地鐵車站冷卻塔運行實測及節(jié)能改造案例分析

潘雷剛 張世勇 翟宇昕 常晟 張浩 邵嘉興 王海波

1 同方泰德國際科技（北京）有限公司

2 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司

0 引言

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，城市化進程大大加快，交通出行需求激增，地鐵的城市骨干交通作用越來越明顯。但隨之而來能耗總量和強度也在迅猛增長，能源成本支出占運營成本比重不斷加大。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵系統(tǒng)中的耗能大戶，其運行能耗約占總能耗的50%～60%，而空調(diào)水系統(tǒng)能耗約占空調(diào)系統(tǒng)能耗的65%[1]。因而提高空調(diào)水系統(tǒng)的運行能效對于減少地鐵運行能耗尤為重要。

冷卻塔作為冷水機組冷凝側(cè)的散熱設(shè)備，對于空調(diào)水系統(tǒng)運行性能至關(guān)重要[2]。加強冷卻塔的運行控制，實現(xiàn)冷卻塔的高效節(jié)能運行對整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能具有重要意義[3]。

本文通過具體案例，探討冷卻塔運行對冷水系統(tǒng)冷卻側(cè)的影響，并通過冷卻塔節(jié)能改造實際案例，分析通過冷卻塔控制優(yōu)化，實現(xiàn)冷水系統(tǒng)能效提升。

1 案例現(xiàn)狀分析

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

本次調(diào)研車站為北京地鐵某線路 20 個地下車站，選取調(diào)研車站冷卻塔均為兩臺低噪聲橫流式冷卻塔，冷卻水通過母管送至地面后分為兩個分支由兩個冷卻塔分別進行冷卻。每臺冷卻塔進水相互獨立，出水通過各自集水盤匯總通過母管下塔。其原理如圖 1所示：

圖1 冷卻塔系統(tǒng)管路流程圖

車站均采用“ 一機對一泵對一塔”的開啟形式，冷卻塔開啟臺數(shù)隨冷水機組開啟臺數(shù)的變化而變化，當(dāng)冷水機組開啟一臺時，冷卻塔開啟臺數(shù)也為一臺。冷卻塔風(fēng)機采用變頻控制，風(fēng)機頻率根據(jù)冷卻塔出水設(shè)定值進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，冷卻塔出水溫度設(shè)定值采用面板手動設(shè)定。

1.2 冷卻塔效率測試

冷卻塔效率作為衡量冷卻塔運行狀態(tài)的重要參數(shù)。公式如下所示：

式中：η為冷卻塔效率；tin為冷卻水進冷卻塔溫度；tout為冷卻水出冷卻塔溫度；twb為室外濕球溫度。

通過對調(diào)研車站冷卻塔進出水溫度、室外濕球溫度進行測試，分析其各自車站冷卻塔效率，具體數(shù)據(jù)記錄如表1 所示?？梢钥闯?，測試期間各個站點冷卻塔控制面板出水溫度設(shè)定值在28～32 ℃之間，在室外濕球溫度26±0 .5 ℃下，調(diào)研車站冷卻塔效率在40.9%～55.8%之間。

表1 地下車站冷卻塔測試數(shù)據(jù)

冷卻塔出水溫度與濕球溫度對比如圖 2 所示，從圖中可以看出各冷卻塔換熱趨近溫度平均值為5.4 ℃，高于理想換熱溫差[4]。目前運行狀況沒有充分利用冷卻塔進行換熱，有進一步的優(yōu)化空間。

圖2 冷卻塔出水溫度與濕球溫度對比

1.3 冷卻塔運行對系統(tǒng)能耗影響

為了探究冷卻塔運行狀況對車站冷水系統(tǒng)運行能耗的影響，選取 1# 站點在濕球溫度為 25.8 ℃時的運行情況進行測試。調(diào)研過程中保持水泵運行在50Hz工頻以保證冷卻水流量穩(wěn)定，通過手動改變冷卻塔啟停數(shù)量及風(fēng)機頻率以觀察在實現(xiàn)不同出水溫度的同時系統(tǒng)整體功率的變化，數(shù)據(jù)記錄如表2 所示。

表2 1#站點測試數(shù)據(jù)

由表 2 數(shù)據(jù)可見，在室外濕球溫度基本不變的情況下，隨著出塔溫度的降低，冷卻塔功率有所升高，機組功率出現(xiàn)了較為明顯的降低，冷卻側(cè)設(shè)備整體功率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。

2 冷卻塔塔群節(jié)能控制

基于測試數(shù)據(jù)分析，在相同工況下為使冷卻側(cè)的能耗最低，冷卻塔出水溫度控制至關(guān)重要。本章提出冷卻塔根據(jù)冷量負(fù)荷、室外天氣、冷卻塔物理狀況等參數(shù)，以冷卻側(cè)能效最高為目標(biāo)的節(jié)能控制策略，并嵌入冷卻塔控制裝置中。

2.1 控制改造方案

目前地鐵車站冷水系統(tǒng)各設(shè)備接入車站 BAS 系統(tǒng)，執(zhí)行BAS 系統(tǒng)下發(fā)的控制指令。本次冷卻塔控制做增量改造，在保持原系統(tǒng)完整的前提下，增加 EEC節(jié)能控制系統(tǒng)。冷卻塔控制改造新增設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，EEC 系統(tǒng)通過 BAS 系統(tǒng)對冷水系統(tǒng)各設(shè)備運行狀況進行監(jiān)視，讀取各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，對新增冷卻塔控制柜下發(fā)控制指令。

圖3 冷卻塔控制改造新增設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

冷卻塔控制改造示意圖如圖 4 所示，新增冷卻塔控制柜與原冷卻塔控制柜組成節(jié)能模式和原模式，切換方式通過繼電器及信號隔離模塊實現(xiàn)兩種模式切換。BAS 和EEC 系統(tǒng)控制冷卻塔啟停、頻率給定通過同一繼電器的公共觸點與常開、常閉觸頭實現(xiàn)，反饋信號則通過原冷卻塔柜內(nèi)增加信號隔離模塊1 分2 實現(xiàn)（1 路接入原冷卻塔控制柜，1 路接入新增的冷卻塔控制柜）。

圖4 冷卻塔控制改造示意圖

2.2 控制系統(tǒng)及流程

冷卻塔塔群控制系統(tǒng)工作流程如圖5 所示。冷卻塔智能控制系統(tǒng)接受冷源群控系統(tǒng)下發(fā)的啟動、停止控制指令。智能控制系統(tǒng)主要由智能學(xué)習(xí)模塊、智能采集模塊、塔群控制執(zhí)行模塊組成，智能控制模塊包括冷卻塔自控算法模塊、冷卻塔開啟組別選擇模塊、冷卻塔設(shè)定值優(yōu)化模塊、冷卻塔效率判斷模塊等。智能采集模塊包含冷卻水流量采集模塊、冷卻塔出水溫度采集模塊、室外溫濕度采集模塊、冷卻塔風(fēng)機電耗采集模塊、冷卻泵電耗采集模塊、冷機電耗采集模塊等。在冷卻塔智能控制系統(tǒng)接收到啟動指令后，由智能學(xué)習(xí)模塊判斷冷卻塔歷史運行效率，下發(fā)開啟效率最高的冷卻塔，且最低頻率運行。由智能采集模塊通過BAS 系統(tǒng)采集實時運行參數(shù)為智能控制系統(tǒng)提供自計算學(xué)習(xí)支撐，自學(xué)習(xí)結(jié)果由智能控制系統(tǒng)下發(fā)至塔群控制執(zhí)行模塊執(zhí)行。

圖5 冷卻塔塔群控制系統(tǒng)圖

2.3 控制工藝策略

冷卻側(cè)節(jié)能的目標(biāo)為：在給定的冷量下，冷機、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機三者的總能耗最低。冷卻塔塔群控制采用“ 冷卻塔全開、風(fēng)機聯(lián)控”的控制方式，以冷卻塔出水溫度為控制目標(biāo)，針對不同運行工況下，系統(tǒng)會對冷卻塔出水溫度設(shè)定值進行自學(xué)習(xí)并實時優(yōu)化。

3 冷卻塔塔群控制實測驗證

為了分析冷卻塔塔群節(jié)能控制系統(tǒng)與冷卻塔普通變頻的運行方式的節(jié)能效果，選取1#典型車站利用對比測試的方式進行能耗分析。測試時間為2019 年7月1 日～30 日，冷卻塔兩種運行模式采用交替運行的方式，即冷卻塔一天運行模式1（普通變頻控制），一天運行模式2（塔群節(jié)能控制）。對比工況下冷源內(nèi)制冷機運行模式相同，逐時濕球溫度、耗冷量基本相同。由此對比兩組工況下的電耗數(shù)據(jù)，得出冷卻塔改造運行策略優(yōu)化后的節(jié)能量。本次測試所用溫度傳感器、電功率計均進行了校核。

測試期間冷機開啟時間為7:00～23:00，冷機冷凍水出水溫度設(shè)定不變，冷卻水泵、冷凍水泵工頻運行。測試時間內(nèi)的冷水系統(tǒng)逐日冷量、耗電量、冷水系統(tǒng)能效EER 對比如圖6～8 所示。

圖6 冷水系統(tǒng)逐日供冷量對比圖

圖7 冷水系統(tǒng)逐日耗電量對比圖

圖8 冷水系統(tǒng)逐日能效EER 對比圖

從圖 6～8 可以看出：兩種模式運行下冷水系統(tǒng)的累計供冷量分別為 210605 kWh、208982 kWh，累計供冷量偏差0.7%，可基本認(rèn)為一致。兩種模式運行下累計耗電量分別為 56893 kWh、51020 kWh，在運行模式2 工況時節(jié)電率達到 10.3%。兩種模式運行下冷水系統(tǒng)能效EER 分別為 3.7、4.1，在運行模式 2 工況時冷水系統(tǒng)能效EER 提升10.6%。

為了對比兩種模式下，冷卻塔實際出水溫度情況，選取第 15 組對比數(shù)據(jù)（7 月 29 日、7 月 30 日）進行逐時分析如圖9 所示。在 29 日、30 日的室外溫濕度基本一致，冷機供冷量偏差為1.63%。從圖9 可以看出冷卻塔運行策略改變后，冷卻塔出水溫度有明顯下降，從模式1 工況下平均30.2 ℃降到27.5 ℃，降低了2.7 ℃。因冷卻塔出水溫度的降低，冷水系統(tǒng)能效得到提升。

圖9 冷卻塔出水溫度對比圖

通過對1#車站歷史耗電量進行調(diào)取，車站 2018年冷水系統(tǒng)耗電量為45.5 萬kWh，冷卻塔塔群控制改造后預(yù)計每年可節(jié)約 4.7 萬 kWh 耗電量，年節(jié)能費用約為3.8 萬元。

4 結(jié)語

本文通過對某地鐵線路車站進行調(diào)研測試，發(fā)現(xiàn)目前地鐵車站冷卻塔存在運行效率偏低的問題。針對冷卻塔運行現(xiàn)狀，在 1#站點通過改變冷卻塔的啟停數(shù)量及風(fēng)機頻率發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻塔運行頻率的增加冷水系統(tǒng)的整體功率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，說明冷卻塔控制存在優(yōu)化空間。

基于此提出以“ 冷卻塔全開、風(fēng)機聯(lián)控”的冷卻塔塔群節(jié)能控制策略，并嵌入塔群控制裝置中。該控制裝置在1#車站站點進行試驗。采用對比測試的方式進行節(jié)能分析，在塔群節(jié)能控制模式下系統(tǒng)運行穩(wěn)定，冷水系統(tǒng)整體節(jié)電率達到 10.3%，系統(tǒng)能效 EER 提升10.6%。冷卻塔塔群控制改造后，1 #車站年預(yù)計節(jié)約耗電量4.7 萬kWh。