某地鐵車站高效制冷機房設(shè)計方案研究

周爽

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，隨著我國城市規(guī)模的不斷擴大，城市軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，行業(yè)能耗巨大。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗占地鐵運行總能耗的30%，而在空調(diào)系統(tǒng)能耗中，約60%~80%的能耗消耗在制冷機房系統(tǒng)內(nèi)。目前我國地鐵車站制冷機房電冷源綜合制冷性能系數(shù)（SCOP）為2.5~3.0左右，節(jié)能潛力大。在節(jié)能減排的時代背景下，提高地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的效率，可以有效降低地鐵運行能耗，節(jié)省運行費用，具有巨大的社會經(jīng)濟效益。為提高冷水機房綜合制冷性能系數(shù)，減少地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行能耗，本文研究了在某地鐵車站采用磁懸浮高效冷水機房的方案。

1 設(shè)備選型優(yōu)化

1.1 采用磁懸浮冷水機組

冷水機組是制冷系統(tǒng)的核心設(shè)備，設(shè)計高效冷水機房首先要保證冷水機組的高效。本方案選用2臺同容量的磁懸浮離心式冷水機組設(shè)置在車站大端冷水機房。磁懸浮離心式冷水機組利用磁懸浮軸承，通過磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機械接觸，避免了直接接觸所帶來的機械摩擦損耗。與傳統(tǒng)冷水機組相比，磁懸浮冷水機組制冷量調(diào)節(jié)范圍更廣。傳統(tǒng)離心機組通常采用動壓軸承，為了維持最小油膜厚度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能太低。而磁懸浮機組無增速齒輪，因此，部分負荷下的運行性能好，綜合部分負荷性能系數(shù)（IPLV）高。綜合部分負荷性能系數(shù)（IPLV）是基于機組部分負荷時的性能參數(shù)值，按機組在各種負荷條件下累積負荷百分比進行加權(quán)計算獲得的表示空氣調(diào)節(jié)用冷水機組部分負荷效率的單一數(shù)值。根據(jù)可查的實驗結(jié)果表明，在相同的條件下，相較于螺桿機組，磁懸浮機組的綜合部分負荷性能系數(shù)（IPLV）提升約42%，電機功耗降低約30%，設(shè)備能耗、電費降低約30%，節(jié)省運行費用約30%。

1.2 采用EC風(fēng)機空調(diào)器

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備能耗約占系統(tǒng)總能耗的30%，提高末端設(shè)備的效率對于提高系統(tǒng)總能效具有重要意義。本方案大系統(tǒng)組合式空調(diào)機組、小系統(tǒng)空氣處理機組風(fēng)機段采用EC風(fēng)機代替AC風(fēng)機。EC風(fēng)機指采用了EC電機的離心風(fēng)機，EC電機為內(nèi)置智能控制模塊的直流無刷式免維護型電機，具有以下優(yōu)勢：①結(jié)構(gòu)緊湊，配置簡單：EC風(fēng)機無皮帶傳動損耗及皮帶更換費用，集成度高，無需變頻器，接線及現(xiàn)場調(diào)試簡單，安裝、維護更加便捷。采用EC風(fēng)機可使空調(diào)器風(fēng)機段減少長度200mm；②高效節(jié)能：采用機翼型葉片，氣流損失低，效率高，穩(wěn)定性好；電機調(diào)速范圍廣；出風(fēng)氣流均勻，阻力損失??；無需強制冷卻，利用氣流降溫，可延長電機壽命，同時減少強冷風(fēng)扇耗電；③高可靠性：EC外轉(zhuǎn)子電機因為風(fēng)葉均勻受力于電機軸，軸承可免于維護；④備用性好：風(fēng)機可以設(shè)定提速補償損失風(fēng)量，系統(tǒng)無需停機維護，可避免由于系統(tǒng)停運造成的損失。

采用EC風(fēng)機的空氣處理機組，在運行管理得當?shù)那闆r下，能夠節(jié)省可觀的運行費用，同時可以增加管理維護的便利性。

1.3 冷凍水系統(tǒng)優(yōu)化

車站冷凍水系統(tǒng)采用一次泵變流量閉式循環(huán)系統(tǒng)。冷凍水系統(tǒng)設(shè)置供、回水干管，將冷水機組制備出的冷凍水分別供給位于車站兩端環(huán)控機房內(nèi)的公共區(qū)組合式空調(diào)機組和設(shè)備管理用房空氣處理機組。取消分、集水器，在冷凍水供、回水干管間設(shè)置電動壓差旁通閥，通過調(diào)節(jié)閥的旁通作用，保證系統(tǒng)水量不小于單臺冷水機組允許的最小流量。大系統(tǒng)、小系統(tǒng)回水管路上設(shè)置電動二通調(diào)節(jié)閥，通過電動二通調(diào)節(jié)閥改變流經(jīng)大系統(tǒng)組合式空調(diào)器、小系統(tǒng)空調(diào)機組表冷器的水量來適應(yīng)空調(diào)負荷的變化。在水系統(tǒng)最不利環(huán)路的供回水管間設(shè)置壓差傳感器，控制水泵變頻，保證最不利環(huán)路的資用壓差足以克服該環(huán)路水阻。

冷凍水供回水溫度由傳統(tǒng)的12℃/7℃調(diào)整為17℃/10℃，冷凍水溫差由5℃提高到7℃，提高冷凍水供回水溫差可以減小該系統(tǒng)循環(huán)流量，有效減少水泵與管路的初投資，降低系統(tǒng)輸配能耗。

1.4 冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化

冷卻塔采用阻燃型超低噪聲橫流式冷卻塔，冷卻塔與冷水機組一一對應(yīng)，管道采取干管制。冷卻塔不設(shè)調(diào)節(jié)水池。冷卻塔、冷卻水泵與冷水機組一一對應(yīng)，不設(shè)備用泵；冷卻循環(huán)系統(tǒng)的水質(zhì)穩(wěn)定采用全程水處理裝置，并預(yù)留化學(xué)藥劑處理位置，系統(tǒng)水質(zhì)控制指標參照《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范（GB 50050—2007）》。

冷卻水供回水溫度由傳統(tǒng)的32℃/37℃調(diào)整優(yōu)化為30.5℃/35.5℃，同時在冷卻塔圍欄上布置溫濕度傳感器檢測室外氣象參數(shù)，以降低為冷卻塔實際運行逼近度（經(jīng)過冷卻塔冷卻后的水溫與環(huán)境濕球溫度的差值），通過以上措施可有效節(jié)約冷卻水系統(tǒng)運行能耗。

2 優(yōu)化冷水機房布局

2.1 優(yōu)化管路設(shè)計

冷水機房內(nèi)設(shè)備、管路布置應(yīng)符合工藝流程，便于安裝，便于操作管理，并應(yīng)預(yù)留設(shè)備檢修空間。同時應(yīng)使設(shè)備安裝緊湊，充分利用空間。冷水機房內(nèi)管路優(yōu)化以降低管路阻力為原則，管路管徑選擇根據(jù)經(jīng)濟流速選取。管路連接應(yīng)保證流向通暢，采用順水彎頭、順水三通代替對應(yīng)的直角管件。通過優(yōu)化管路布置、精細管路水力計算，冷凍水泵選型參數(shù)揚程由29m降低為20m，冷卻水泵選型參數(shù)揚程由27m降低為19m，這一措施可有效降低設(shè)備投資以及運行能耗，如圖1所示。

圖1 冷水機房設(shè)備及管路布置

2.2 采用冷水機房預(yù)制方案

采用冷水機房預(yù)制方案，采用工廠預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場模塊拼裝。對冷水機房內(nèi)設(shè)備、管線進行三維設(shè)計，利用Revit軟件建模，建模范圍包括冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、水處理器以及機房內(nèi)冷卻水管、冷凍水管及其他附屬管件。BIM設(shè)計可優(yōu)化管路走向，進一步降低管路損失。優(yōu)化后機房布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，既節(jié)約空間又便于運營人員日常管理維護。通過對機房進行預(yù)制，可大大加快機房的施工速度，可將冷水機房施工周期由正常的15d左右縮短至48h。同時由于工廠化標準化生產(chǎn)，施工質(zhì)量更有保障。在工廠對設(shè)備進行預(yù)調(diào)試，可縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。

2.3 系統(tǒng)自動控制設(shè)計

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)均采用變流量系統(tǒng)。冷凍水泵、冷卻水泵設(shè)置變頻裝置，根據(jù)車站冷負荷的變化變流量運行。車站設(shè)置風(fēng)水聯(lián)調(diào)智能控制系統(tǒng)，聯(lián)合控制公共區(qū)大系統(tǒng)、管理房小系統(tǒng)和車站水系統(tǒng)，以實現(xiàn)節(jié)能運行、監(jiān)控功能及連鎖保護功能?？照{(diào)水系統(tǒng)由風(fēng)水聯(lián)動智能控制系統(tǒng)控制，接受環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）的命令，與環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）互傳數(shù)據(jù)。

每臺冷水機組主機上冷凍、冷卻管上各設(shè)置一個溫度傳感器，冷凍、冷卻供水干管上設(shè)置一個流量傳感器，用于監(jiān)測每臺主機的流量分配、運行效率，為控制每臺主機運行在高效狀態(tài)點提供數(shù)據(jù)支撐。大系統(tǒng)空調(diào)器供回水管路上設(shè)置溫度、壓力傳感器，供水管上設(shè)置流量傳感器，小系統(tǒng)空調(diào)器供回水管路間設(shè)置壓差傳感器，用于監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，為環(huán)控系統(tǒng)的控制提供數(shù)據(jù)支撐。冷卻塔圍欄上布置溫濕度傳感器，用于檢測室外的氣象條件，確定冷卻塔的控制參數(shù)。冷卻塔的出水管設(shè)置溫度傳感器，用于在降低冷卻塔出水溫度的同時，合理控制冷卻塔風(fēng)機的頻率。風(fēng)機盤管支路設(shè)置平衡閥及相應(yīng)的溫度傳感器，用于控制冷凍水分水平衡，為實現(xiàn)冷凍水供回水在設(shè)計溫差下運行提供保障。

2.4 評價指標

電冷源綜合制冷性能系數(shù)（SCOP）是設(shè)計工況下，電驅(qū)動的制冷系統(tǒng)的制冷量與制冷機、冷卻水泵及冷卻塔凈輸入能量之比，是衡量制冷系統(tǒng)的一項重要技術(shù)經(jīng)濟指標，電冷源綜合制冷性能系數(shù)（SCOP）大，表示制冷系統(tǒng)能源利用效率高。計算公式為：

其中：Q-冷水機組制冷能力，kW；W-制冷機房耗電量，kW，為冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔等設(shè)備耗電量之和。

3 結(jié)語

在滿足功能需求的前提下，降低地鐵車站制冷機房內(nèi)能耗，既可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，也可相應(yīng)國家節(jié)能減排號召，為城市的低碳出行、綠色出行提供有力保障。在設(shè)計實踐中，設(shè)計人員需要根據(jù)與時俱進的發(fā)展要求，確保地鐵空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好，提高服務(wù)品質(zhì)，實現(xiàn)對空調(diào)能耗問題的科學(xué)應(yīng)對，從而節(jié)約資源，為軌道交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展注入活力。

通過優(yōu)化冷水機房內(nèi)設(shè)備的選型，優(yōu)化冷凍、冷卻水系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，精細化管道水力平衡設(shè)計，系統(tǒng)自動控制優(yōu)化設(shè)計等一系列技術(shù)措施，地鐵車站冷水機房電冷源綜合制冷性能系數(shù)（SCOP）可由傳統(tǒng)方案的5.0左右提高至6.5左右，可以達到十分顯著的節(jié)能效果，達到行業(yè)領(lǐng)先水平。