引言地铁运营有效地缓解了城市的交通压力，但在运行时产生巨大的能源消耗。地铁通风空调系统的能耗占地铁运行总能耗的25%~35%，水系统能耗高达系统总能耗的60%~65%[1-3]。研究冷却水系统的节能控制对整个地铁站的节能降耗具有重大意义。张静波[4]等结合工程实例，按照不同负荷率设置了4种工况，分别分析4种工况下一次泵冷却水变流量系统的能耗，最适流量为60%~100%。王峰[5]以成都某地铁车站为研究对象，借助SES模拟软件分别研究车站逐时冷负荷的计算方法和变频控制技术，确定风机变风量和水系统变水量的控制方案，发现两种变频控制条件下均可以获得较高的节能率。Zhou[6]等针对中央空调系统变工况时FCU、水泵和风机的运行与实际运行负荷不匹配问题，提出基于终端测温和变频控制技术的中央空调节能控制系统。采用理论分析与模拟研究方法，研究系统在冷却泵变频结合冷却塔风机变频策略下的节能率。1变流量控制方法冷却水变流量的控制策略包括温度控制和温差控制。空调系统中单个设备变频运行时，采用两种控制策略中的一种；设备均变频运行时，两种控制策略应组合使用[7]。1.1温度控制冷却水系统温度控制如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F001图1冷却水系统温度控制通过控制冷却水出水温度实现冷却水泵变频运行，或通过控制冷却水出水温度实现冷却塔风机变频运行。冷却塔出水温度控制受室外湿球温度的限制，设定出水温度时应充分考虑制冷机组的运行情况。1.2温差控制冷却水系统温差控制如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F002图2冷却水系统温差控制通过控制冷凝器两侧温差控制冷却水泵变流量，调节冷却塔进出水温差，实现冷却塔风机变流量控制[8]。2系统描述与水系统建模2.1工程概况以郑州市某地铁车站的空调冷却水系统为研究对象，车站主体建筑面积18 829 m2，车站大系统由站厅层、站台层和1号出入口组成，建筑面积共5 473.7 m2；小系统由a101、b101、b201和b301共4个系统组成，建筑面积共1 444.8 m2。车站供冷季的冷负荷为974.4 kW，选择两台单机制冷量为498.0 kW的螺杆式冷水机组，设置冷冻水泵、冷却泵、冷却塔各两台。其中，冷却泵的流量为117 m3/h，扬程为29 m（H2O），功率为15 kW；冷却塔的循环水量为138 m3/h，功率为8 kW。冷却水供水温度与回水温度分别为37 ℃和32 ℃。2.2基于TRNSYS的水系统建模2.2.1水泵数学模型的建立水泵被分为定频泵和变频泵，定频泵的电机频率恒定，冷却水基础模型采用定频泵模块进行仿真模拟。水泵以额定工况运行，水泵扬程、功率与流量间的关系：H=a0+a1G0+a2G02 （1）η=b0+b1G0+b2G02 （2）式中：H0——额定状态下水泵扬程，m；G0——额定运行的水泵流量，m³/s；a0，a1，a2，b0，b1，b2——额定状态下水泵扬程和流量的关系值。2.2.2冷却塔换热数学模型的建立本车站选用逆流式冷却塔，参考逆流式换热器的近似表示方法，建立逆流式冷却塔的总换热数学模型[9]：Q=εama(ha,w,i-ha,i) （3）式中：Q——冷却塔总换热量，kW；εa——传热效率；ma——空气质量流量，kg/s；ha,w,i——冷却水入口湿空气焓值，kJ/kg；ha,i——空气入口处空气焓值，kJ/kg。2.2.3空调水系统仿真平台的搭建假设风侧系统为理想末端，重点研究水侧系统。结合典型的车站空调系统配置情况，每日模拟运行时间为6：00至23：00，根据各设备的选型数据完成模块参数的设定，基于Trnsys仿真模拟平台完成各部件的连接并建立车站空调基础水系统仿真模型，如图3所示。冷水机组部分负荷率模拟结果如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F003图3车站空调基础水系统仿真模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F004图4冷水机组部分负荷率模拟结果水系统基础模型中，各设备均以额定工况运行，地铁车站的空调系统长时间在部分负荷率下运行，不采取变频控制的节能措施将产生巨大的能量浪费。水系统基础模型供冷季设备能耗统计如表1所示。水系统模拟运行总能耗为196 395 kWh，冷水机组的能耗占比高达48.47%，冷却塔能耗占比为10.85%，冷冻泵与冷却泵的能耗占比均为20.34%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.T001表1水系统基础模型供冷季设备能耗统计设备名称总能耗合计196 395冷水机组95 202冷冻水泵39 944冷却水泵39 944冷却塔21 305kWh3冷却泵变频结合冷却塔风机变频策略分析3.1建立冷却塔能耗数学模型冷却塔作为空调水系统中至关重要的换热设备，主要依靠位于冷却塔上端的风机带来的流动空气与冷却水回水进行换热，通过风冷降温的方式完成热量交换。冷却塔风机的控制方式主要包括针对风机进行变频控制和多风机系统控制。对风机进行变频控制，以冷却水的出水温度作为受控对象，通过判断出水温度是否偏离设定值控制风机频率。基于冷却塔换热的数学模型，搭建基于冷却塔风机变频的能耗模型，冷却塔风机功率为：P=Prated(a0+a1γ+a2γ2+a3γ3+a4γ4+⋯) （4）式中：P——风机运行功率，kW；Prated——风机额定功率，kW；γ——风机控制信号；a0、a1、a2、a3、a4——多项式系数。3.2PID控制器PID控制器根据设定值与输出值的偏差进行控制量计算，将设定值r与实际输出值y做差，得到系统瞬时误差e，进行比例、积分、微分运算，将运算结果通过线性组合的方式构成控制量。PID控制系统结构[10]如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F005图5PID控制系统结构PID控制规律为：u=Ke+1Ti∫0tedt+Tddedt （5）PID控制器是积分、微分、比例控制三个参数相互作用的和。其中，比例系数与控制系统产生的偏差成比例反映；积分调节主要用于消除系统的静态误差；微分调节主要用于反映偏差信号的变化趋势，可以阻止偏差发生变化，调整系统的输出（偏差太大可对其进行修正），微分调节有助于减小稳态时刻的超调量和波动幅度，使系统输出的曲线较平稳，减小曲线波动幅度，使曲线快速趋于平衡。4冷却泵变频结合冷却塔风机变频策略能耗分析4.1变频策略下建立系统仿真模型系统采用冷却水侧变频、冷冻水侧定频的控制方案。将冷却塔出口温度作为PID控制器的控制变量，在PID中输入控制参数以调节比例系数和积分时间，通过冷却泵变频控制结合PID控制器综合控制冷却塔的出口温度，达到空调冷却水系统变频节能的效果。建立控制策略下的系统模型时，为保证机组的安全运行，将流经机组的最小水流量设定为水泵额定水流量的30%。冷却泵变频结合冷却塔风机变频水系统模型如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F006图6冷却泵变频结合冷却塔风机变频水系统模型4.2模拟结果分析对冷却水系统各设备能耗以及系统总能耗进行仿真模拟，观察冷却泵与冷却塔的变频效果，分析系统节能率。冷却水泵和冷却塔逐时运行能耗如图7、图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F007图7冷却水泵逐时运行能耗10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.F008图8冷却塔逐时运行能耗由图6、图7可知，系统运行时冷却泵与冷却塔的逐时能耗均发生变化，低负荷段冷却泵为系统提供的水流量较少，冷却泵和冷却塔的逐时能耗较小；高负荷段为了满足末端冷量需求，冷却泵几乎满负荷运行，运行的逐时能耗较大，表明冷却泵与冷却塔在系统运行时均起变频效果，各设备在仿真模拟过程中均正常运行，与设计思路相符。冷却泵变频与冷却塔风机变频水系统供冷季设备能耗如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.006.T002表2冷却泵变频与冷却塔风机变频水系统供冷季设备能耗设备名称总能耗合计166 477冷水机组95 556冷冻水泵39 944冷却水泵15 354冷却塔15 623kWh由表2可知，采用变频控制策略的系统整体节能率达15.23%，变频处理的冷却泵能耗为定频能耗的38.44%，风机变频控制下冷却塔的节能率高达26.67%，冷水机组的能耗提升0.37%，但系统整体耗能降低效果明显，采用控制策略的水系统在满足末端冷量需求的前提下取得显著的节能效果。5结语基于郑州市某地铁车站的空调系统，冷却水系统采取冷却泵变频与冷却塔风机变频相结合的控制策略，借助PID控制器对冷却水出水温度进行控制，利用Trnsys建立控制策略下的水系统模型，计算系统中各设备的运行能耗，与基础水系统的模拟结果进行对比分析，采用控制策略的系统的节能率为15.23%。