上海典型地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)能耗特點分析及運行診斷

上海建科節(jié)能技術(shù)有限公司 鄧光蔚 錢 程 張 丹

0 引言

在地鐵用能體系中，列車牽引、車站動力照明是最主要的2個用能分項。其中，車站動力照明能耗中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(環(huán)控系統(tǒng))能耗所占比例最大。國內(nèi)一些研究指出，北方地區(qū)列車牽引、環(huán)控系統(tǒng)能耗分別占地鐵總能耗的1/2和1/3，而南方地區(qū)環(huán)控系統(tǒng)能耗占地鐵總能耗的1/2左右[1-2]。例如，北方某城市軌道交通各項用能占比為：牽引供電45%，通風(fēng)空調(diào)30%。胡杭杰等人對2016年杭州地鐵2、4號線的全年耗電數(shù)據(jù)分析得到：牽引用電量占總用電量的40%～50%，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用電量占總用電量的25%～35%[3]。

從運行節(jié)能角度出發(fā)，由于列車牽引能耗主要取決于列車自重、行車速度等客觀因素，節(jié)能主要方式取決于列車編組方式和剎車能量回收等，節(jié)能潛力較??；環(huán)控系統(tǒng)中的能耗則是軌道交通系統(tǒng)主要的節(jié)能潛力所在。

本文選取上海市5座典型地鐵車站，通過調(diào)研及現(xiàn)場測試，對地鐵車站用能特點及運行現(xiàn)狀進行分析，為地鐵車站節(jié)能研究提供參考案例。

1 軌道交通地下車站基本信息

1.1 建筑基本信息

選取5座典型車站，為保證樣本案例的一致性，所選車站均為非換乘的地下車站，車站面積6 000～16 000 m2，均采用了屏蔽門系統(tǒng)，站臺形式包括島式和復(fù)合式。車站基本信息見表1。

表1 車站基本信息

1.2 空調(diào)設(shè)備信息

所調(diào)研的5座車站中，A、B、C站大小系統(tǒng)冷源共用，均配備2臺螺桿式冷水機組，單臺制冷量464～580 kW不等，對應(yīng)配備2臺冷水泵、2臺冷卻水泵和2臺冷卻塔；D、E站大小系統(tǒng)冷源分開，配備3臺螺桿式冷水機組，兩大一小，大機組制冷量為755 kW或504 kW，小機組制冷量為534 kW或411 kW，配備3臺冷水泵、3臺冷卻水泵和2臺冷卻塔。樣本車站配備的空調(diào)箱參數(shù)相近，大系統(tǒng)空調(diào)箱風(fēng)量為45 000 m3/h或40 000 m3/h，小系統(tǒng)空調(diào)箱風(fēng)量為29 000 m3/h或18 000 m3/h。具體空調(diào)設(shè)備信息見表2～6。

表2 冷源設(shè)備參數(shù)

表3 冷水泵參數(shù)

表4 冷卻水泵參數(shù)

表5 冷卻塔參數(shù)

2 制冷站主要運行模式

調(diào)研車站的制冷站運行模式根據(jù)室外溫度情況進行調(diào)整。對于大系統(tǒng)(指承擔(dān)車站站臺、站廳、走道等大部分空間冷負(fù)荷的系統(tǒng))，運行模式根據(jù)室外溫度分為3種模式；對于小系統(tǒng)(指專門承擔(dān)車控室、配電室、辦公室等空間冷負(fù)荷的系統(tǒng))，運行模式根據(jù)室外溫度分為2種。具體開啟情況見表7。

表6 空調(diào)箱參數(shù)

表7 制冷站運行模式

3 現(xiàn)場調(diào)研測試方法

研究分析需對車站環(huán)控系統(tǒng)主要設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)(包括功率、流量、溫度等)進行實測，主要參數(shù)、測試方法及說明如表8所示。

表8 主要測試參數(shù)及測試方法

4 車站能耗拆分

樣本車站能耗數(shù)據(jù)見表9。車站全年總能耗為129萬～235萬kW·h，單位建筑面積年能耗為152.2～211.2 kW·h/m2。其中，環(huán)控系統(tǒng)全年能耗為57.4萬～115.2萬kW·h，單位建筑面積能耗為76.2～93.3 kW·h/m2，環(huán)控系統(tǒng)能耗占車站總能耗的41.7%～50.6%，平均為45.5%。

表9 車站能耗數(shù)據(jù)

基于車站已有分項電表監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場三相四線功率計實測數(shù)據(jù)對環(huán)控系統(tǒng)能耗進行拆分，結(jié)果見表10。數(shù)據(jù)顯示，環(huán)控系統(tǒng)中，冷水機組能耗占比最大，達到52.8%～62.0%。

表10 車站空調(diào)能耗拆分比例 %

5 車站制冷站運行測試及問題診斷

筆者于2019年夏季典型工況對樣本車站的制冷站主要設(shè)備進行了現(xiàn)場測試，詳細(xì)測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表11。針對測試結(jié)果，各設(shè)備運行診斷及分析如下。

表11 制冷站運行參數(shù)

5.1 冷水機組性能系數(shù)普遍偏低

5個樣本車站中，除D站大系統(tǒng)冷水機組達到額定COP外，其余車站機組實際運行COP均遠(yuǎn)低于額定值，如圖1所示。結(jié)合測試數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)致COP偏低的主要原因包括：

圖1 實測與額定COP比較

1) 冷水機組運行負(fù)載率偏低。由于樣本車站冷水機組投入運行年限較長，單臺機組出力衰減，高溫工況下無法獨立負(fù)擔(dān)末端負(fù)荷，需同時開啟2臺或3臺機組，導(dǎo)致單臺機組負(fù)載率偏低，基本為44%～60%。

2) 冷凝器臟堵導(dǎo)致趨近溫差較大。測試車站普遍存在冷凝器換熱效果差的現(xiàn)象，冷凝器趨近溫差最低為1.8 ℃，最高達到6.5 ℃，導(dǎo)致冷凝溫度偏高，冷水機組性能下降。初步推測可能原因包括：冷凝器表面結(jié)垢，熱阻增大，換熱性能下降；壓縮機回油不佳，油進入冷凝器，影響換熱效果；制冷劑充灌量不足，影響冷凝器換熱效果。

3) 冷卻水進水溫度偏高。由于冷卻塔效率低下，樣本車站在室外干球溫度32～35 ℃、濕球溫度25～29 ℃時，冷水機組冷卻水進水溫度達到35～38 ℃，進一步加劇了冷凝溫度上升的問題，導(dǎo)致冷水機組COP下降。

4) 樣本車站中，A、B、C站為大小系統(tǒng)共用冷源，D、E站為大小系統(tǒng)冷源獨立運行。測試數(shù)據(jù)顯示，D、E站系統(tǒng)中，除了D站小系統(tǒng)性能偏低外，其余3個運行組合的運行效率明顯優(yōu)于A、B、C站。

影響冷水機組COP的因素較多，大小系統(tǒng)冷源獨立設(shè)置的車站，冷源運行的負(fù)載率普遍更高，有利于機組發(fā)揮更好的性能。因此在外部條件相似的前提下，大小系統(tǒng)冷源獨立設(shè)置的系統(tǒng)運行效率普遍更高。

5.2 輸配系統(tǒng)大流量小溫差現(xiàn)象普遍，變頻系統(tǒng)未投入運行

測試數(shù)據(jù)顯示，樣本車站冷水供回水溫差為2.1～4.0 ℃，大部分集中在3.0 ℃附近，處于大流量小溫差運行，導(dǎo)致輸配能源浪費。此外，A、B、C站均已對冷水泵、冷卻水泵進行了變頻改造，但實際運行中，水泵仍然按照工頻狀態(tài)運行。主要原因是變頻系統(tǒng)在后期工程應(yīng)用中并未得到有效的調(diào)試，實際控制效果不理想，水力工況不穩(wěn)定，影響了使用效果，最終被運維人員棄用。

5.3 冷卻塔效率偏低

樣本車站測試數(shù)據(jù)顯示，冷卻塔效率僅為0.25～0.48。冷卻塔出口水溫相比同時刻室外濕球溫度的逼近度達到6.8～12.8 ℃。冷卻塔效率偏低、冷卻水出口溫度偏高是樣本車站的共性問題。

通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于安放位置受限制，地鐵車站冷卻塔普遍位于地面隱蔽角落，通風(fēng)不暢、氣流短路、落葉堵塞、填料老化等問題較為普遍，嚴(yán)重影響冷卻塔的實際應(yīng)用效果。冷卻塔的低效運行同時也導(dǎo)致冷卻塔出水溫度偏高，直接影響冷水機組的運行效率，對制冷站運行能效影響較大。

5.4 空調(diào)系統(tǒng)綜合效率評估

綜合制冷站整體供冷量及設(shè)備能耗(包含冷水機組、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔能耗)，制冷站綜合效率SCOP如表12所示。數(shù)據(jù)顯示，由于上述運行問題的影響，樣本車站SCOP整體偏低，除D站大系統(tǒng)的SCOP相對較高(達到3.23)外，其余車站的SCOP僅為1.37～2.51。

表12 空調(diào)系統(tǒng)SCOP

6 結(jié)論

基于對上海市5座典型軌道交通非換乘地下車站的測試及調(diào)研數(shù)據(jù)，僅針對樣本車站進行討論，主要結(jié)論包括：

1) 軌道交通非換乘地下車站年用電量為129萬～235萬kW·h，單位建筑面積年能耗為152.2～211.2 kW·h/m2。

2) 環(huán)控系統(tǒng)能耗占車站總能耗的比例為41.7%～50.6%，環(huán)控系統(tǒng)全年能耗為57.4萬～115.2萬kW·h，單位建筑面積能耗為76.2～93.3 kW·h/m2。

3) 環(huán)控系統(tǒng)中，冷水機組能耗占比最大，普遍比例為52.8%～62.0%。

4) 車站制冷站運行問題較多，普遍存在冷水機組COP偏低、輸配能耗偏高、冷卻塔效率偏低、綜合能效偏低等問題。應(yīng)加強日常維護保養(yǎng)工作，并在適當(dāng)時機對關(guān)鍵設(shè)備進行節(jié)能改造。