地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)耗電輸冷比分析

米青松

(中鐵現(xiàn)代勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 300301， 天津∥工程師)

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗在地鐵總能耗中的占比較大,降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗已成為地鐵節(jié)能的重要措施之一。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年的城市軌道交通建設(shè)，地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)的模式趨于成熟和固定，為總結(jié)分析系統(tǒng)規(guī)律和設(shè)計(jì)參數(shù)范圍、研究空調(diào)系統(tǒng)的共性特征提供了條件。

地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)循環(huán)水泵的運(yùn)行能耗約占地鐵車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的15%[1]。冷水系統(tǒng)的輸配節(jié)能是車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要部分。GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源、輸配系統(tǒng)、末端系統(tǒng)提出了明確的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。其中，輸配系統(tǒng)的節(jié)能控制參數(shù)主要是空調(diào)冷水系統(tǒng)的耗電輸冷比E。該標(biāo)準(zhǔn)要求冷水系統(tǒng)的輸冷比計(jì)算值不能大于系統(tǒng)輸冷比的節(jié)能判定值。

本文通過(guò)對(duì)典型地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)循環(huán)阻力的總結(jié)分析，提出冷水系統(tǒng)循環(huán)水泵揚(yáng)程的常規(guī)取值范圍。在此基礎(chǔ)上，研究典型車(chē)站冷水系統(tǒng)耗電輸冷比常規(guī)計(jì)算結(jié)果，給出水泵選型一致的一次泵耗電輸冷比計(jì)算簡(jiǎn)式和水泵揚(yáng)程限值圖，以方便設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期對(duì)地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)循環(huán)阻力的限值進(jìn)行預(yù)估。最后，提出地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)滿(mǎn)足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)耗電輸冷比限值的控制措施。

1 冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的計(jì)算公式

冷水系統(tǒng)耗電輸冷比E是冷水系統(tǒng)輸送單位冷量所需要的能耗，其計(jì)算式如下：

E=0.003 096∑(GH/ηb)/Q≤A(B+α∑L)/ΔT[2]

(1)

式中：

G——每臺(tái)運(yùn)行水泵的設(shè)計(jì)流量，m3/h；

H——每臺(tái)運(yùn)行水泵對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，m(1 m水柱=10 kPa)；

ηb——每臺(tái)運(yùn)行水泵對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)效率；

Q——車(chē)站設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，kW；

A——與水泵流量有關(guān)的計(jì)算系數(shù)；

B——與機(jī)房及用戶(hù)的水阻力有關(guān)的計(jì)算系數(shù)；

∑L——從機(jī)房出口至該系統(tǒng)最遠(yuǎn)用戶(hù)供回水管道的總輸送長(zhǎng)度，m；

α——與ΣL有關(guān)的計(jì)算系數(shù)；

ΔT——規(guī)定的計(jì)算供回水溫差，℃。

2 地鐵車(chē)站空調(diào)冷水系統(tǒng)及循環(huán)阻力分析

如圖1所示，典型地鐵車(chē)站空調(diào)冷水系統(tǒng)為冷水機(jī)組定流量運(yùn)行的一級(jí)泵變流量系統(tǒng)，末端空調(diào)機(jī)組設(shè)水路兩通閥，通常配置2臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組。本文首先對(duì)典型車(chē)站冷水系統(tǒng)的阻力進(jìn)行分析，選取式(1)所需的各項(xiàng)參數(shù)，再對(duì)耗電輸冷比進(jìn)行計(jì)算分析。

注:實(shí)線(xiàn)為供水管;虛線(xiàn)為回水管;Δp為壓差閥。

2.1 車(chē)站冷水系統(tǒng)的阻力分析

車(chē)站冷水系統(tǒng)阻力包括機(jī)房?jī)?nèi)阻力和末端側(cè)阻力，以分水器及集水器為界。

2.1.1 冷水系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)阻力分析

基于實(shí)際運(yùn)行情況，車(chē)站冷凍機(jī)房?jī)?nèi)冷水系統(tǒng)各阻力計(jì)算參數(shù)選用值如下：車(chē)站內(nèi)分水器及集水器冷凍機(jī)房側(cè)水循環(huán)沿程阻力通常為8～15 kPa，本文取10 kPa(即1 m水柱)；冷水機(jī)組蒸發(fā)器阻力不大于70 kPa，本文取70 kPa(即7 m水柱)；機(jī)房?jī)?nèi)管道局部阻力損失一般不小于30 kPa，本文取40 kPa(即4 m水柱)；冷凍水泵出水管側(cè)的全自動(dòng)水處理器阻力不大于30 kPa，本文取30 kPa(即3 m水柱)。由此，車(chē)站冷水系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)阻力合計(jì)為15 m水柱。

2.1.2 冷水系統(tǒng)末端側(cè)阻力分析

地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)末端側(cè)管網(wǎng)主要包括由設(shè)備集中端1臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組和3臺(tái)小空調(diào)機(jī)組(分別服務(wù)于人員房間、弱電設(shè)備房間、變電所房間)組成的供回水管路，以及由設(shè)備非集中端1臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組和1臺(tái)小空調(diào)機(jī)組組成的供回水管路。各空調(diào)機(jī)組的阻力分別為：

1) 車(chē)站兩端各設(shè)1臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組，分別負(fù)擔(dān)車(chē)站公共區(qū)的一半空調(diào)冷負(fù)荷。2臺(tái)空調(diào)機(jī)組的選型相同，其機(jī)組制冷量一般為300～550 kW。典型地鐵車(chē)站計(jì)算選型風(fēng)量為75 000 m3/h，表冷器按6排管制冷量400 kW考慮，水阻力不大于50 kPa，組合式空調(diào)機(jī)組機(jī)外余壓為600 Pa。

2) 設(shè)備集中端人員房間空調(diào)機(jī)組和非集中端小空調(diào)機(jī)組的制冷量一般為40～85 kW，典型車(chē)站計(jì)算選型表冷器制冷量為50 kW，表冷器水阻力約為30 kPa。

3) 弱電設(shè)備房間空調(diào)機(jī)組制冷量一般為210～320 kW，典型車(chē)站計(jì)算選型表冷器制冷量為250 kW，表冷器水阻力約為50 kPa。

4) 變電所房間空調(diào)機(jī)組制冷量一般為100～250 kW，典型車(chē)站計(jì)算選型表冷器制冷量為150 kW，表冷器水阻力約為50 kPa。

通過(guò)負(fù)荷和流量的估算，冷水系統(tǒng)末端側(cè)管網(wǎng)阻力的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 冷水系統(tǒng)末端側(cè)管網(wǎng)阻力計(jì)算 單位：m水柱

由表1可知，車(chē)站冷水系統(tǒng)的最不利環(huán)路為設(shè)備非集中端組合式空調(diào)機(jī)組的供回水管路。冷水系統(tǒng)末端側(cè)管網(wǎng)的最不利環(huán)路循環(huán)阻力為16.0 m水柱。

2.1.3 冷凍水泵揚(yáng)程取值

由上文可知，典型車(chē)站冷水系統(tǒng)計(jì)算管道阻力為機(jī)房?jī)?nèi)阻力和末端側(cè)阻力之和，計(jì)算值為31.00 m水柱。因此，在典型地鐵車(chē)站E的計(jì)算中，G取123 m3/h；考慮1.15倍安全系數(shù)，H取35.65 m。

2.2 其余參數(shù)的選取

1) 一般的地鐵地下線(xiàn)路，設(shè)備集中和客流集中的車(chē)站其空調(diào)冷負(fù)荷較大，非設(shè)備集中站和線(xiàn)路端頭車(chē)站的空調(diào)冷負(fù)荷通常較小。冷水機(jī)組制冷量選型范圍一般在500～800 kW之間。由此，典型地鐵車(chē)站計(jì)算選擇制冷量為650 kW的螺桿式冷水機(jī)組2臺(tái)，則Q取1 300 kW。

2) 冷水系統(tǒng)的供水溫度、回水溫度分別為7 ℃、12 ℃，則ΔT為5 ℃。

3) 根據(jù)天津某地鐵線(xiàn)招標(biāo)后水泵選型設(shè)計(jì)文件，其車(chē)站水泵的綜合效率普遍在0.7～0.8之間，故在典型地鐵車(chē)站E的計(jì)算中，ηb取0.75。

4) 常規(guī)的地鐵車(chē)站主體長(zhǎng)度為180～300 m，冷凍機(jī)房到非設(shè)備集中端空調(diào)機(jī)房的距離一般為150 m～250 m，車(chē)站的冷凍機(jī)房到非設(shè)備集中端空調(diào)機(jī)房供回水管道的總長(zhǎng)度ΣL一般為350 m～550 m,故在典型地鐵車(chē)站E的計(jì)算中，ΣL取450 m。

5) 當(dāng)60 m3/h

2.3 冷水系統(tǒng)E的計(jì)算

將上文得到的計(jì)算參數(shù)代入式(1)，可得到典型車(chē)站冷水系統(tǒng)E為0.027 847 806。由GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知，E的判定值為0.028 39488。因此，根據(jù)本文典型車(chē)站選取的計(jì)算參數(shù)，E的計(jì)算值小于判定值，滿(mǎn)足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。但是，E的計(jì)算值與判定值較為接近，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制管道阻力和水泵設(shè)計(jì)效率，否則容易導(dǎo)致超標(biāo)。

3 地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)E值分析

地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)的形式相對(duì)固定和簡(jiǎn)單。典型車(chē)站通常設(shè)置2臺(tái)電動(dòng)壓縮螺桿式冷水機(jī)組，冷水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)選型相同的冷凍水泵。當(dāng)冷水系統(tǒng)為循環(huán)水泵型號(hào)一致的一次泵系統(tǒng)時(shí)，G、Q的計(jì)算式為[3]：

G=KP/(1.163ΔT)

(2)

Q=nP

(3)

式中：

K—水泵流量附加系數(shù)；

P—單臺(tái)水泵所負(fù)擔(dān)的冷負(fù)荷，kW；

n—水泵臺(tái)數(shù)。

考慮各地鐵車(chē)站的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，K取1.1，n取2。將式(2)、(3)式代入式(1)，E的計(jì)算式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

E=0.000 585 658H/ηb

(4)

由式(4)可知,對(duì)于水泵選型一致的一次泵冷水系統(tǒng)，E只取決于循環(huán)水泵的揚(yáng)程H和效率ηb。式(1)中的A、B、ΔT均為固定值，根據(jù)ΣL是否大于400 m，α有2種取值。因此，在計(jì)算得出不同水泵效率情況下，ΣL對(duì)應(yīng)的水泵揚(yáng)程限值圖如圖2所示。

圖2 水泵揚(yáng)程限值圖

在冷水系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)前，可通過(guò)查詢(xún)圖2，根據(jù)ΣL和ηb來(lái)確定滿(mǎn)足輸冷比要求最大的H值，從而有效減少冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的反復(fù)調(diào)整次數(shù)。例如：如某車(chē)站ΣL為450 m、ηb選0.75時(shí)，查圖2可得到H不應(yīng)大于36 m。

考慮到ηb為水泵的綜合效率，其值達(dá)到0.7～0.8，已屬高效節(jié)能[4]。因此，通過(guò)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)推算得到的H對(duì)地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)的循環(huán)水泵阻力選型影響較大。按目前水泵常用的設(shè)計(jì)效率，查圖2可知，H不宜大于40 m。

一般情況下，地鐵車(chē)站冷凍機(jī)房?jī)?nèi)阻力較為固定，其值一般為15 m水柱左右。由此，H取決于最不利環(huán)路的循環(huán)阻力。由上文可知，地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)的最不利環(huán)路是通往設(shè)備非集中端組合式空調(diào)機(jī)組的供回水管路。對(duì)最不利管路壓降進(jìn)行估算(見(jiàn)表2)，循環(huán)水泵的選型壓力為冷凍機(jī)房?jī)?nèi)阻力與最不利管路壓降之后并附加安全余量,通常在29～44 m水柱之間。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，H容易出現(xiàn)大于40 m的情況，需要通過(guò)冷水系統(tǒng)管路優(yōu)化將H控制在40 m以?xún)?nèi)。由此可進(jìn)行反向推算，由于冷凍機(jī)房和表冷器的水阻力為固定值，最不利環(huán)路的沿程阻力不宜大于10 m水柱。ΣL的常用取值450～500 m，比摩阻為200～220 Pa/m，因此建議地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)最不利環(huán)路的比摩阻不宜大于200 Pa/m。

表2 典型車(chē)站最不利環(huán)路壓降估算

4 結(jié)論

1) 在典型地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，輸冷比容易超過(guò)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。因此，在冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，根據(jù)冷水系統(tǒng)管路最大長(zhǎng)度提前掌握水泵揚(yáng)程限值是必要的。

2) 本文提供了冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的簡(jiǎn)化計(jì)算式，以及滿(mǎn)足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)耗電輸冷比要求的水泵揚(yáng)程限值圖。當(dāng)水泵效率固定時(shí)，地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)耗電輸冷比取決于循環(huán)水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

3) 為滿(mǎn)足運(yùn)行節(jié)能要求，地鐵車(chē)站冷水系統(tǒng)需嚴(yán)格控制管路阻力損失。建議冷凍水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程不宜大于40 m，冷水系統(tǒng)最不利環(huán)路的比摩阻不宜大于200 Pa/m。