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重要的作用。但是由此所引發的節能降耗問題也受到了人們的廣泛關注。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展。而其中地鐵環控系統的能耗占了整個地鐵運營總能耗的30%～40%。因此在地鐵空調水系統的設計、運行等許多環節上進一步優化，采取可行的節能措施，將對地鐵的經濟運行具有十分重要的意義。

　　空調水系統在變水量運行中由于流量的調節，不但管路的水壓時時發生變化，而且各末端裝置的供回水管之間的壓差也每時每刻地發生變化。不但系統總供水量發生變化時要變化，其他一些末端裝置或其他一些環路供水量發生變化時也要變化，因此變流量系統的實時調節和動態平衡是實現系統節能的關鍵。動態平衡功能是指當任何末端設備負荷變化要求電動調節閥動作時，不論系統壓力如何變化，各調節閥門都能夠很有效地進行水量的調節從而實現精確的溫度，互不干擾，實現動態地系統平衡，使系統的負荷在輸出和需求上始終保持最佳的匹配，處于最經濟的運行狀態。動態平衡電動調節閥能有效地解決以上問題，此閥門不受管網壓力波動的影響，在工作壓差范圍內始終保持設定的水量。

1 、空調水系統的不匹配

　　目前，國內地鐵空調水系統在設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%設計;

　　B.冷凍水泵、冷卻水泵按空調機組額定工況匹配;

　　C.末端系統按總負荷量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/晝夜/末端負荷變化+水泵定流量→主機進出水溫差2℃～3℃。

2、空調水系統控制分析

　　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

　　集中冷站設置在大學城南站，冷站的輸水系統按泵組劃分共有二條支路：

　　1號支路：水泵5臺，其中調速泵4臺(同型規格)，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，其中調速泵2臺(同型規格)，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，構成兩個管網系統。這二個管網系統根據車站的不同需求，完成冷凍水的輸送任務。

　　空調水系統末端原理圖如下圖4所示：

圖4 空調水系統末端原理圖

　　在末端支路中，采用“最不利末端壓差”恒定監控方式對變頻水泵進行調節控制。

　　控制基點：結合水系統現狀實際已經安裝了壓差傳感器的地方，大系統末端空調機組壓差ΔPab。

　　控制范圍：ΔPab不低于滿負荷工況時的ΔPabmin。

　　調節手段：壓差—變頻器頻率PID調節。

　　調試記錄如下：

　　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

　　通過滿負荷工況調試，變頻泵做PID自動調節，實現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，實現了最不利末端達到設計流量即所需的最大流量。同時其他支路流量均會超過設計流量，這就形成了部分的能量損耗，且管網壓力對各個支路末端影響很大，水力平衡也會受到影響。

　　在地鐵變水量系統的末端設備中，使用不受管網壓力波動的流量控制閥即動態平衡型電動閥來控制水量，是解決變水量系統動態失調，真正節能、穩定運行的最佳方案。

3、動態平衡電動閥的性能分析

　　經過閥門的流量可按下式計算：

　　式中：Q-流經閥門的流量，

　　K，-閥門的流通能力，與閥門的開度相對應;閥前后的壓差，bar。

　　由公式得經過閥門的流量大小與閥門的開啟度及閥前后的壓差有關，而控制系統則根據負荷變化向閥門輸出相應信號調節閥門的開度，從而達到相應的流量。因此只要能恒定調節閥前后的壓差，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影響產生的系統壓力波動的影響，從而達到動態平衡的效果。任何一個支路的調節都不會對其他支路產生干擾，同時任何一個支路都不會受到其它支路調節的影響。

　　在空調水系統中，為了達到良好的受控效果，最佳的調節閥的特性應是等百分比特性，也稱對數特性，此曲線也稱閥門的理想特性曲線。一個空調系統如果不能夠保持調節閥開度和空調器散熱量之間的良好線性關系，則會造成溫度波動頻繁，系統穩定時間過長。

　　動態平衡電動調節閥區別于傳統的電動二通閥，是動態平衡與電動調節一體化的產品，動態壓差平衡閥直接恒定電動調節閥兩端的壓差，可實現調節閥兩端的壓差在整個調節過程恒定，即閥權度始終為1，可實現其理想特性曲線，從而實現理想的溫控效果。動態平衡電動閥在不同開度時的流量與閥門兩邊壓差的關系曲線見圖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，當調節閥芯開度一定時，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。只有當調節閥芯的開度發生變化時，流量才發生變化。

圖5 動態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號線空調水系統在各支路加裝動態平衡電動調節閥，每個支路通過動態平衡電動閥來調節目標區域的回風溫度，每組動態平衡電動調節閥由一個動態閥CV216GG(DNXX)和靜態閥STAF(DN80)組成。通過靜態平衡閥的調節作用，使系統中各個管路的流量比值與設計流量的比值一致，這樣當系統的總流量等于設計總流量時，各個末端設備及管道的流量也同時達到設計流量即所需的最大流量，系統實現水力平衡。配置了適當的動態閥后，支路均運行在設計流量狀態。如果并聯的外網由于變動而造成壓力的變化在一定范圍內(該閥門有效范圍)，不會造成流經該設備流量的變化，一方面可以保證機組在額定狀態運行，將流量恒定在設計值，從而保護機組，另一方面提高機組的運行效率，使系統運行的水溫正常。

　　以蘇州軌道交通1號線塔園路站為例，下圖6為塔園路站空調水系統部分支路原理圖。

圖6 塔園路站支路

　　在空調水系統中大系統、各小系統因功能不同所要求的溫度也不同，小系統1支路(AHU-B101支路)要求環境溫度為36℃，小系統2、3支路(AHU-B201支路)要求環境溫度為27℃，按照設定溫度的要求和實際測量的回風溫度變化，動態平衡電動閥實時地進行流量調節，當小系統2、3支路達到設定溫度時，該支路的動態平衡閥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1支路的回風溫度低于設定溫度，則將小系統1支路的動態平衡電動閥BV-3關小以減少流過空調機組AHU-B101的冷水量，使制冷量減少，回風溫度升高，達到設定溫度，同時供回水管之間的壓差會增大，由于動態平衡閥的定壓差作用，使得其他支路的流量不發生變化，制冷量不變，其余支路仍處于平衡狀態，不受系統壓差變化的干擾。

5、結語

　　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)動態平衡電動調節閥安裝在空調末端設備的回水管上，既可實時調節水量，又可實時保證所調水量恒定，避免了由于閥門調節帶來的壓差變化產生的相互干擾等動態失調現象，相應降低了能耗。

　　2)動態平衡電動調節閥提供良好的閥權度，確保線性散熱受控系統的實現，保證系統的迅速穩定。

　　3)動態平衡電動調節閥調試工作量非常小，加速安裝周期，系統改造、擴建時可以免調試，同時能方便的修正實際和設計工況之間的差異。