前言
地铁作为城市交通中高速、快捷、便利的代表，在缓解各大城市交通问题方面发挥着至关重要的作用。然而，由此产生的节能降耗问题也引起了广泛关注。在城市交通中，地铁运营能耗巨大，在一定程度上制约了地铁的快速发展。其中，地铁环控系统的能耗占地铁运营总能耗的30%~40%。因此，进一步优化地铁空调水系统的设计和运行，采取可行的节能措施，对地铁的经济运行具有重要意义。
由于空调水系统在变水量运行过程中的流量调节，不仅管道的水压不断变化，而且各终端设备供回水管之间的压差也不断变化。不仅系统总供水量变化，其他终端设备或其他环路供水量也变化，因此实时调节和动态平衡是实现系统节能的关键。动态平衡功能是指当任何终端设备负荷变化需要电动调节阀动作时，无论系统压力如何变化，调节阀都能有效调节水量，实现准确的温度，相互干扰，实现动态系统平衡，使系统负荷在输出和需求上始终保持最佳匹配，处于最经济的运行状态。动态平衡电动调节阀能有效解决上述问题，不受管网压力波动的影响，始终保持工作压差范围内设定的水量。
1 空调水系统不匹配
目前，国内地铁空调水系统的设计和运行存在许多不匹配，原因如下：
1)主要不匹配:大马拉车
图1 主要不匹配
A.机组按照建筑物最大热负荷的110%～120%设计；
B.根据空调机组的额定工况，冷冻水泵和冷却水泵匹配；
C.终端系统按总负荷110%~120%匹配。
2)次要不匹配:温差小，流量大
图2 次要不匹配
季节/昼夜/末端负荷变化→主机进出水温差2℃～3℃。
2 空调水系统控制分析
以广州地铁某线号为例，采用集中冷站提供冷源，末端支路设置二通阀和压差传感器控制流量。下图3为集中冷站原理图。
图3
集中冷站设置在大学城南站，冷站的输水系统按泵组划分共有二条支路：
1号支路:5台水泵，4台调速泵(同型规格)，1台定速泵。用户是大学城南站和官洲站。
2号支路:3台水泵，其中2台调速泵(同型规格)，1台定速泵。用户是大学城北站。
上述两个支路由两组水泵供水，形成两个管网系统。两个管网系统根据车站的不同需要完成冷冻水的输送任务。
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空调水系统末端原理图如下图4所示：
图4 空调水系统末端原理图
变频端支路中，变频泵采用最不利终端压差的恒定监控方法进行调节和控制。
控制基点：根据水系统现状，压差传感器已安装在大系统末端空调机组的压差ΔPab。
控制范围：ΔPab不低于满载条件时的满载条件ΔPabmin。
调节方法：压差-变频器频率PID调节。
调试记录如下：
官洲站1号支路AHU—02是最不利的终端。
官洲站：
表1
表中：a b=32.37m3/h，c d=19.91m3/h
大学城南站：
表中：a b=33.33m3/h
2号支路，大学城北站AHU—01是最不利的终端。
表2
变频泵通过满负荷条件调试进行PID自动调整实现了终端用户的使用压差始终高于最小压差，保证了每个用户的水压差。通过最不利终端压差的恒定，实现了最不利终端达到设计流量所需的最大流量。同时，其他支路流量将超过设计流量，形成部分能量损失，管网压力对各支路终端影响很大，影响水力平衡。
在地铁变水系统的终端设备中，动态平衡电动阀是解决变水系统动态失衡、真正节能稳定运行的最佳方案。
3 电动阀动态平衡性能分析
阀门流量可按下式计算：
式中：Q-流经阀门的流量，
K，-阀门的循环能力对应于阀门的开度；
阀门前后的压差，bar。
该公式与阀门的开启度和阀门前后的压差有关，控制系统根据负载变化向阀门输出相应的信号，以实现相应的流量。因此，只要阀门前后的压差能够恒定调整，流量变化就可以完全由阀门开度决定，即与负载变化对应，而不受其他阀门开关的系统压力波动的影响，从而达到动态平衡的效果。任何支路的调整都不会干扰其他支路，任何支路都不会受到其他支路调整的影响。
在空调水系统中，为了达到良好的控制效果，调节阀的最佳特性应为等百分比特性，也称为对数特性，也称为阀的理想特性曲线。如果空调系统不能保持调节阀开度与空调散热之间的良好线性关系，则会导致频繁的温度波动，系统稳定时间过长。
动态平衡电动调节阀不同于传统的电动二通阀，是动态平衡与电动调节一体化的产品，动态压差平衡阀直接恒定电动调节阀两端的压差，可实现整个调节过程中调节阀两端的压差，即阀权始终为1，可实现其理想的特性曲线，从而达到理想的温度控制效果。动态平衡电动阀流量与阀两侧压差的关系曲线见图5。从图中可以看出，为了达到所需的流量，需要满足最小的工作压差。当调节阀芯开度一定时，整个阀两端的实际压差小于最小工作压差时，流量随阀两端压差的增加而增加。
图5
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4 改进措施
为解决上述问题，苏州轨道交通1号线空调水系统在各支路安装动态平衡电动调节阀，各支路通过动态平衡电动阀调节目标区域的回风温度。每组动态平衡电动调节阀由动态阀组成CV216GG（DNXX）和静态阀STAF（DN80）组成。通过静态平衡阀的调节，系统中各管道的流量比与设计流量一致，使当系统总流量等于设计总流量时，各终端设备和管道的流量也达到设计流量所需的最大流量，系统实现水力平衡。配置适当的动态阀后，支路在设计流量状态下运行。如果平行外网在一定范围内（阀门有效范围）变化，不会通过设备流量变化，一方面可以确保机组在额定状态下运行，设计值恒定流量，保护机组，另一方面提高机组运行效率，使系统运行水温正常。
以苏州轨道交通1号线塔园路站为例，下图6为塔园路站空调水系统部分支路原理图。
图6 塔园路站支路
在空调水系统中，由于功能不同，大系统和小系统所需的温度也不同。小系统1支路（AHU-B101支路要求环境温度为36℃，小系统2、3支路（AHU-B201支路要求环境温度为27℃，动态平衡电动阀根据设定温度的要求和实际测量的回风温度变化，实时调节流量。当小系统2、3支路达到设定温度时，支路动态平衡阀BV-4的开度保持不变，以输出恒定的流量。此时，如果小系统1支路的回风温度低于设定温度，则动态平衡小系统1支路的电动阀BV-3关小，减少流过空调机组AHU-B101冷水量降低制冷量，回风温度升高，达到设定温度。同时，供回水管之间的压差会增加。由于动态平衡阀的固定压差，其他支路的流量不变，制冷量不变，其他支路仍处于平衡状态，不受系统压差变化的干扰。
5 结语
通过上述控制方式在苏州轨道交通一号线中的实际使用，我们认为：
1)安装在空调终端设备回水管上的动态平衡电动调节阀不仅可以实时调节水量，还可以实时保证调节水量的恒定，避免了阀门调节引起的压差变化引起的相互干扰，相应降低了能耗。
2)动态平衡电动调节阀提供良好的阀权，保证线性散热控制系统的实现和系统的快速稳定。
3）电动调节阀的动态平衡调试工作量很小，安装周期加快。系统改造扩建时可避免调试，实际设计条件差异可方便纠正。
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