周爽
(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000)
近年來,隨著我國城市規(guī)模的不斷擴大,城市軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,行業(yè)能耗巨大。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占地鐵運行總能耗的30%,而在空調(diào)系統(tǒng)能耗中,約60%~80%的能耗消耗在制冷機房系統(tǒng)內(nèi)。目前我國地鐵車站制冷機房電冷源綜合制冷性能系數(shù)(SCOP)為2.5~3.0左右,節(jié)能潛力大。在節(jié)能減排的時代背景下,提高地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的效率,可以有效降低地鐵運行能耗,節(jié)省運行費用,具有巨大的社會經(jīng)濟效益。為提高冷水機房綜合制冷性能系數(shù),減少地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行能耗,本文研究了在某地鐵車站采用磁懸浮高效冷水機房的方案。
冷水機組是制冷系統(tǒng)的核心設(shè)備,設(shè)計高效冷水機房首先要保證冷水機組的高效。本方案選用2臺同容量的磁懸浮離心式冷水機組設(shè)置在車站大端冷水機房。磁懸浮離心式冷水機組利用磁懸浮軸承,通過磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中,使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機械接觸,避免了直接接觸所帶來的機械摩擦損耗。與傳統(tǒng)冷水機組相比,磁懸浮冷水機組制冷量調(diào)節(jié)范圍更廣。傳統(tǒng)離心機組通常采用動壓軸承,為了維持最小油膜厚度,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能太低。而磁懸浮機組無增速齒輪,因此,部分負荷下的運行性能好,綜合部分負荷性能系數(shù)(IPLV)高。綜合部分負荷性能系數(shù)(IPLV)是基于機組部分負荷時的性能參數(shù)值,按機組在各種負荷條件下累積負荷百分比進行加權(quán)計算獲得的表示空氣調(diào)節(jié)用冷水機組部分負荷效率的單一數(shù)值。根據(jù)可查的實驗結(jié)果表明,在相同的條件下,相較于螺桿機組,磁懸浮機組的綜合部分負荷性能系數(shù)(IPLV)提升約42%,電機功耗降低約30%,設(shè)備能耗、電費降低約30%,節(jié)省運行費用約30%。
通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備能耗約占系統(tǒng)總能耗的30%,提高末端設(shè)備的效率對于提高系統(tǒng)總能效具有重要意義。本方案大系統(tǒng)組合式空調(diào)機組、小系統(tǒng)空氣處理機組風(fēng)機段采用EC風(fēng)機代替AC風(fēng)機。EC風(fēng)機指采用了EC電機的離心風(fēng)機,EC電機為內(nèi)置智能控制模塊的直流無刷式免維護型電機,具有以下優(yōu)勢:①結(jié)構(gòu)緊湊,配置簡單:EC風(fēng)機無皮帶傳動損耗及皮帶更換費用,集成度高,無需變頻器,接線及現(xiàn)場調(diào)試簡單,安裝、維護更加便捷。采用EC風(fēng)機可使空調(diào)器風(fēng)機段減少長度200mm;②高效節(jié)能:采用機翼型葉片,氣流損失低,效率高,穩(wěn)定性好;電機調(diào)速范圍廣;出風(fēng)氣流均勻,阻力損失??;無需強制冷卻,利用氣流降溫,可延長電機壽命,同時減少強冷風(fēng)扇耗電;③高可靠性:EC外轉(zhuǎn)子電機因為風(fēng)葉均勻受力于電機軸,軸承可免于維護;④備用性好:風(fēng)機可以設(shè)定提速補償損失風(fēng)量,系統(tǒng)無需停機維護,可避免由于系統(tǒng)停運造成的損失。
采用EC風(fēng)機的空氣處理機組,在運行管理得當?shù)那闆r下,能夠節(jié)省可觀的運行費用,同時可以增加管理維護的便利性。
車站冷凍水系統(tǒng)采用一次泵變流量閉式循環(huán)系統(tǒng)。冷凍水系統(tǒng)設(shè)置供、回水干管,將冷水機組制備出的冷凍水分別供給位于車站兩端環(huán)控機房內(nèi)的公共區(qū)組合式空調(diào)機組和設(shè)備管理用房空氣處理機組。取消分、集水器,在冷凍水供、回水干管間設(shè)置電動壓差旁通閥,通過調(diào)節(jié)閥的旁通作用,保證系統(tǒng)水量不小于單臺冷水機組允許的最小流量。大系統(tǒng)、小系統(tǒng)回水管路上設(shè)置電動二通調(diào)節(jié)閥,通過電動二通調(diào)節(jié)閥改變流經(jīng)大系統(tǒng)組合式空調(diào)器、小系統(tǒng)空調(diào)機組表冷器的水量來適應(yīng)空調(diào)負荷的變化。在水系統(tǒng)最不利環(huán)路的供回水管間設(shè)置壓差傳感器,控制水泵變頻,保證最不利環(huán)路的資用壓差足以克服該環(huán)路水阻。
冷凍水供回水溫度由傳統(tǒng)的12℃/7℃調(diào)整為17℃/10℃,冷凍水溫差由5℃提高到7℃,提高冷凍水供回水溫差可以減小該系統(tǒng)循環(huán)流量,有效減少水泵與管路的初投資,降低系統(tǒng)輸配能耗。
冷卻塔采用阻燃型超低噪聲橫流式冷卻塔,冷卻塔與冷水機組一一對應(yīng),管道采取干管制。冷卻塔不設(shè)調(diào)節(jié)水池。冷卻塔、冷卻水泵與冷水機組一一對應(yīng),不設(shè)備用泵;冷卻循環(huán)系統(tǒng)的水質(zhì)穩(wěn)定采用全程水處理裝置,并預(yù)留化學(xué)藥劑處理位置,系統(tǒng)水質(zhì)控制指標參照《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范(GB 50050—2007)》。
冷卻水供回水溫度由傳統(tǒng)的32℃/37℃調(diào)整優(yōu)化為30.5℃/35.5℃,同時在冷卻塔圍欄上布置溫濕度傳感器檢測室外氣象參數(shù),以降低為冷卻塔實際運行逼近度(經(jīng)過冷卻塔冷卻后的水溫與環(huán)境濕球溫度的差值),通過以上措施可有效節(jié)約冷卻水系統(tǒng)運行能耗。
冷水機房內(nèi)設(shè)備、管路布置應(yīng)符合工藝流程,便于安裝,便于操作管理,并應(yīng)預(yù)留設(shè)備檢修空間。同時應(yīng)使設(shè)備安裝緊湊,充分利用空間。冷水機房內(nèi)管路優(yōu)化以降低管路阻力為原則,管路管徑選擇根據(jù)經(jīng)濟流速選取。管路連接應(yīng)保證流向通暢,采用順水彎頭、順水三通代替對應(yīng)的直角管件。通過優(yōu)化管路布置、精細管路水力計算,冷凍水泵選型參數(shù)揚程由29m降低為20m,冷卻水泵選型參數(shù)揚程由27m降低為19m,這一措施可有效降低設(shè)備投資以及運行能耗,如圖1所示。
圖1 冷水機房設(shè)備及管路布置
采用冷水機房預(yù)制方案,采用工廠預(yù)制生產(chǎn),現(xiàn)場模塊拼裝。對冷水機房內(nèi)設(shè)備、管線進行三維設(shè)計,利用Revit軟件建模,建模范圍包括冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、水處理器以及機房內(nèi)冷卻水管、冷凍水管及其他附屬管件。BIM設(shè)計可優(yōu)化管路走向,進一步降低管路損失。優(yōu)化后機房布局合理,結(jié)構(gòu)緊湊,既節(jié)約空間又便于運營人員日常管理維護。通過對機房進行預(yù)制,可大大加快機房的施工速度,可將冷水機房施工周期由正常的15d左右縮短至48h。同時由于工廠化標準化生產(chǎn),施工質(zhì)量更有保障。在工廠對設(shè)備進行預(yù)調(diào)試,可縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。
空調(diào)冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)均采用變流量系統(tǒng)。冷凍水泵、冷卻水泵設(shè)置變頻裝置,根據(jù)車站冷負荷的變化變流量運行。車站設(shè)置風(fēng)水聯(lián)調(diào)智能控制系統(tǒng),聯(lián)合控制公共區(qū)大系統(tǒng)、管理房小系統(tǒng)和車站水系統(tǒng),以實現(xiàn)節(jié)能運行、監(jiān)控功能及連鎖保護功能??照{(diào)水系統(tǒng)由風(fēng)水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)控制,接受環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS系統(tǒng))的命令,與環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS系統(tǒng))互傳數(shù)據(jù)。
每臺冷水機組主機上冷凍、冷卻管上各設(shè)置一個溫度傳感器,冷凍、冷卻供水干管上設(shè)置一個流量傳感器,用于監(jiān)測每臺主機的流量分配、運行效率,為控制每臺主機運行在高效狀態(tài)點提供數(shù)據(jù)支撐。大系統(tǒng)空調(diào)器供回水管路上設(shè)置溫度、壓力傳感器,供水管上設(shè)置流量傳感器,小系統(tǒng)空調(diào)器供回水管路間設(shè)置壓差傳感器,用于監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),為環(huán)控系統(tǒng)的控制提供數(shù)據(jù)支撐。冷卻塔圍欄上布置溫濕度傳感器,用于檢測室外的氣象條件,確定冷卻塔的控制參數(shù)。冷卻塔的出水管設(shè)置溫度傳感器,用于在降低冷卻塔出水溫度的同時,合理控制冷卻塔風(fēng)機的頻率。風(fēng)機盤管支路設(shè)置平衡閥及相應(yīng)的溫度傳感器,用于控制冷凍水分水平衡,為實現(xiàn)冷凍水供回水在設(shè)計溫差下運行提供保障。
電冷源綜合制冷性能系數(shù)(SCOP)是設(shè)計工況下,電驅(qū)動的制冷系統(tǒng)的制冷量與制冷機、冷卻水泵及冷卻塔凈輸入能量之比,是衡量制冷系統(tǒng)的一項重要技術(shù)經(jīng)濟指標,電冷源綜合制冷性能系數(shù)(SCOP)大,表示制冷系統(tǒng)能源利用效率高。計算公式為:
其中:Q-冷水機組制冷能力,kW;W-制冷機房耗電量,kW,為冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔等設(shè)備耗電量之和。
在滿足功能需求的前提下,降低地鐵車站制冷機房內(nèi)能耗,既可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益,也可相應(yīng)國家節(jié)能減排號召,為城市的低碳出行、綠色出行提供有力保障。在設(shè)計實踐中,設(shè)計人員需要根據(jù)與時俱進的發(fā)展要求,確保地鐵空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好,提高服務(wù)品質(zhì),實現(xiàn)對空調(diào)能耗問題的科學(xué)應(yīng)對,從而節(jié)約資源,為軌道交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展注入活力。
通過優(yōu)化冷水機房內(nèi)設(shè)備的選型,優(yōu)化冷凍、冷卻水系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,精細化管道水力平衡設(shè)計,系統(tǒng)自動控制優(yōu)化設(shè)計等一系列技術(shù)措施,地鐵車站冷水機房電冷源綜合制冷性能系數(shù)(SCOP)可由傳統(tǒng)方案的5.0左右提高至6.5左右,可以達到十分顯著的節(jié)能效果,達到行業(yè)領(lǐng)先水平。