基于 VAV-TRAV 的城市轨道空调系统讨论
摘 要：城市发展越来越快，生活节奏日益加速，城市轨道交通迅猛发展。然而，其每公里数亿元的轨道建设投资以及投入运营后的巨大能耗所带来的矛盾日渐突出。经调查发现：通风空调系统是轨道交通的耗能大户，北京地铁运行中 31％的能耗是用于通风空调，在南方城市更高，有些城市甚至达到 50％。传统通风空调系统占用的巨大投资和运行能耗已成为制约轨道交通发展的重要因素之一。因此，如何在传统城市轨道交通空调系统基础上加以改造从而减少用于通风空调的能耗，达到科学发展城市交通，绿色建设城市的目的就显得异常重要。
关键词：城市轨道；VAV-TRAV；网关控制
目前，国产化地铁车辆通风系统每辆车两端分别安装一台车顶单元式空调机，每辆车设一台空调控制器控制两台空调机的正常运行。新风吸入口设在空调机两侧，并设有防水侵入和防尘过滤系统。空调机前端设有两出风口，车内顶部设送风道，与空调机出风口连接。风道形式为静压送风道，保证冷热空气能够均匀送出使得车内温度均匀。机组底部设有回风口。车内空气从车两端空调机底部平板上回风进入机组。车内排气口设在两侧座椅下，多与空气通过排气口进入侧墙板夹层到达车顶。
对于空调系统而言，水泵、冷机、风机是主要耗能设备。要想降低空调系统能耗，只能从这些设备着手。本质上，空调系统的总能耗最终是由室内达到的温湿度环境决定的，即空调系统的能耗维持整个车站温湿度与室外温湿度的差。因此要想降低空调系统能耗，必须从合理的室内温湿度环境上进行分析研究。最理想的模式就是任何情况下所供给的等于所需求的。
1 VAV－TRAV 系统简介
变风量空调的基本原理正是通过改变送入室内的风量及温度来满足整个车站人员对室内不同温湿度的要求，同时自动地适应室外环境对车站建筑物内温湿度的影响，真正达到所供即所需。
VAV（Variable Air Volume，变量风控制系统）。在空气调节系统中，为了应对末端负荷的变化，在输冷/热介质流量不变的情况下，通过改变风量来调整需要冷/热量的输送以满足变化的需求。
向车体内送入室内的冷量：
Q = CρL（t n -t s） （1）
式中：C 为空气比热容，kJ/(kg·℃)；ρ 为空气密度，kg/m3；L 为送风量，m3/s；tn为室内温度，℃；ts为送风温度，℃；Q 为吸收（或放入）室内的热量，kW。
如果把送风温度设为常数，改变送风量 L，也可得到不同的 Q 值，以维持室温不变。空调系统的VAV 末端按变风量的工作原理设计。当空调送风通过 VAV 末端时，借助于车体内温控器，控制末端进风口多叶调节风阀的开闭，以不改变送风温度而改变送风量的方法，来适应空调负荷的变化，送风量随着空调负荷的减少而相应减少而相应减少，这样可减少风机和制冷机的动力负荷。
当系统送风量达到最小设定值，而仍需要下调室内空气参数时，可直接通过加热器再热，或启动一台辅助风机，吸取吊顶中的回风，送入末端机组内，与冷气流混合后一起通过加热器再热后送入房间，达到维持室内空气参数的目的。
对于变风量系统控制方式总体上可以分为三种：定静压控制，变静压控制，总风量控制。
1.1 VAV 系统的几大优势
（1）节能
在 VAV 变风量空调系统中，空调机组实际的总送风量是按每个车厢各时间段负荷总和的最大值来计算的。在运行中，当车厢空调负荷降低时，VAV未端的送风量就会减少，其空调机组的送风量自然也会相应减少。由于一幢建筑的空调负荷（尤其是冷负荷）在全年中只有大约 5％的时间会出现满负荷情况，其余时间均是在低负荷工况下运行的，因此，其全年运行的能耗大大降低。
在传统的定风量系统中，新风量是固定不变的，送风温度也只是冬夏季节时各自统一，在 4、5、10月等过渡月份里，仍须开制冷机组供冷，VAV 系统属于全空气系统，过渡季可直接利用新风来保证室内温度，其节能意义是显而易见的。
（2）舒适性
由于每个末端装置可自配温度控制器，能根据所控制区域温度的变化或个人的要求，自行设置、调节环境温度和送风量，实现各局部区域的独立控制，从而避免了局部过冷或过热现象的产生，实现人体对于舒适环境的要求，在城市轨道交通内，这一温度控制器可由列车乘务员管理。
（3）设备噪音降低
VAV 系统通过在风道上以及 VAV 末端和风口上设置消声设备来达到降低噪音的效果。而且由于使用了变风量系统，当负荷下降时，空气处理设备（风柜）风机转速的改变（降低），风管内风速也会下降，噪音也会成倍降低，为市民营造出一个舒适的交通环境。
1.2 TRAV 系统原理
由于VAV技术的快速发展，特别是有关的DDC和网络技术的发展，美国学者提出了 TRAV 的新概念，TRAV（Terminal Regulated Air Volume，末端调节的变风量系统）和 VAV 一样，也是一种变风量系统，通过调节风量来创造舒适环境，但 TRAV 不采用 VAV 中的静压调节，而由末端装置直接控制送风机，TRAV 基于末端装置实时的风量需求，采用先进的控制软件，实施对送风机的控制，在传统的VAV 系统里，当负荷下降并导致流量减少时，末端风阀关小以节流，管道内静压保持不变；而在 TRAV系统中，在相同的情况下，末端风阀保持打开，而管道静压降低，于是在相同的流量下，TRAV 系统所要求的风机功率要低得多，当流量降为额定流量的 50％时，TRAV 所要求的风机功率已下降到额定功率的 15％以下。TRAV 是建立在“高性能设计”、“集成控制”和“动态控制”等概念的基础上的。
（1）动态控制
是指有预测的、随时间而变化的控制，就房间的热状态来说，它不要求时时热平衡从而保持房间状态于某一“点”，而是充分考虑各种热因素的相互作用从而保持房间在某一个舒适范围。
（2）集成控制
指设定点的计算和控制决定被安排在控制级以上进行，控制器只是简单地用于保持当前的设定值，在高性能控制中不使用控制器的重新设定和串级控制器，这样做的目的是可以集中、统一地考虑与HVAC（Heating Ventilation Air Conditioning，暖通空调）系统有关的各种因素，避免传统方法中各分立模块独立运行可能导致的相互冲突，而且有可能最大限度地利用自由冷源（热源）和建筑物本身的蓄热放热作用，因此，集成控制将使系统更稳定，而且更舒适、更节能。
（3）高性能设计
要求精心地计算和分析各系统冷热负荷和水力状况的动态变化情况，并深入地了解设备产品、DDC控制器以及网络特性，并在此基础上设计和调试高舒适低能耗的系统。
2 VAV－TRAV 网关控制系统讨论
经过对 VRV 空调系统控制产品的深入了解，发现相当多的 VRV 产品制造商都已相继开发出了基于 BACnet 协议专用网关的接口设备，可以满足作者将 VRV 空调系统纳入城市轨道系统中的设想。
VRV 末端设备的运行状态是通过 BACnet 网关接口上传信号至轨道交通控制中心的 BAS 或 BMS系统，中心经该网关接口下传信号（如初始值设定、控制参数设定等）至末端设备，并对整个 VRV 空调系统实行系统管理。经对这二个系统的集成，在中央控制中心可以对 VRV 空调系统实现以下功能：
（1）室温监视；
（2）温控器状态监视；
（3）压缩机运转状态监视；
（4）室内风扇运转状态；
（5）空调机异常信息；
（6）ON/OFF 控制和监视；
（7）温度设定和监视；
（8）空调机模式设定和监视（制冷/制热/风扇/自动）；
（9）遥控器模式设定和监视；
（10）滤网信号监视和复位；
（11）风向设定和监视；
（12）额定风量设定和监视；
（13）强迫温控器关机设定和监视；
（14）能效设定和设定状态监视；
（15）集中/机上控制器操作拒绝和监视；
（16）系统强迫关闭设定和监视。
配置了独立控制管理系统的控制方式、基于BACnet 协议网关的 VRV 空调系统控制线路从控制形式上均属于集中控制管理方式，其控制方式是建立在建筑物一体化智能控制管理平台上，可以与其它弱电系统实现联动控制功能，其优越性就更明显。
3 设计中需要考虑的问题
（1）噪声
在变风量系统中，比较大的噪声源除了送、回（排）风机外，还在变风量末端装置，流过末端装置入口的风速都比较高。因为压力无关型的变风量末端装置都带有风速测量传感器，这些传感器一般要求风速高于一定数值才能保证测量准确。一般的节流型末端装置是靠调节阀片开度来改变风量的，当入口调节阀片关小时，流经阀片的风速也增加了，所以，入口调节阀片处是末端装置产生较高噪声的一个主要来源。另处，如果采用带风机的末端装置，该风机也是一个产生噪声的根源。
（2）新风
一定的新风量直接送入空调器与回风混合，再由末端装置分配送入各个车厢。由于新回风比例在一定时期是固定的，当某一车厢冬季的负荷降低而引起送风量的减少时，其送入车厢内的新风量也势必减少，由于使用冬季空调时，含新风的一次风量只为定最小值，在实际运行控制时，为了尽量减少外区的末端装置对空调送风再加热而与一次冷风造成的冷热抵消，往往将冬季一次风量最小值设定得过小，从而造成房间缺少新风，车内人员感到憋闷。故在这些车厢内，应适当提高末端最小风量与最大风量之比（变风量比），以提高足够的新风所需。如在一些内外区连通的空间场合，由于内外区的空气可以自由流通，则可适当降低变风量比，减少一次风的冷热抵消量，以达到节能效果。
（3）气流组织
在一些南方地区，冬季空调运行时外区的热负荷较小，故外区的末端装置设计采用电加热。由于采用了电加热器，它设有热水盘管所产生的额外空气流通阻力，因此采用无风机的末端装置也较多，此时，因设有风机的恒定送风量的作用，须仔细分析气流组织，合理布置周边空调送风口，一般应采用条缝型风口靠外窗布置为好。避免如同内区所采用的方形平面散流器的布置形式。同时，可适当提高末端装置设定的变风量比。
（4）温度控制
空调系统设计中应尽量避免同一个末端装置的送风口跨分隔布置。因为末端装置的送风量是根据感温器所测温度与房间温度设定值之间的差值来控制的。当同一个末端装置的送风品跨度分隔布置时，感温器只能感知一个房间的温度，如不同房间的负荷变化不相同时，则势必会造成不同房间的实际控制温度的偏差。在冬季空调运行时，如在一些内外区连通的大空间场合，可考虑外区的设定温底低于内区 2～3 ℃。这样，有利于内区产生的部分富裕热量传至外区，承担外区的部分热负荷，从而达到空调运行时的节能作用。
4 总结
空调系统是城市轨道交通耗能大户，采用 VAV－TRAV 技术是减少能耗的有效途径，但是我国在此领域发展滞后，加上空调系统的非线性，增加了该课题研究的难度。
京公网安备 11010202007575号