任何一個支路的調(diào)節(jié)都不會對其他支路產(chǎn)生干擾，同時任何一個支路都不會受到其它支路調(diào)節(jié)的影響。

　　在空調(diào)水系統(tǒng)中，為了達到良好的受控效果，最佳的調(diào)節(jié)閥的特性應是等百分比特性，也稱對數(shù)特性，此曲線也稱閥門的理想特性曲線。一個空調(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，則會造成溫度波動頻繁，系統(tǒng)穩(wěn)定時間過長。

　　動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥區(qū)別于傳統(tǒng)的電動二通閥，是動態(tài)平衡與電動調(diào)節(jié)一體化的產(chǎn)品，動態(tài)壓差平衡閥直接恒定電動調(diào)節(jié)閥兩端的壓差，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥兩端的壓差在整個調(diào)節(jié)過程恒定，即閥權(quán)度始終為1，可實現(xiàn)其理想特性曲線，從而實現(xiàn)理想的溫控效果。動態(tài)平衡電動閥在不同開度時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到所需的流量需要滿足最小的工作壓差，當調(diào)節(jié)閥芯開度一定時，整個閥兩端的實際壓差小于最小工作壓差時，流量隨閥門兩端的壓差的增加而增加，當達到閥門最小工作壓差后，經(jīng)過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。只有當調(diào)節(jié)閥芯的開度發(fā)生變化時，流量才發(fā)生變化。

圖5 動態(tài)壓差平衡閥流量變化曲線圖

4、改進措施

　　為解決前文中提出的問題，蘇州軌道交通1號線空調(diào)水系統(tǒng)在各支路加裝動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥，每個支路通過動態(tài)平衡電動閥來調(diào)節(jié)目標區(qū)域的回風溫度，每組動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥由一個動態(tài)閥CV216GG(DNXX)和靜態(tài)閥STAF(DN80)組成。通過靜態(tài)平衡閥的調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)中各個管路的流量比值與設(shè)計流量的比值一致，這樣當系統(tǒng)的總流量等于設(shè)計總流量時，各個末端設(shè)備及管道的流量也同時達到設(shè)計流量即所需的最大流量，系統(tǒng)實現(xiàn)水力平衡。配置了適當?shù)膭討B(tài)閥后，支路均運行在設(shè)計流量狀態(tài)。如果并聯(lián)的外網(wǎng)由于變動而造成壓力的變化在一定范圍內(nèi)(該閥門有效范圍)，不會造成流經(jīng)該設(shè)備流量的變化，一方面可以保證機組在額定狀態(tài)運行，將流量恒定在設(shè)計值，從而保護機組，另一方面提高機組的運行效率，使系統(tǒng)運行的水溫正常。

　　以蘇州軌道交通1號線塔園路站為例，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)定溫度的要求和實際測量的回風溫度變化，動態(tài)平衡電動閥實時地進行流量調(diào)節(jié)，當小系統(tǒng)2、3支路達到設(shè)定溫度時，該支路的動態(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恒定的流量。此時如果小系統(tǒng)1支路的回風溫度低于設(shè)定溫度，則將小系統(tǒng)1支路的動態(tài)平衡電動閥BV-3關(guān)小以減少流過空調(diào)機組AHU-B101的冷水量，使制冷量減少，回風溫度升高，達到設(shè)定溫度，同時供回水管之間的壓差會增大，由于動態(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

　　通過上述控制方式在蘇州軌道交通一號線中的實際使用，我們認為：

　　1)動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥安裝在空調(diào)末端設(shè)備的回水管上，既可實時調(diào)節(jié)水量，又可實時保證所調(diào)水量恒定，避免了由于閥門調(diào)節(jié)帶來的壓差變化產(chǎn)生的相互干擾等動態(tài)失調(diào)現(xiàn)象，相應降低了能耗。

　　2)動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥提供良好的閥權(quán)度，確保線性散熱受控系統(tǒng)的實現(xiàn)，保證系統(tǒng)的迅速穩(wěn)定。

　　3)動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥調(diào)試工作量非常小，加速安裝周期，系統(tǒng)改造、擴建時可以免調(diào)試，同時能方便的修正實際和設(shè)計工況之間的差異。