徐金平
（宁波市轨道交通集团有限公司机电处 高级工程师 315000）
摘要：地铁空调水系统是车站通风空调系统的一个重要分支，能耗占比较大，而且系统较为复杂。本文简单介绍了目前常见的地铁空调水系统，从冷源方案优化、设备优化、控制优化等方面分析，提出了对常见空调水系统节能优化设计的若干建议。
关键词：地铁空调水系统；节能；变频控制；集中冷源；控制策略
1、概述
随着地铁工程的快速发展，合理化的地铁系统设计显得尤为重要。地铁通风空调系统作为地铁内部的呼吸系统，为车站内部提供了一个舒适可靠的热湿环境。 空调水系统作为地铁通风空调系统的重要组成部分，为车站通风空调系统提供冷源。其中冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备耗电量较大。以夏热冬冷地区、屏蔽门系统制式、典型6节编组、30对/h行车密度的轨道交通工程为例，地铁空调水系统耗电量占整个地铁通风空调系统耗电量的30%-40%[1]。地铁车站的特点是人员流动性大，一般早晚高峰时段的人流量比平常时段高出近一倍。再加上外部气象条件的变化，必然会引起地铁空调负荷的不断变化和波动，地铁空调负荷的变化幅度常常在40％～50%。设备装机容量要满足远期高峰时期要求，设备冗余较大。因此车站空调水系统节能优化尤为重要。冷却塔通常布置在地面上，占地面积较大，也影响地面规划、景观，因此对于冷却塔的布置优化也是考虑的重点。
典型车站空调水系统由冷冻水系统、冷却水系统构成。冷冻水系统包括水冷螺杆式冷水机组、冷冻水泵、分/集水器、组合式空调机组、风机盘管、水处理设备、各类阀门仪表及管道；冷却水系统包括冷却水泵、冷却塔、定压装置、各类阀门仪表及管道。
常规车站一般分站设置冷源，在每个车站独立空调水系统。图1-1为典型车站空调水系统原理图。按照全站远期冷负荷，设置若干台水冷螺杆式冷水机组，冷冻\冷却水泵与冷水机组一一对应，同时考虑水泵间互为备用。常见的定压装置包括定压罐、膨胀水箱。定压罐设置在冷水机房内，膨胀水箱则设置于地面冷却塔处。
图1-1 典型车站空调水系统原理图
下面将从冷源方案优化、设备优化、控制优化等方面对车站空调水系统优化进行分析探讨：
2、冷源方案优化
常规地铁车站采用分站供冷方式配置冷源，为了减少大型冷却塔的设置对周围环境的影响，满足城市规划要求。近年在成都、长沙等城市的地铁线路中采用了集中供冷设计方案[2-4]。
集中供冷设计方案分为集中冷却、集中冷冻。将地铁全线划分为几个区段，每个区段设置一个集中冷站。集中冷却是冷却塔、冷却水泵集中设置，冷水机组、冷冻水泵分散设置；集中冷冻是冷却塔、冷却水泵、冷水机组、冷冻水泵集中设置。
有学者[5]对集中冷冻、集中冷却、分散供冷三种方式进行对比分析，在初投资方面：分散供冷方式＜集中冷冻方式＜集中冷却方式；运行费用方面：分散供冷方式＜集中冷冻方式＜集中冷却方式。因此从初投资、运行费用及寿命周期总费用现值方面，分散供冷方式优于集中冷冻方式，但是差距不大。因此当地面条件限制较大时，可考虑集中冷冻方式。集中冷冻方式的冷源设备集中布置、且设备数量少，因此设备维护成本较低。
集中冷冻方式供冷管路较长，一般在1000-3000m，水泵能耗大，管路损失大。冷冻水温差对集中冷冻方式的初投资和运行费用有较大影响。冷冻水系统能耗随着供回水温差的增大而减小，当温差在8-9℃时，能耗值趋于最小[6]。
对于换乘车站，由于两线车站相距较近，可以考虑冷源集中设置，采取集中冷冻方案，在初投资方面：集中冷冻方式＜分散供冷方式；运行费用方面：集中冷冻方式＜分散供冷方式。而且由于供冷管路长度一般在300m内，管路损失相对不大。
3、设备优化
3.1 水泵优化方案
常规车站空调水系统，无论是冷冻水系统还是冷却水系统均为定流量系统。水泵的流量及扬程是按照最不利条件配置。根据地铁车站的负荷特点，空调水系统多处于部分负荷甚至低负荷下运行。若不采取措施，在部分负荷下水系统会出现大流量小温差的情况，水泵出力维持到高点，冷水机组效率较低，不利于系统的高效运行。
为了使空调水系统供冷量与实际车站需冷量趋于一致，从而节约冷量输配能耗和冷源运行能耗，采用一次泵变流量系统，对冷冻水泵进行变频控制。水泵变频通常有两种控制方式：冷冻水温差控制方式、冷冻水压差控制方式。
冷冻水温差控制方式是在供回水总管上安装温度传感器，部分负荷时，保持供回水温差不变，冷冻水流量与负荷呈线性正比，通过控制冷冻水流量匹配车站所需冷量。当空调负荷减少时，需要冷冻水流量减小，根据，水泵的功率是流量的三次方，从而降低水泵输送能耗。
例如，某地下车站站全站冷负荷为1206kW,冷冻水流量为114m3/h，扬程为32mH2O，水泵效率取70%。
空调季设定为6月15日到9月15日，每天空调白天运行时间为早上7点到晚上9点。一年空调季白天运行时间总计1288h。当系统负荷率为100%时，冷冻水泵耗电量为19320kWh;当系统负荷率为60%时，冷冻水泵耗电量为4173.12kWh，节能率为78.4%。
图3.1-1 不同负荷率对应的水泵耗电量
冷冻水压差控制方式分为供、回水总管压差控制和最不利管路压差控制。
供、回水管压差控制是在分、集水器间设置压差旁通阀，在分、集水器间布置压力探头，供、回水总管压差作为变频控制器的采样输入信号。当系统处于部分负荷下，电动二通阀开度减小，引起供、回水管总管压差变化。实测供、回水管总管压差比预设压差大，变频器动作，减小水泵转速。冷冻水压差控制方式中冷冻水泵不满足三次方定律[7]，水泵功率与流量的一次方呈正比，当流量减少时，水泵功率减少程度较小，节能潜力较小。
最不利管路压差控制是在最不利末端供、回水管道上布置压力探头，通过改变冷冻水泵转速，保证最不利末端供、回水管压差恒定。根据,当系统处于部分负荷下，电动二通阀开度减小，末端阻力增大，最不利管路的流量增加，因此变频器控制降低水泵转速。
冷水机组在部分负荷时冷却水系统流量对其效率影响非常大。仅通过对冷却水泵进行变频改造，节能效果不佳，而且对机组的运行影响较大。冷却水流量需要满足冷水机组正常运行，一是要满足冷凝器内换热器的经济流速，二是保证冷却水管上流量开关的限定要求。有论文[8]总结冷却水泵变频有一定的节能潜力，但是其节能潜力小于冷冻水系统，而且不同冷水机组性能差异、冷机配置及冷却水泵能耗比例不同，对冷却水变流量系统节能量差异较大。对于地铁工程，出于方案可靠及便利性，建议考虑冷却水采用定流量系统或根据具体方案具体分析。
3.2 冷却塔优化方案
冷却塔的主要作用是带走冷水机组制冷而产生的热量，冷却塔的排热效果直接影响冷水机组冷却水供回水温度，进一步影响冷水机组冷凝温度、冷水机组性能效果。
冷却塔的主要技术参数有冷却水量、冷却面积、通风量、进出塔水温度。这些参数决定了冷却塔的造价和能耗规模。冷却面积直接影响冷却塔尺寸，在满足排热需求的情况下尽量要小。冷却水量考虑冷水机组运行安全可靠，冷却水系统采用定流量系统，冷却水量不变。因此主要可控变量即为进出塔水温度、通风量。
在实际设备运行时，由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定了冷却塔一直处于低热负荷下运行。当冷却塔处于低热负荷时，冷却塔额定排热量远大于热负荷量，出塔水温度会降低，冷却塔侧处于“大马拉小车”的状态，冷却塔能耗浪费较大。因此可通过改变冷却塔风机通风量来改变冷却塔的排热量。
冷却塔风机变频主要是在风机上加装变频器，当冷却塔出水温度低于设置值时，降低冷却塔风机转速甚至减少冷却塔风机运行台数；当冷却塔出水温度高于设置值时，提高冷却塔风机转速或者增加冷却塔风机运行台数。根据系统负荷需求，实现冷却塔风机节能。对冷却塔进行变频控制还能够大幅度降低噪声和飘水现象、延长风机和电动机轴承的寿命、冷却塔换热效果更加充分。
在冷却塔风机变频控制时需要注意风机风量越大、出塔水温度越低，冷却塔能耗越大，但是冷水机组性能越高，冷水机组能耗越小。因此选定一个合适的出塔水温度尤为关键。
4、控制优化
车站空调水系统的控制涉及到组合式空调机组、电动二通阀、冷冻水泵、冷却水泵、冷水机组、冷却塔等设备的关联控制。整个车站通风空调系统由多个传热环节串联构成，包括室内空气循环、冷冻水循环、冷水机组制冷剂循环、冷却水循环、室外空气循环。这些传热环节相互影响。通过控制单一变量不能实现整个系统的最优化运行。因此车站空调水系统控制思路是满足建立在室内温湿度要求基础上的室内冷量控制需求，核心在于保证整个系统及各个节点设备处于高效运行状态。主要控制策略有：
（1）基于冷量供需匹配的冷冻水系统动态控制。当空调器末端负荷改变时，空调冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量均会发生变化。根据冷冻水循环周期、历史负荷数据分析和室外湿球温度检测，分析未来时刻空调器末端负荷变化趋势，对冷冻水系统进行预测性控制，以降低冷量供给的滞后性，实现冷量的供需匹配。
（2）基于制冷效率最佳的冷水系统优化控制。冷却水进水温度对冷水机组、冷却水泵、冷却塔等设备能耗的影响是相反的。因此需要根据实际热负荷、气候条件和系统特点计算出冷却水最佳进水温度，并调整相应风机转速，从而动态调节冷却塔风量，使系统效率处于最佳状态运行。
（3）基于冷水机组效率负荷特性的台数控制。对于螺杆式冷水机组，COP通常在负荷率50%-70%时达到最高，根据系统负荷率调整机组运行台数能使机组达到高效运行状态。
同时从宏观角度，地铁空调水系统与风系统息息相关，不能单一考虑车站空调水系统控制，需要考虑风系统、水系统联动的控制措施。有不少学者也在进行此方面的深入研究。
5、小结
本文主要对现有地铁车站空调水系统的优化措施进行了总结。
（1）从冷源方案优化方面，如果是全线多站设置集中冷源，无论从投资还是运行费用上，分散供冷方式均优于集中冷冻方式。仅当地面条件限制较大时，可考虑集中冷冻方式。对于换乘车站，无论从投资还是运行费用上，集中冷冻方式优于分散供冷方式。因此对于换乘车站可优先考虑集中冷冻方式，以实现资源共享，但该方案需要结合运营部门管理归属及两线开通时限综合确定。
（2）从设备优化方面，冷冻水泵变频节能效果明显，利用冷冻水温差控制比冷冻水压差控制的节能效果更优。冷却水泵考虑冷水机组运行的安全可靠，不建议设置变频器，为了满足冷却水系统节能要求，可考虑冷却塔风机变频。
（3）从控制优化方面，需要从每个设备节点进行控制优化。总结了若干的控制方案，包括冷冻水系统动态控制、冷却水系统动态控制和冷水机组台数控制。同时提出需要进一步研究空调风系统及水系统联动控制方案。
参考文献
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论文作者:徐金平
论文发表刊物:《电力设备》2016年第9期
论文发表时间:2016/7/5
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