天津某地鐵車站高效制冷機房的節能技術分析研究

潘帥方

(中鐵上海設計院集團有限公司天津分院，天津 300000）

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，能源問題越來越不可忽視，《“十四五”現代能源體系規劃》中明確指出要更大力度強化節能減排，嚴格控制能耗強度。隨著地鐵建設規模的不斷擴大，其節能運營也引發了越來越多的關注。據統計，2020 年城軌交通總用電量達172 億kW?h，同比增長12.9%，其中車站能耗88.4 億kW?h[1]。通風空調系統站地鐵車站全年能耗的總量的45%，具有較大節能空間。

地鐵站空調系統包括風系統和水系統。風系統根據服務區域可分為車站公共區空調系統和設備及管理用房空調系統?？照{風系統的主要設備為組合式空調機組、回排風機以及相關電動閥，空調水系統的主要設備包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和相關電動調節閥[2]。

在工程設計中，空調系統的設備容量一般按地鐵運行遠期最大負荷需求進行選擇[3]。傳統的制冷機房設備機組均為定頻，沒有隨著冷負荷變化調節設備的能力，且自控系統只能實現遠程監測環境和設備的運行狀態，不能實現風水系統聯動智能控制，普遍存在冷量輸出過量、設備偏離高效運行區間、運行能效低等問題。為達成機房節能目標，集中空調高效制冷機房系統需針對系統各節能點進行改造。天津某高效制冷機房采用超高效機組設備，采用全變頻系統，增設多處變頻器及變頻控制柜等，前期進行能源模擬，根據模擬結果增設只能控制系統，形成開機策略，節約運行能耗。

2 項目概況

天津某地鐵站為地下2 層12 m 島式標準車站。車站長為279.35 m，寬為20.7 m。地下1 層為站廳層，地下2 層為站臺層，站廳層公共區面積約2 210 m2，站臺層公共區面積約1 272 m2。車站設備及管理用房分別設置在站廳及站臺層的兩端。

高效制冷機房的設備采用永磁同步變頻螺桿式冷水機組、變頻式水泵和變頻式冷卻塔等，優化自控系統，通過風水聯動智能控制柜、水系統采集控制箱、現場采集控制箱、各類傳感器等實現風水系統聯動控制，實現制冷機房的高能效[4]。

3 高效制冷機房的能效評價方法

用于描述空調系統能效比的參數有很多，包括了對空調系統總體以及主要組成部分的評價，在國標中最常使用的是性能系數COP 和能效比EER。制冷機房系統主要是通過分析冷水機組的COP 和制冷機房總能效比EERS，判斷機房的運行效率。

3.1 冷水機組能效比COP

水冷式冷水機組名義工況制冷性能系數（COP）是指冷凍水在標準工況，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，前期數值模擬階段可采用該數據分析冷水機組性能。待地鐵正式運營時，冷水機組運行的實時性能系數COP，可按式（1）計算得出：

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為冷水瞬時流量，m3/h；Δt為冷水供回水溫差，℃；ΣNc為冷水機組的總用電功率，kW。

3.2 制冷機房總能效比EERS

對于電制冷水式機組的制冷機房，總能效比EERS 為冷水機組制冷量之和與冷水機組、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為所設冷水水組的總制冷量，kW；ΣNc為冷水機組的總用電功率，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 高效制冷機房的節能技術分析

地鐵車站的空調、通風系統根據服務區域不同，分為大系統和小系統，為公共區服務的為大系統，為設備管理用房服務的為小系統。地鐵車站公共區服務和設備管理用房的冷負荷峰值不在同一時間段，高效制冷機房通過高效設備選型與設計、風水聯動等方式，節能效果顯著。

4.1 高效設備選型與設計

根據天津典型天氣逐時氣象參數，對車站進行逐時、逐日、逐月的冷負荷計算，得出車站全年制冷季冷負荷結果，如圖1 所示。對冷負荷分析可知，地鐵車站在運營過程中冷負荷多為非滿負荷運行，結合冷水機組運行效率特點，對冷水機組的選型進行優化，使其大部分時段在高效運行區間。經過對冷水機組的性能模擬分析，冷凍出水溫度每升高1 ℃，機組COP提高約3%。通過提升冷凍水出水溫度，將冷凍水系統出水溫度由標準工況7 ℃提升至9 ℃，進出水溫差按照6 ℃設計，維持冷水機組的高效運行。針對冷凍水6 ℃溫差的特性以及優化設計后的揚程選用合適的高效變頻水泵，同樣對冷卻水泵和冷卻塔采用高效變頻設備，以配合自動高效節能的控制系統的優化運行。

4.2 風水聯動高效控制系統

根據目前節能技術發展水平，在滿足服務質量的要求下，結合城市軌道交通車站通風空調系統的運行特點，采用安全、成熟、可靠、有效的節能技術和產品，實現車站通風空調系統適應變負荷工況下整個系統綜合性能優化控制，即采用車站通風空調系統“風水聯動”智能控制系統技術，實現軌道交通的節能目標。

天津某地鐵車站的高效制冷機房水系統采用一次泵變流量系統，空調末端設置電動流量調節閥，每個末端水流量的調節都會影響到用戶側的總流量，但機房側的總水流量仍取決于冷水機組與水泵的開啟臺數。分水器與集水器之間設置旁通管，旁通管上設置電動壓差流量調節閥，采用智能變流量控制系統實現水泵變頻與冷水機組、冷卻塔結合進行整體尋優控制。首先分析客流量、室外氣候變化等因素對系統運行性能的影響，對包括空調、通風等在內的環境控制系統提出適宜的節能運行策略。在滿足室內人員舒適性的前提下，充分考慮風水聯動、自然通風等節能措施，形成基于能耗目標約束的節能運行策略及調控技術。

風水聯動智能控制系統根據實際的運行情況和不同負荷工況，通過調節閥門開度、智能化選擇冷水機組、循環水泵、冷卻塔、風機和末端空調等設備的運行臺數和運行頻率，確保水系統的高效率運行[5]。由于系統機組臺數切換點不同，變頻螺桿機組在部分負荷時COP 較高，而部分負荷增加冷機臺數，需增加水泵等功耗，因此節能控制系統采用制冷機房綜合優化算法，模擬冷水機組、循環水泵和冷卻塔的性能曲線，對每臺設備采取主動式控制和整個機房設備的集成控制，確?？照{水系統的高效率運行，實現整個制冷空調系統綜合能耗最低的目標。

5 高效制冷機房的能耗分析

制冷機房的主要耗能設備為冷水機組、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔，機房的綜合耗能是由每個單體設備的能耗累加而成?；趦灮蟮囊陨显O備選型參數，在設備機房建設之前，按照智能控制策略，對冷水系統5～9 月份的設備能效進行數值模擬計算。模擬結果如圖2 所示，冷水機組的能耗占比最大，可達到總能耗的84.3%，冷水機組的節能選型及智能運行控制對制冷機房的綜合能耗控制有重大意義。

圖2 高效機房方案設備全年能耗分布圖

冷水機組選型采用永磁同步變頻螺桿機，針對高效冷站所需的冷凍水中溫大溫差工況，全面優化全工況性能，機組運行能效達到7 以上，高效制冷機房能效比達到5.3 以上，如圖3 所示。

圖3 制冷機房和冷水機組能效數值模擬分析圖

天津某地鐵站建設調試完畢后，制冷系統在2022 年空調季開始自動運行，實現了制冷機房、末端一體化控制，采用風水聯動運行策略，保證空調機組及空調水系統高效率運行。運行中，驗證了該制冷機房的空調系統各設備運行數據均能正常連接到數據云平臺。選取8 月對制冷機房的實際運行數據，檢驗數值模擬結果，分析制冷機房是否達到預期的節能效果。并選取某兩周，分別采用風水聯動系統和常規定頻運行系統，對制冷機房的系統能效比EERS 進行對比，如圖4 可得出，采用風水聯動智能控制策略，設備根據實際情況變頻運行，比常規定頻運行時能效大幅提升，制冷機房的EERS 均能達到5.8 以上。

圖4 高效制冷機房EERS 對比分析圖

經過對設備耗電量的數據分析，如圖5 所示，可發現，傳統車站制冷系統定頻運行，末端設備及水系統設備耗電量較多。而風水聯動智能控制系統可根據實際的運行情況和不同負荷工況，智能化選擇制冷設備的運行臺數和運行頻率，總耗電量顯著降低。

圖5 制冷系統設備耗電量對比分析圖

6 結語

本項目地鐵車站以高效制冷機房形式建設，制冷系統的設備均選擇高效變頻式，并采用風水聯動系統，實現制冷機房和末端設備一體化控制。在地鐵運營時，制冷系統智能運行，自動選擇最高效的運行策略，相比常規地鐵車站制冷系統的能效有大幅提升，制冷機房的EERS 能達到5.3 以上，制冷系統的耗電量顯著減少，約節省能耗40%，對地鐵車站制冷系統的能耗研究具有重要參考意義。