某地鐵車站通風(fēng)空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備性能分析

周平

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州510010）

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目地鐵站開通于2009年12月，車站主體面積約34556m2，為明挖三層T型兩線換乘站。車站通風(fēng)空調(diào)冷源采用一次泵系統(tǒng)分站供冷，兩線共用制冷系統(tǒng)及機(jī)房，空調(diào)設(shè)計(jì)總冷量為2466kW。冷水機(jī)房置于負(fù)二層，主機(jī)采用2臺(tái)額定制冷量為1286kW的定頻螺桿冷水機(jī)組，冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷卻水供回水溫度為32/37℃。冷水機(jī)房內(nèi)設(shè)置了3臺(tái)冷凍水泵和3臺(tái)冷卻水泵，室外設(shè)置2臺(tái)冷卻塔，其中水泵為二用一備，水泵及冷卻塔均為定頻運(yùn)行。項(xiàng)目實(shí)施前地鐵運(yùn)營部門頻繁收到乘客關(guān)于車站溫度偏高的投訴，繼而委托第三方檢測單位對(duì)車站公共區(qū)溫度進(jìn)行了檢測，圖1為2016年夏季某日全天測試的逐時(shí)溫度分布情況。

圖1 車站公共區(qū)全天溫度

該城市地鐵車站站廳公共區(qū)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為29℃，站臺(tái)公共區(qū)為27℃。如圖1所示，顯然在測試當(dāng)天溫度值均高于設(shè)計(jì)溫度。項(xiàng)目實(shí)施前，項(xiàng)目組對(duì)該地鐵站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了為期半個(gè)月的能效檢測，以尋求問題的根源，主要檢測對(duì)象為制冷主機(jī)、空調(diào)水泵、冷卻塔等。

2 制冷主機(jī)能效檢測與處理建議

2.1 制冷主機(jī)能效檢測

測試期間某天20點(diǎn)41分，制冷主機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)：冷凍水進(jìn)水溫度10.9℃，出水溫度8.1℃，冷凍水進(jìn)出水溫差2.8℃；冷卻水進(jìn)水溫度28.4℃，出水溫度32.4℃，冷卻水進(jìn)出溫差4℃。由于本站水系統(tǒng)采用定流量變水溫控制，當(dāng)冷凍水進(jìn)出水溫差為2.8℃時(shí)，主機(jī)的負(fù)載率約為56%。根據(jù)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律可知，此時(shí)大系統(tǒng)和空調(diào)小系統(tǒng)均在運(yùn)行，同時(shí)執(zhí)行的是小新風(fēng)空調(diào)工況。經(jīng)對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分析，本站大、小系統(tǒng)空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的比值約為3∶2，記錄時(shí)刻雖然已是晚高峰客流之后，但車站公共區(qū)的平均溫度約為29.5℃，已經(jīng)超過站廳設(shè)計(jì)溫度29℃和站臺(tái)設(shè)計(jì)溫度27℃。經(jīng)上述分析，制冷主機(jī)制冷量輸出顯然不足，圖2為制冷機(jī)房全天制冷功率與電功率變化曲線。

由圖2可知測試當(dāng)天制冷機(jī)房全天最大的制冷能力約1300kW，約占額定制冷量53%，制冷主機(jī)的COP（制冷主機(jī)制冷量與耗電功率的比值）約為2.8～3.2。

圖2 制冷機(jī)房全天制冷功率及電功率變化曲線

2.2 制冷主機(jī)處理建議

測試期間車站冷負(fù)荷已接近設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，然而據(jù)測試結(jié)果來看，制冷機(jī)房的供冷能力即使是在峰值也僅達(dá)到設(shè)計(jì)能力的53%，顯然不滿足環(huán)境溫度控制的需求。綜合測試結(jié)果及分析來看，冷水機(jī)房供冷能力下降嚴(yán)重是車站環(huán)境溫度不達(dá)標(biāo)的主要原因之一。

為解決車站溫度偏高的問題，建議對(duì)車站原定頻螺桿制冷主機(jī)進(jìn)行更換，以確保機(jī)房的制冷能力。結(jié)合地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷特性，系統(tǒng)大部分時(shí)段都是處于部分負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，因此建議新制冷主機(jī)采用部分負(fù)荷工況下COP較高的機(jī)組以滿足節(jié)能要求。

3 冷卻塔性能分析與處理建議

3.1 冷卻塔性能分析

本站采用兩臺(tái)冷卻塔，冷卻塔布置在地面高風(fēng)亭頂部，風(fēng)亭位于城市交通干道旁，距離冷卻塔約30m處為輕重餐飲混合的商業(yè)建筑群。本站采用的是橫流式冷卻塔，額定流量為345m3/h，額定電功率為11kW。經(jīng)現(xiàn)場勘察與分析，發(fā)現(xiàn)冷卻塔結(jié)垢問題、填料老化問題非常嚴(yán)重，散熱性能下降嚴(yán)重。上述問題將在很大程度上影響制冷主機(jī)的COP，也大幅增加了冷卻塔的清洗頻率，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行不節(jié)能的同時(shí)也增加了運(yùn)營的運(yùn)維成本。

3.2 冷卻塔處理建議

眾所周知制冷循環(huán)為逆卡諾循環(huán)，制冷主機(jī)的冷卻水供水溫度將直接影響到逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)，而冷卻水的供水溫度與冷卻塔的性能息息相關(guān)。換而言之，冷卻塔的散熱性能已直接影響制冷主機(jī)的能效，進(jìn)而影響通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能效。結(jié)合地鐵運(yùn)營部門反饋的維護(hù)頻率，為提升環(huán)控系統(tǒng)的能效，建議更換兩臺(tái)冷卻塔。

4 空調(diào)水泵性能分析與處理建議

4.1 空調(diào)水泵性能分析

本站水系統(tǒng)水泵均按兩用一備設(shè)置，原設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 水系統(tǒng)水泵均按兩用一備設(shè)置參數(shù)

本站冷凍水泵和冷卻水泵均采用定頻運(yùn)行，圖3為測試期間某天的冷凍站設(shè)備用電占比情況?？芍鋬鏊煤屠鋮s水泵用電量占比接近30%，略高于常規(guī)車站的平均水平，具有一定的節(jié)能空間。

圖3 冷凍站各設(shè)備用電占比情況

經(jīng)對(duì)現(xiàn)場水系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算，當(dāng)冷凍水供回水溫差為5℃時(shí)，冷凍水泵的選型揚(yáng)程約為31.4m，略小于設(shè)備配置的35.7m揚(yáng)程。當(dāng)冷卻水供回水溫差為5℃時(shí)，冷卻水泵的選型揚(yáng)程約為23.1m，小于設(shè)備配置的28.6m揚(yáng)程。顯然空調(diào)水泵的揚(yáng)程配置較實(shí)際需求偏大，因此有一定的節(jié)能空間。

4.2 空調(diào)水泵處理建議

空調(diào)冷凍水相比于傳統(tǒng)的5℃供回水溫差，適當(dāng)加大供回水溫差可有效降低空調(diào)水系統(tǒng)輸送能耗。冷凍水溫差改變前后水泵的流量Q（m3/s）、揚(yáng)程ΔP（Pa）和功率N（kW）有如下關(guān)系：

本次改造中若將空調(diào)冷凍水供回水溫差調(diào)整為7℃后，額定冷凍水流量減少至之前的70%左右，則揚(yáng)程也將由之前的35.7m下降至20.1m。原空調(diào)水泵為定頻水泵，冷凍泵直接計(jì)算效率為58%、冷卻泵直接計(jì)算效率為68%，隨著一次泵變流量系統(tǒng)在地鐵車站中應(yīng)用的普及，一次泵變流量系統(tǒng)所帶來的節(jié)能效益越來越受到重視。從節(jié)約輸送能耗的角度而言，建議對(duì)原空調(diào)水泵進(jìn)行更換，同時(shí)選用新的高效變頻水泵匹配改造后的運(yùn)行工況。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目實(shí)施過程對(duì)制冷主機(jī)、冷卻塔及空調(diào)水泵進(jìn)行優(yōu)化和重新選型，目前車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)健康、節(jié)能運(yùn)行。環(huán)境溫度由改造前基本失控到可控，系統(tǒng)運(yùn)行由手動(dòng)運(yùn)行到全自動(dòng)運(yùn)行。本項(xiàng)目在解決了溫度問題的同時(shí)取得了非常好的節(jié)能效果，經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)鑒定綜合名義年節(jié)電率達(dá)到45%。