天津某地鐵車(chē)站高效制冷機(jī)房的節(jié)能技術(shù)分析研究

潘帥方

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司天津分院，天津 300000）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問(wèn)題越來(lái)越不可忽視，《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》中明確指出要更大力度強(qiáng)化節(jié)能減排，嚴(yán)格控制能耗強(qiáng)度。隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其節(jié)能運(yùn)營(yíng)也引發(fā)了越來(lái)越多的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年城軌交通總用電量達(dá)172 億kW?h，同比增長(zhǎng)12.9%，其中車(chē)站能耗88.4 億kW?h[1]。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)站地鐵車(chē)站全年能耗的總量的45%，具有較大節(jié)能空間。

地鐵站空調(diào)系統(tǒng)包括風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)。風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)區(qū)域可分為車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備及管理用房空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備為組合式空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)以及相關(guān)電動(dòng)閥，空調(diào)水系統(tǒng)的主要設(shè)備包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和相關(guān)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥[2]。

在工程設(shè)計(jì)中，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量一般按地鐵運(yùn)行遠(yuǎn)期最大負(fù)荷需求進(jìn)行選擇[3]。傳統(tǒng)的制冷機(jī)房設(shè)備機(jī)組均為定頻，沒(méi)有隨著冷負(fù)荷變化調(diào)節(jié)設(shè)備的能力，且自控系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)環(huán)境和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)水系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)智能控制，普遍存在冷量輸出過(guò)量、設(shè)備偏離高效運(yùn)行區(qū)間、運(yùn)行能效低等問(wèn)題。為達(dá)成機(jī)房節(jié)能目標(biāo)，集中空調(diào)高效制冷機(jī)房系統(tǒng)需針對(duì)系統(tǒng)各節(jié)能點(diǎn)進(jìn)行改造。天津某高效制冷機(jī)房采用超高效機(jī)組設(shè)備，采用全變頻系統(tǒng)，增設(shè)多處變頻器及變頻控制柜等，前期進(jìn)行能源模擬，根據(jù)模擬結(jié)果增設(shè)只能控制系統(tǒng)，形成開(kāi)機(jī)策略，節(jié)約運(yùn)行能耗。

2 項(xiàng)目概況

天津某地鐵站為地下2 層12 m 島式標(biāo)準(zhǔn)車(chē)站。車(chē)站長(zhǎng)為279.35 m，寬為20.7 m。地下1 層為站廳層，地下2 層為站臺(tái)層，站廳層公共區(qū)面積約2 210 m2，站臺(tái)層公共區(qū)面積約1 272 m2。車(chē)站設(shè)備及管理用房分別設(shè)置在站廳及站臺(tái)層的兩端。

高效制冷機(jī)房的設(shè)備采用永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組、變頻式水泵和變頻式冷卻塔等，優(yōu)化自控系統(tǒng)，通過(guò)風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制柜、水系統(tǒng)采集控制箱、現(xiàn)場(chǎng)采集控制箱、各類(lèi)傳感器等實(shí)現(xiàn)風(fēng)水系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房的高能效[4]。

3 高效制冷機(jī)房的能效評(píng)價(jià)方法

用于描述空調(diào)系統(tǒng)能效比的參數(shù)有很多，包括了對(duì)空調(diào)系統(tǒng)總體以及主要組成部分的評(píng)價(jià)，在國(guó)標(biāo)中最常使用的是性能系數(shù)COP 和能效比EER。制冷機(jī)房系統(tǒng)主要是通過(guò)分析冷水機(jī)組的COP 和制冷機(jī)房總能效比EERS，判斷機(jī)房的運(yùn)行效率。

3.1 冷水機(jī)組能效比COP

水冷式冷水機(jī)組名義工況制冷性能系數(shù)（COP）是指冷凍水在標(biāo)準(zhǔn)工況，即冷凍水供回水溫度15 ℃/9 ℃，冷卻水供回水溫度30 ℃/35 ℃的條件下，制冷量與用電量的比值，前期數(shù)值模擬階段可采用該數(shù)據(jù)分析冷水機(jī)組性能。待地鐵正式運(yùn)營(yíng)時(shí)，冷水機(jī)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)性能系數(shù)COP，可按式（1）計(jì)算得出：

式中，CP為水的比熱容，取4.187 kJ/(kg?℃)；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；G為冷水瞬時(shí)流量，m3/h；Δt為冷水供回水溫差，℃；ΣNc為冷水機(jī)組的總用電功率，kW。

3.2 制冷機(jī)房總能效比EERS

對(duì)于電制冷水式機(jī)組的制冷機(jī)房，總能效比EERS 為冷水機(jī)組制冷量之和與冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔的耗電量之和的比值。即為：

式中，ΣQ為所設(shè)冷水水組的總制冷量，kW；ΣNc為冷水機(jī)組的總用電功率，kW；ΣNB為冷凍水泵和冷卻水泵的總用電功率，kW；ΣNT為冷卻塔的總用電功率，kW。

4 高效制冷機(jī)房的節(jié)能技術(shù)分析

地鐵車(chē)站的空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)區(qū)域不同，分為大系統(tǒng)和小系統(tǒng)，為公共區(qū)服務(wù)的為大系統(tǒng)，為設(shè)備管理用房服務(wù)的為小系統(tǒng)。地鐵車(chē)站公共區(qū)服務(wù)和設(shè)備管理用房的冷負(fù)荷峰值不在同一時(shí)間段，高效制冷機(jī)房通過(guò)高效設(shè)備選型與設(shè)計(jì)、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)等方式，節(jié)能效果顯著。

4.1 高效設(shè)備選型與設(shè)計(jì)

根據(jù)天津典型天氣逐時(shí)氣象參數(shù)，對(duì)車(chē)站進(jìn)行逐時(shí)、逐日、逐月的冷負(fù)荷計(jì)算，得出車(chē)站全年制冷季冷負(fù)荷結(jié)果，如圖1 所示。對(duì)冷負(fù)荷分析可知，地鐵車(chē)站在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中冷負(fù)荷多為非滿負(fù)荷運(yùn)行，結(jié)合冷水機(jī)組運(yùn)行效率特點(diǎn)，對(duì)冷水機(jī)組的選型進(jìn)行優(yōu)化，使其大部分時(shí)段在高效運(yùn)行區(qū)間。經(jīng)過(guò)對(duì)冷水機(jī)組的性能模擬分析，冷凍出水溫度每升高1 ℃，機(jī)組COP提高約3%。通過(guò)提升冷凍水出水溫度，將冷凍水系統(tǒng)出水溫度由標(biāo)準(zhǔn)工況7 ℃提升至9 ℃，進(jìn)出水溫差按照6 ℃設(shè)計(jì)，維持冷水機(jī)組的高效運(yùn)行。針對(duì)冷凍水6 ℃溫差的特性以及優(yōu)化設(shè)計(jì)后的揚(yáng)程選用合適的高效變頻水泵，同樣對(duì)冷卻水泵和冷卻塔采用高效變頻設(shè)備，以配合自動(dòng)高效節(jié)能的控制系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

4.2 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)高效控制系統(tǒng)

根據(jù)目前節(jié)能技術(shù)發(fā)展水平，在滿足服務(wù)質(zhì)量的要求下，結(jié)合城市軌道交通車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，采用安全、成熟、可靠、有效的節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)變負(fù)荷工況下整個(gè)系統(tǒng)綜合性能優(yōu)化控制，即采用車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)“風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”智能控制系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道交通的節(jié)能目標(biāo)。

天津某地鐵車(chē)站的高效制冷機(jī)房水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)，空調(diào)末端設(shè)置電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥，每個(gè)末端水流量的調(diào)節(jié)都會(huì)影響到用戶側(cè)的總流量，但機(jī)房側(cè)的總水流量仍取決于冷水機(jī)組與水泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。分水器與集水器之間設(shè)置旁通管，旁通管上設(shè)置電動(dòng)壓差流量調(diào)節(jié)閥，采用智能變流量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵變頻與冷水機(jī)組、冷卻塔結(jié)合進(jìn)行整體尋優(yōu)控制。首先分析客流量、室外氣候變化等因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，對(duì)包括空調(diào)、通風(fēng)等在內(nèi)的環(huán)境控制系統(tǒng)提出適宜的節(jié)能運(yùn)行策略。在滿足室內(nèi)人員舒適性的前提下，充分考慮風(fēng)水聯(lián)動(dòng)、自然通風(fēng)等節(jié)能措施，形成基于能耗目標(biāo)約束的節(jié)能運(yùn)行策略及調(diào)控技術(shù)。

風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況和不同負(fù)荷工況，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度、智能化選擇冷水機(jī)組、循環(huán)水泵、冷卻塔、風(fēng)機(jī)和末端空調(diào)等設(shè)備的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和運(yùn)行頻率，確保水系統(tǒng)的高效率運(yùn)行[5]。由于系統(tǒng)機(jī)組臺(tái)數(shù)切換點(diǎn)不同，變頻螺桿機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)COP 較高，而部分負(fù)荷增加冷機(jī)臺(tái)數(shù)，需增加水泵等功耗，因此節(jié)能控制系統(tǒng)采用制冷機(jī)房綜合優(yōu)化算法，模擬冷水機(jī)組、循環(huán)水泵和冷卻塔的性能曲線，對(duì)每臺(tái)設(shè)備采取主動(dòng)式控制和整個(gè)機(jī)房設(shè)備的集成控制，確?？照{(diào)水系統(tǒng)的高效率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制冷空調(diào)系統(tǒng)綜合能耗最低的目標(biāo)。

5 高效制冷機(jī)房的能耗分析

制冷機(jī)房的主要耗能設(shè)備為冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔，機(jī)房的綜合耗能是由每個(gè)單體設(shè)備的能耗累加而成?；趦?yōu)化后的以上設(shè)備選型參數(shù)，在設(shè)備機(jī)房建設(shè)之前，按照智能控制策略，對(duì)冷水系統(tǒng)5～9 月份的設(shè)備能效進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。模擬結(jié)果如圖2 所示，冷水機(jī)組的能耗占比最大，可達(dá)到總能耗的84.3%，冷水機(jī)組的節(jié)能選型及智能運(yùn)行控制對(duì)制冷機(jī)房的綜合能耗控制有重大意義。

圖2 高效機(jī)房方案設(shè)備全年能耗分布圖

冷水機(jī)組選型采用永磁同步變頻螺桿機(jī)，針對(duì)高效冷站所需的冷凍水中溫大溫差工況，全面優(yōu)化全工況性能，機(jī)組運(yùn)行能效達(dá)到7 以上，高效制冷機(jī)房能效比達(dá)到5.3 以上，如圖3 所示。

圖3 制冷機(jī)房和冷水機(jī)組能效數(shù)值模擬分析圖

天津某地鐵站建設(shè)調(diào)試完畢后，制冷系統(tǒng)在2022 年空調(diào)季開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了制冷機(jī)房、末端一體化控制，采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)運(yùn)行策略，保證空調(diào)機(jī)組及空調(diào)水系統(tǒng)高效率運(yùn)行。運(yùn)行中，驗(yàn)證了該制冷機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)均能正常連接到數(shù)據(jù)云平臺(tái)。選取8 月對(duì)制冷機(jī)房的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果，分析制冷機(jī)房是否達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。并選取某兩周，分別采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和常規(guī)定頻運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)制冷機(jī)房的系統(tǒng)能效比EERS 進(jìn)行對(duì)比，如圖4 可得出，采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制策略，設(shè)備根據(jù)實(shí)際情況變頻運(yùn)行，比常規(guī)定頻運(yùn)行時(shí)能效大幅提升，制冷機(jī)房的EERS 均能達(dá)到5.8 以上。

圖4 高效制冷機(jī)房EERS 對(duì)比分析圖

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備耗電量的數(shù)據(jù)分析，如圖5 所示，可發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)車(chē)站制冷系統(tǒng)定頻運(yùn)行，末端設(shè)備及水系統(tǒng)設(shè)備耗電量較多。而風(fēng)水聯(lián)動(dòng)智能控制系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況和不同負(fù)荷工況，智能化選擇制冷設(shè)備的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和運(yùn)行頻率，總耗電量顯著降低。

圖5 制冷系統(tǒng)設(shè)備耗電量對(duì)比分析圖

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目地鐵車(chē)站以高效制冷機(jī)房形式建設(shè)，制冷系統(tǒng)的設(shè)備均選擇高效變頻式，并采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)房和末端設(shè)備一體化控制。在地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)，制冷系統(tǒng)智能運(yùn)行，自動(dòng)選擇最高效的運(yùn)行策略，相比常規(guī)地鐵車(chē)站制冷系統(tǒng)的能效有大幅提升，制冷機(jī)房的EERS 能達(dá)到5.3 以上，制冷系統(tǒng)的耗電量顯著減少，約節(jié)省能耗40%，對(duì)地鐵車(chē)站制冷系統(tǒng)的能耗研究具有重要參考意義。