地鐵車站直膨式空調(diào)冷卻水系統(tǒng)變流量控制的節(jié)能分析*

李 峰 鄭林濤

(1. 廣州大學(xué)建筑節(jié)能研究院， 510006， 廣州；2. 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 510640， 廣州//第一作者，高級(jí)工程師)

對(duì)地鐵車站公共區(qū)空調(diào)大系統(tǒng)而言，直膨式空調(diào)系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、管理方便的空調(diào)系統(tǒng)，其核心是采用冷媒直接膨脹蒸發(fā)冷卻處理室內(nèi)空氣，壓縮機(jī)組冷凝器采用的是水冷卻方式。圖1為其工作原理圖。目前，直膨式空調(diào)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)地鐵車站已有成功應(yīng)用案列。

空調(diào)冷卻水系統(tǒng)變流量控制的節(jié)能效果并不像普通水泵變流量節(jié)能效果一樣顯而易見，冷卻水變流量會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)組的能耗由于水量減少、冷凝溫度上升而增加，且冷卻塔的開式運(yùn)行也減低了節(jié)能效果，因此對(duì)于空調(diào)冷卻水系統(tǒng)變流量控制的節(jié)能效果存在不同意見「1-2」。通過工程實(shí)踐和更全面的研究分析后發(fā)現(xiàn)，冷卻水變流量控制節(jié)能是完全可行的，有足夠的節(jié)能潛力「3-6」。

1 冷卻水變流量系統(tǒng)節(jié)能研究

如圖1所示，直膨式空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的能耗包括制冷壓縮機(jī)組、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的能耗。

地鐵車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)遠(yuǎn)期客流量，規(guī)劃最大冷負(fù)荷，選擇制冷壓縮機(jī)組。在地鐵車站空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的初期，空調(diào)設(shè)備容量有很大冗余，制冷壓縮機(jī)組能耗主要受蒸發(fā)溫度、冷凝溫度(冷卻水溫、冷卻水量)和實(shí)時(shí)冷負(fù)荷3個(gè)因素的影響，直膨式空調(diào)冷卻水的變流量運(yùn)行有很大的節(jié)能潛力。制冷壓縮機(jī)組冷凝溫度直接與室外濕球溫度及冷卻水控制策略有關(guān)，因此需要建立壓縮機(jī)、水泵、冷卻塔能耗功率數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算全年不同負(fù)荷率、不同濕球溫度下、不同控制策略下的全年能耗。

圖1 直膨式空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖

1.1 冷卻水系統(tǒng)變流量控制策略

集中空調(diào)冷水機(jī)組冷卻水系統(tǒng)變流量控制方式，通常采用定冷卻水進(jìn)出口水溫差和定冷凝器出水溫度2種控制策略。部分負(fù)荷情況下，采用定冷卻水進(jìn)出口水溫差變流量控制方式，是在保證制冷壓縮機(jī)組冷凝器換熱效率的前提下，減少冷卻水泵的能耗，節(jié)能收益主要來自壓縮機(jī)組；控制冷凝器出水溫不變是將收益交給水泵，壓縮機(jī)組收益少。

1.2 冷卻水系統(tǒng)變流量存在的問題

冷卻水系統(tǒng)通過變頻水泵改變水系統(tǒng)的流量，其水系統(tǒng)管網(wǎng)的H-L性能曲線與冷凍水系統(tǒng)的管網(wǎng)曲線有很大差異，水泵改變工況后，其工作點(diǎn)并不是相似工況點(diǎn)，見圖2。

注:1,2代表管道性能曲線;3,4代表水泵性能曲線;H代表壓力;L代表流量

圖2 冷卻水泵變頻調(diào)節(jié)H-L性能曲線圖

由圖2可知,曲線2上的A點(diǎn)和B點(diǎn)為相似工況點(diǎn)，由于冷卻塔的靜水頭H0存在，水泵變頻前后的運(yùn)行工況,即C點(diǎn)和B點(diǎn)的功率不能簡(jiǎn)單地按三次方的變化規(guī)律計(jì)算。

1.3 兩種控制方法下冷卻水系統(tǒng)全年能耗模擬

從水泵特性、制冷壓縮機(jī)組能耗影響因素考慮，存在相應(yīng)的約束條件：

約束條件1：冷卻水量。通常壓縮機(jī)組要求通過冷凝器的冷卻水流速為1.1～3.5 m/s，并要求最小冷卻水流量。

約束條件2：考慮到壓縮機(jī)的壓差及供油安全，冷凝溫度不應(yīng)過低。地鐵車站公共區(qū)的設(shè)計(jì)溫度較高，因此壓縮機(jī)組的蒸發(fā)溫度基本為9～10 ℃。冷凝溫度不得低于25 ℃，冷凝溫度越高，壓縮機(jī)組的COP(制熱能效比)越低，因此冷凝溫度也不宜過高，冷凝溫度一般較冷凝器出口溫度高5 ℃。在冷凝器出口溫度控制策略中，宜將出口溫度控制在25～35 ℃。

約束條件3：廣州地鐵車站公共區(qū)的全年供冷天數(shù)一般為267 d，全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)間為每年的1月1日—2月28日、11月27日—12月31日。

2 冷卻水系統(tǒng)制冷壓縮機(jī)能耗數(shù)學(xué)模型

采用某螺桿式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)無級(jí)調(diào)節(jié)，其制冷能力即負(fù)荷只與制冷循環(huán)的冷凝溫度TC、蒸發(fā)溫度TE以及壓縮機(jī)的能力容調(diào)x有關(guān)，其x值可在0到1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。當(dāng)x=1時(shí)，壓縮機(jī)在此狀態(tài)下滿載運(yùn)行，其制冷量為Q0100，同一熱力狀態(tài)任意能力容調(diào)下的制冷量Q0=x·Q0100。

能力容調(diào)x=1時(shí)，壓縮機(jī)的制冷能力Q0100以及壓縮機(jī)的電功耗PC100是冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的函數(shù)：Q0100=f(TE,TC)，PC100=g(TE,TC)。利用廠家實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)這2個(gè)函數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合多項(xiàng)式為：

(1)

式中：

C1,C2,…,C10——擬合數(shù)據(jù)系數(shù)。

任意能力容調(diào)下的壓縮機(jī)電功耗PC也可以通過類似Q0=x·Q0100的方法由PC100得到，擬合關(guān)系式為：

PC=(0.029 81+0.910 9x+0.477 9x2-0.669 06x3+0.346 59x4-0.096 15x5)PC100

(2)

地鐵公共區(qū)設(shè)計(jì)溫度一般為29～30 ℃，蒸發(fā)溫度的取值一般比送風(fēng)溫度低6～8 ℃。地鐵公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度一般為16～17 ℃，蒸發(fā)溫度相對(duì)固定，取蒸發(fā)溫度TE=9 ℃。根據(jù)PC100=g(TE,TC)可推論為PC100=g(TC)。因此擬合多項(xiàng)式為：

(3)

當(dāng)制冷量為323 kW時(shí),壓縮機(jī)擬合多項(xiàng)式為:

(4)

限于篇幅,冷卻水泵及冷卻塔能耗模型省略。

3 地鐵工程案列

以廣州某地鐵車站為例，該站為2層地下島式車站，地下2層面積大約為10 740 m2，站臺(tái)設(shè)置全封閉屏蔽門系統(tǒng)。

3.1 地鐵車站大系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算

通過DeST軟件建立地鐵車站計(jì)算模型，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，分別設(shè)置人員、設(shè)備、照明發(fā)熱量及作息時(shí)間，從而計(jì)算全年逐時(shí)冷負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。地鐵車站公共區(qū)全年冷負(fù)荷對(duì)應(yīng)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)見表1。

圖3 地鐵車站公共區(qū)全年逐時(shí)冷負(fù)荷

從表1可以看出，全年負(fù)荷率高于75%只占了很小的一部分，空調(diào)系統(tǒng)基本是在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行，對(duì)于應(yīng)用直膨式空調(diào)系統(tǒng)的地鐵車站空調(diào)而言，冷卻水變流量控制是有顯著收益的節(jié)能措施。

3.2 地鐵車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型

根據(jù)計(jì)算的全年冷負(fù)荷進(jìn)行設(shè)備選型，如表2所示。

表1 地鐵車站公共區(qū)全年冷負(fù)荷對(duì)應(yīng)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 空調(diào)大系統(tǒng)的設(shè)備選型

3.3 不同冷卻水變頻控制方案節(jié)能分析

對(duì)冷卻水系統(tǒng)采用2種變流量控制方案下的全年能耗進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1) 采用定冷卻水進(jìn)出口溫差控制方案：冷卻水量下限為水泵工頻的50%、60%、70%，冷卻水進(jìn)出口溫差分別為4 ℃、5 ℃、6 ℃，計(jì)算全年的冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行能耗大小。如圖4所示，節(jié)能率隨著出口溫差的增大和工頻流量的降低而增大。

注：1,2,3——工頻為70%，溫差為4℃、5℃、6℃；4,5,6——工頻為60%，溫差為4℃、5℃、6℃；7,8,9——工頻為50%，溫差為4℃、5℃、6℃

圖4 定冷卻水進(jìn)出口溫差控制方法的節(jié)能率

(2) 采用定冷凝器出水溫度控制方案：冷卻水量下限為水泵工頻的50%、60%、70%，冷凝器出水溫度分別為29 ℃、31 ℃、33 ℃、35 ℃、37 ℃、39 ℃、41 ℃，計(jì)算全年的冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行能耗大小。如圖5所示，節(jié)能率隨著出水溫度的升高和工頻流量的降低而增大。當(dāng)出水溫度達(dá)到37 ℃后，節(jié)能率趨于穩(wěn)定。

圖6橫坐標(biāo)表示冷負(fù)荷比(實(shí)際負(fù)荷/名義制冷量)，縱坐標(biāo)表示能耗差(冷卻水泵下限流量為工頻50%，控制出水溫度為37 ℃的能耗與控制進(jìn)出口水溫差為5 ℃能耗之差)。由圖6可見，兩種控制方案的全年能耗差值隨冷負(fù)荷比增加而增加。當(dāng)冷負(fù)荷比在0.6～1.0之間時(shí)，控制出水溫度為37 ℃的系統(tǒng)耗能要比進(jìn)出口水溫差為5 ℃的系統(tǒng)能耗高，也就是說，在部分負(fù)荷的情況下，冷卻水系統(tǒng)全年宜采用固定溫差的控制方式。

注：a,b,c,d,e,f,g——工頻為70%，出水溫度分別為29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃；h,i,j,k,l,m,n——工頻為60%，出水溫度分別為29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃；o,p,q,r,s,t,u——工頻為50%，出水溫度分別為29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃

圖5 定冷凝器出水溫度控制方法的節(jié)能率

a) 全圖

b) 局部放大圖

圖7橫坐標(biāo)表示冷負(fù)荷比，縱坐標(biāo)表示壓縮機(jī)的能耗功率差和水泵的能耗功率差(冷卻水泵下限流量為工頻50%，控制出水溫度為37 ℃的能耗與控制進(jìn)出口水溫差為5 ℃的能耗之差)。從圖7可以看出，對(duì)于壓縮機(jī)，控制出水溫度為37 ℃的耗能比進(jìn)出口水溫差為5 ℃的能耗??；但對(duì)于水泵，則相反。

a) 全圖

b) 局部放大圖

由圖4及圖6可知，當(dāng)采用定冷卻水進(jìn)出口溫差的控制方案時(shí)，全年能耗隨著冷卻水量下限值的降低而降低，隨著進(jìn)出口水溫差的增大而降低；當(dāng)采用定冷凝器出口溫度的控制方案時(shí)，全年能耗隨著定冷凝器出水溫度的增大而降低，但達(dá)到37 ℃后，節(jié)能率趨于平緩，節(jié)能效果并不明顯。當(dāng)采用定冷卻水進(jìn)出口溫差的控制方案時(shí)，應(yīng)盡可能降低冷卻水量下限值，同時(shí)加大進(jìn)出口水溫差；當(dāng)采用定冷凝器出口溫度方案時(shí)，應(yīng)將出口溫度定在37～41 ℃左右。

根據(jù)上述能耗模擬結(jié)果，當(dāng)冷卻水量下限值固定時(shí)，采用定冷卻水進(jìn)出口溫差與采用定冷凝器出口溫度為41 ℃時(shí)，全年的節(jié)能率基本是一樣的。

從圖5和圖7可以看出，隨著冷負(fù)荷比的增大，當(dāng)冷卻水泵下限流量為工頻50%時(shí)，控制出水溫度為37 ℃的能耗功率比控制進(jìn)出口水溫差為5 ℃的能耗功率略大，因此對(duì)比地鐵站冷負(fù)荷特性，推薦采用控制進(jìn)出口水溫差位5 ℃的方案或者控制出水溫度為37 ℃的方案。

影響冷卻水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制的因數(shù)有很多，本文選擇了空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷比和室外濕球溫度這兩個(gè)對(duì)冷卻水系統(tǒng)變流量節(jié)能影響最大的因數(shù)。

圖8、圖9橫坐標(biāo)分別表示冷負(fù)荷比、室外濕球溫度，縱坐標(biāo)表示冷卻水系統(tǒng)全年逐時(shí)總能耗功率，即兩種控制方式下，冷卻水系統(tǒng)冷卻水泵下限流量為工頻50%，控制出水溫度為37 ℃的總能耗功率與控制進(jìn)出口水溫差為5 ℃的總能耗功率。由圖8、圖9可見，冷卻水系統(tǒng)全年逐時(shí)總能耗隨冷負(fù)荷和室外濕球溫度的變化，全年云圖散點(diǎn)分布區(qū)域位置基本相同。

圖8 控制進(jìn)出口水溫差為5 ℃方案的全年逐時(shí)總能耗功率

圖9 控制出水溫度為37 ℃方案的全年逐時(shí)總能耗功率

4 結(jié)論

通過對(duì)地鐵車站直膨式空調(diào)系統(tǒng)冷卻水變流量與變頻制冷系統(tǒng)優(yōu)化控制研究，得出以下結(jié)論：

(1) 部分負(fù)荷情況下，定冷卻水進(jìn)回水溫差變流量控制方案，是在保證壓縮機(jī)組冷凝器換熱效率的前提下，節(jié)約冷卻水泵的能耗，節(jié)能收益主要來自制冷機(jī)；控制制冷機(jī)、定出口水溫方案，是將收益交給水泵，制冷機(jī)收益少。

(2) 當(dāng)流量下限為工頻50%時(shí)，隨冷負(fù)荷比的變化，兩種方案的全年能耗差值隨冷負(fù)荷比的增加而增加；當(dāng)冷負(fù)荷比在0.6～1.0之間時(shí)，控制出口水溫度為37 ℃的系統(tǒng)耗能要比控制冷卻水進(jìn)回水溫差為5 ℃的系統(tǒng)能耗高，也就是說，在部分負(fù)荷的情況下，冷卻水系統(tǒng)全年宜采用固定溫差的控制方式。

(3) 對(duì)廣州地鐵典型島式車站空調(diào)大系統(tǒng)而言，在50%下限流量的控制方式下，定冷卻水進(jìn)出口溫差為6 ℃全年節(jié)能率最好，節(jié)能率11.6%；在冷卻水系統(tǒng)固定冷凝器出水溫度的控制方式下，在50%下限流量的控制方式下，當(dāng)冷凝器出水溫度37 ℃時(shí)，冷卻水系統(tǒng)變流量的全年節(jié)能率最高，節(jié)能率為11.2%。