夏熱冬暖地區(qū)地鐵車站水冷直膨式空調(diào)機(jī)組的綜合部分負(fù)荷性能指標(biāo)評價*

李 峰 楊鑫澤 黃冠英

(1. 廣州大學(xué)建筑設(shè)計研究院，510006，廣州; 2. 廣東西屋康達(dá)空調(diào)有限公司，528216，佛山//第一作者，高級工程師)

水冷直膨式空調(diào)系統(tǒng)是一種新型且適用于地鐵車站公共區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)[1](見圖1)，其核心設(shè)備是水冷直膨式空調(diào)機(jī)組。該系統(tǒng)綜合了單元式空調(diào)機(jī)與組合式空調(diào)機(jī)組兩者的優(yōu)點(diǎn)，不需要載冷劑冷水的二次換熱，采用冷媒直接膨脹蒸發(fā)冷卻空氣來處理地鐵站臺公共區(qū)的熱濕負(fù)荷，可提高制冷壓縮機(jī)的蒸發(fā)溫度，省去空調(diào)冷水系統(tǒng)的設(shè)置，使得車站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率大為提高[1]。目前國內(nèi)地鐵車站已有試點(diǎn)應(yīng)用，節(jié)能效果符合預(yù)期。

地鐵車站公共區(qū)的制冷機(jī)組，絕大部分時間運(yùn)行在變工況和部分負(fù)荷工況下，僅用名義工況下的制冷系數(shù)COP難以衡量其部分負(fù)荷運(yùn)行時的效率。因此，考核地鐵車站公共區(qū)直膨式空調(diào)機(jī)組能效性能時，必須考核機(jī)組的綜合部分負(fù)荷性能指標(biāo)IPLV,這樣才能更為合理地評價直膨式空調(diào)機(jī)組性能的優(yōu)劣，為建立地鐵車站水冷直膨式空調(diào)系統(tǒng)評價體系及直膨空調(diào)機(jī)組性能評價標(biāo)準(zhǔn)打基礎(chǔ)。

1 水冷直膨式空調(diào)機(jī)組IPLV的評價

IPLV是由美國空調(diào)制冷學(xué)會(ARI)最早提出的。在ARI 550/590—1998標(biāo)準(zhǔn)[2]中，給出了修正后的IPLV的計算公式：

IPLV=aA+bB+cC+dD

(1)

式中:

A、B、C、D——表示冷水機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下負(fù)荷分別為100%、75%、50%和25%時的COP；

a、b、c、d——表示各負(fù)荷率下COP所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)[3]， 對應(yīng)于機(jī)組在各負(fù)荷率下運(yùn)行時間與總負(fù)荷率下運(yùn)行時間的比例。

圖1 地鐵車站水冷直膨式空調(diào)系統(tǒng)原理圖

我國在GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[4]中也定義了適用于本國氣候與建筑特點(diǎn)的IPLV計算公式，但是此IPLV指標(biāo)只適用于地面公共建筑，對于地鐵車站而言,其外部空調(diào)負(fù)荷特性與地面建筑差異較大，沒有太陽輻射熱這一主要影響因素。另外該規(guī)范定義的IPLV針對的是冷水機(jī)組，因此地鐵車站水冷直膨式空調(diào)機(jī)組的部分負(fù)荷特性不能直接套用該標(biāo)準(zhǔn)推薦的IPLV計算公式。

近年來,在地鐵車站公共區(qū)采用水冷直膨式空調(diào)機(jī)組已成為業(yè)內(nèi)的普遍共識。但與地鐵車站采用的水冷直膨式機(jī)組產(chǎn)品類型及適用范圍與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)差異較大，不宜直接引用標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)指標(biāo)，因此對公式(1)中COP所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)地鐵車站的負(fù)荷特性進(jìn)行修訂，并對COP的測試工況進(jìn)行規(guī)定。

2 COP的名義工況條件

水冷直膨式空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)的制冷量、軸功率等性能參數(shù)會隨著冷凝溫度、蒸發(fā)溫度的變化而變化，因此要確定壓縮機(jī)的容量大小并比較同類產(chǎn)品的性能優(yōu)劣，就必須確定名義工況。名義工況包括了5個條件:①蒸發(fā)溫度；②吸氣溫度(或過熱度)；③冷凝溫度；④過冷度；⑤壓縮機(jī)工作的環(huán)境溫度。

帶屏蔽門典型地鐵車站公共區(qū)的冷負(fù)荷一般為600～1 200 kW，分設(shè)2個空調(diào)機(jī)組的冷負(fù)荷為300～600 kW，冷量范圍較適合選用螺桿壓縮機(jī)及磁懸浮直流變頻離心壓縮機(jī)。按照國標(biāo)GB 19410—2008《螺桿式制冷壓縮機(jī)》[5]，壓縮機(jī)設(shè)計和使用條件如表1所示。

表1 螺桿式壓縮機(jī)設(shè)計和使用條件 ℃

對于冷水機(jī)組,設(shè)計工況下冷凍水供回水溫度為7/12 ℃，因此對應(yīng)的采用高溫冷媒的壓縮機(jī)制冷蒸發(fā)溫度一般為5 ℃。

廣州地鐵車站公共區(qū)的設(shè)計溫度一般為27～29 ℃，相對濕度為60%。根據(jù)實(shí)際工程案例，通?？照{(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)點(diǎn)溫度為17～18 ℃，濕球溫度為16～17 ℃。按照制冷蒸發(fā)器的處理過程，采用六排管的常規(guī)換熱器，迎面處理風(fēng)速為2.0 m/s,由此可計算得出蒸發(fā)溫度約為10 ℃左右。對比原空調(diào)冷水系統(tǒng)，直膨式空調(diào)機(jī)組制冷的蒸發(fā)溫度提高了一倍，這將使制冷循環(huán)的制冷系數(shù)提高21.4%，耗功量減少16%[1]。

廣州夏季室外濕球溫度較高，壓縮機(jī)冷凝器采用水冷方式具有較高的COP，因此地鐵車站水冷直膨式空調(diào)機(jī)組的測試滿負(fù)荷名義工況建議蒸發(fā)溫度為10 ℃，冷凝溫度為40 ℃。

GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了冷水機(jī)組冷凝側(cè)的工況條件，水冷直膨式空調(diào)機(jī)組與冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)雖略有不同，但熱工原理完全相同，因此可按照該規(guī)范4.2.13條執(zhí)行，即水冷直膨式空調(diào)機(jī)組冷凝側(cè)的工況條件為：①100%負(fù)荷時，冷卻水進(jìn)水溫度為30 ℃；②75%負(fù)荷時，冷卻水進(jìn)水溫度為26 ℃；③50%負(fù)荷時，冷卻水進(jìn)水溫度為23 ℃；④25%負(fù)荷時，冷卻水進(jìn)水溫度為19 ℃[6]。

3 確定IPLV各權(quán)重系數(shù)的方法

本文采用DeST軟件計算車站公共區(qū)的全年冷負(fù)荷，并借用ASHRAE的溫頻法(BIN)的形式來整理負(fù)荷數(shù)據(jù)。

根據(jù)BIN，首先對室外干球溫度進(jìn)行溫頻段劃分。參考美國空調(diào)、供熱及制冷工業(yè)協(xié)會最新標(biāo)準(zhǔn)AHR 1550/590—2015[7]，以2.8 ℃(5℉)為一個溫頻段,因此可將空調(diào)季的室外干球溫度劃分為k個溫頻段。按照該標(biāo)準(zhǔn)所采用的Ton-Hour方法，確定出每個溫頻段的冷噸小時數(shù)Tch。并且遵循該標(biāo)準(zhǔn)附錄D中Table D1的劃分方式，確定a、b、c、d中溫頻段的范圍劃分。

4 典型地鐵車站公共區(qū)全年冷負(fù)荷與采用濕球溫度為基準(zhǔn)的IPLV評價

從地理位置、氣候特征、建設(shè)水平等綜合因數(shù)評估，建議選用廣州作為夏熱冬暖地區(qū)地鐵車站公共區(qū)水冷直膨式空調(diào)機(jī)組IPLV評價的基準(zhǔn)城市。

以廣州地鐵某典型車站公共區(qū)為例，該站為2層地下島式車站，包括了負(fù)一層的地鐵站廳和負(fù)二層的地鐵站臺，站廳面積為1 734.6 m2，站臺面積為1 118.2 m2。車站公共區(qū)的冷負(fù)荷由車站兩端環(huán)控機(jī)房內(nèi)設(shè)置的2臺水冷直膨式空調(diào)機(jī)組承擔(dān)，各負(fù)擔(dān)公共區(qū)一半的空調(diào)負(fù)荷。由于廣州地鐵空調(diào)季為4月初至11月底，其余時間段空調(diào)機(jī)組全新風(fēng)運(yùn)行，所以模擬的時間段為4月1日—11月30日。使用DeST軟件建立地鐵站模型，對于影響地鐵站公共區(qū)冷負(fù)荷的人員、設(shè)備、新風(fēng)量、屏蔽門和出入口漏風(fēng)量的參數(shù)；按照地鐵公司所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，對于客流量的變化，則按照廣州地鐵某標(biāo)準(zhǔn)日客流量變化(見圖2)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

地鐵公共區(qū)的冷負(fù)荷組成部分，與普通公共建筑有所不同。原因在于地鐵公共區(qū)位于地下，受太陽輻射傳熱影響小，所以新風(fēng)冷負(fù)荷占了冷負(fù)荷更大的比重。由于在空調(diào)工況下，室外新風(fēng)焓值是濕球溫度的單值函數(shù)，因此分析采用濕球溫度作為IPLV的評價的可能性。

為分析濕球溫度和冷負(fù)荷的關(guān)聯(lián)性，首先排除非空調(diào)季的時間段和地鐵非運(yùn)營時間段后，利用DeST軟件對地鐵站廳站臺進(jìn)行模擬，得到剩余的4 392 h對應(yīng)的冷負(fù)荷。以剩余4 392 h對應(yīng)的干球溫度和濕球溫度分別作為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的冷負(fù)荷作為縱坐標(biāo),作冷負(fù)荷散點(diǎn)圖，如圖3所示。

圖2 廣州地鐵某標(biāo)準(zhǔn)日客流量變化曲線圖

圖3 干球溫度和濕球溫度對應(yīng)的冷負(fù)荷散點(diǎn)圖

從圖3可發(fā)現(xiàn)，濕球溫度與其對應(yīng)的最大冷負(fù)荷在濕球溫度最低值到最高值之間都存在明顯的線性關(guān)系，而干球溫度和冷負(fù)荷無明顯線性關(guān)系。其原因在于地鐵站廳和站臺的冷負(fù)荷主要是由設(shè)備、人員及新風(fēng)三部分冷負(fù)荷構(gòu)成的。設(shè)備冷負(fù)荷不隨時間和濕球溫度的變化而發(fā)生變化，可近似看作定值；人員冷負(fù)荷不隨濕球溫度變化但隨人流量變化，因此影響的是同一濕球溫度下縱坐標(biāo)的最小值與最大值之差；而新風(fēng)冷負(fù)荷受濕球溫度影響較大，因此在最大冷負(fù)荷(設(shè)備、人員冷負(fù)荷均為最大值)下，室外新風(fēng)焓值是濕球溫度的單值函數(shù)，因此存在明顯的線性關(guān)系。從以上分析可知，對于IPLV評價，在地鐵車站環(huán)境中采用濕球溫度比采用干球溫度更為準(zhǔn)確。

因此利用剩余的4 392 h對應(yīng)的室外濕球溫度進(jìn)行溫頻段的劃分，得到如圖4所示的室外濕球溫度頻率圖。各溫頻段單臺機(jī)組承擔(dān)的冷負(fù)荷率分布圖如圖5所示。

圖4 室外濕球溫度各溫頻段的供冷小時數(shù)分布

圖5 室外濕球溫度各溫頻段的冷負(fù)荷率分布

最后按圖6求得各頻段的冷噸小時數(shù)。然后根據(jù)AHRI 550/590—2015將溫頻段劃分為：設(shè)計溫頻、高峰溫頻、低峰溫頻和最小溫頻4個部分。

圖6 室外濕球溫度各溫頻段的供冷量分布圖

劃分溫頻數(shù)之后可進(jìn)行系數(shù)a、b、c、d的確定，計算結(jié)果為：當(dāng)大溫頻小時數(shù)為17 h，大溫頻負(fù)荷率為100%時，a為0.8%；當(dāng)大溫頻小時數(shù)為2 664 h、大溫頻負(fù)荷率為82.3%時，b=81.1%；當(dāng)大溫頻小時數(shù)為536 h、大溫頻負(fù)荷率為51.2%時，c=16.3%；當(dāng)大溫頻小時數(shù)為57 h、大溫頻負(fù)荷率為34.9時，d=1.8%。

以濕球溫度為基準(zhǔn)，以廣州夏熱冬暖地區(qū)典型地鐵車站公共區(qū)為代表的水冷直膨式空調(diào)機(jī)組綜合部分IPLV的計算式為：

IPLV=0.8%A+81.1%B+16.3%C+1.8%D

(2)

5 結(jié)語

夏熱冬暖地區(qū)地鐵車站公共區(qū)適宜使用水冷直膨式空調(diào)系統(tǒng)，水冷直膨式空調(diào)機(jī)組供冷季大部分工作時間將在部分負(fù)荷工況下長時間運(yùn)行，采用IPLV來評價機(jī)組在整個供冷季的能源利用效率更為客觀與真實(shí)。在目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失的情況下，本文結(jié)合廣州地區(qū)氣象條件與典型地鐵車站建筑的負(fù)荷特性，通過理論分析與全年冷負(fù)荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計，給出了適用于我國夏熱冬暖地區(qū)地鐵車站公共區(qū)水冷直膨式空調(diào)機(jī)組的IPLV計算公式，以及名義工況及部分負(fù)荷率下COP測試工況條件，希望為我國城市軌道交通車站水冷直膨式空調(diào)機(jī)組國家標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。