地鐵車站高效空調(diào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃建輝

（深圳地鐵運營集團有限公司，廣東深圳 518040）

1 前言

地鐵作為一種現(xiàn)代化的交通運輸工具，具有安全、快捷、舒適、運量大等特點，在分擔(dān)城市內(nèi)交通客流、有效緩解路面交通擁擠、促進(jìn)站城一體化發(fā)展方面發(fā)揮了重大作用。截至2021年底，國內(nèi)包括北京、上海、廣州、深圳、成都等50 座城市已開通運營城市軌道交通線路283 條，總里程達(dá)到9 206.8 km，其中地鐵運營線路7 209.7 km[1]。

隨著地鐵建設(shè)規(guī)模擴大，能耗問題日益突出。2019年6月13日，國家發(fā)改委聯(lián)合多部門發(fā)布《綠色高效制冷行動方案》的通知，明確提出提升綠色高效制冷產(chǎn)品供給，推進(jìn)節(jié)能改造、節(jié)能減排等目標(biāo)的實現(xiàn)。方案總體要求，到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷總體能效水平提升25%以上，綠色高效產(chǎn)品制冷產(chǎn)品市場占有率提高40%以上[2]。

至2021年底，深圳地鐵運營線路11 條（不含4 號線和龍華有軌電車），車站總數(shù)265 座，總運營里程388 km。根據(jù)統(tǒng)計，2021年深圳地鐵總電耗約16 億 kW·h，其中牽引、通風(fēng)空調(diào)、其他（電梯、照明等）能耗占比分別為51.8%、30.7%、17.5%。

在地鐵建設(shè)中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（簡稱“環(huán)控系統(tǒng)”）為整個地鐵空間設(shè)備用房和乘車環(huán)境提供所需環(huán)境（溫度、濕度）條件，同時也是高耗能系統(tǒng)。圖1是一典型地下車站全年環(huán)控系統(tǒng)運行能耗的分布圖，其中冷水機組和風(fēng)機（包含空調(diào)柜內(nèi)風(fēng)機、空調(diào)回排風(fēng)機、普通送排風(fēng)機等）的能耗占比較大。因此，通過高效節(jié)能的工藝設(shè)計對主要耗能設(shè)備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，是地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能重點。

圖1 典型車站環(huán)控系統(tǒng)能耗分布圖

2 環(huán)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與存在的問題

2.1 已開通線路測試

通過科研立項，深圳地鐵于2016年委托相關(guān)科研單位對深圳地鐵1 號、2 號線部分站點進(jìn)行空調(diào)冷源系統(tǒng)能耗測試。本次測試站點包括1 號、2 號線共9 個地下站（2004年—2011年期間先后開通），冷源設(shè)置均為大小系統(tǒng)冷源共用，冷卻塔均為地面形式。

2.2 測試結(jié)果

現(xiàn)場測試得到典型工況下環(huán)控系統(tǒng)分項能耗。其中，小系統(tǒng)風(fēng)機僅包括與空調(diào)制冷相關(guān)的風(fēng)機（空調(diào)機組及其回排風(fēng)機、新風(fēng)機組），不包括純通風(fēng)用的送、排風(fēng)機。

結(jié)合冷水機組、水泵、冷卻塔、風(fēng)機等設(shè)備的功率測試，計算出各站環(huán)控系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。其中冷水機組制冷性能系數(shù)（COP）為2.3～5.2，冷源能效比（EERr）為2.5～3.9，空調(diào)系統(tǒng)能效比（EERs）為1.9～2.4。

測試結(jié)果表明，9 座車站空調(diào)冷源運行效率普遍較低，經(jīng)分析存在的典型問題如下。

（1）由于冷水機組按照遠(yuǎn)期尖峰負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計選型，額定容量較大，而實際運行中的負(fù)荷率往往較低，“大馬拉小車”，導(dǎo)致冷水機組COP 偏低。尤其是對于大、小系統(tǒng)共用冷源的車站，夜間小系統(tǒng)運行時仍需開啟一臺冷水機組，其負(fù)荷率、效率更低。

（2）冷水機組的蒸發(fā)器、冷凝器換熱效果不佳，導(dǎo)致趨近溫差偏高，進(jìn)而蒸發(fā)溫度偏低、冷凝溫度偏高，使得內(nèi)部制冷效率偏低。而兩器換熱效果差的常見原因有：蒸發(fā)器、冷凝器長期缺乏清洗；壓縮機回油不佳，油進(jìn)入冷凝器、蒸發(fā)器，影響換熱效果；制冷劑充灌量不足，影響兩器換熱效果。

（3）冷卻塔效率偏低，導(dǎo)致冷卻水降溫效果差，進(jìn)而導(dǎo)致冷凝溫度偏高、冷卻效果較差。冷卻塔效率低的常見原因有：冷卻水分布不均，并聯(lián)的冷卻塔中某臺塔風(fēng)機關(guān)閉但仍有冷卻水旁通，冷卻塔填料積垢導(dǎo)致?lián)Q熱面積減少，冷卻塔氣流組織不佳導(dǎo)致風(fēng)機出口的熱濕空氣部分回流。

（4）水系統(tǒng)方面，部分車站制冷機房內(nèi)壓力表因安裝不當(dāng)、缺乏維保而讀數(shù)失真；許多水泵選型不合理，實際工作點明顯偏離額定工況點，導(dǎo)致水泵效率較低。

（5）多臺冷水機組并聯(lián)時，系統(tǒng)群控效果不佳，常見問題有：負(fù)荷降低時仍保持多臺冷水機組同時運行，導(dǎo)致COP 偏低；部分車站的水泵與冷水機組為先并聯(lián)后串聯(lián)，當(dāng)2 臺冷水機組中只開啟單臺機組時，停運機組未關(guān)閉對應(yīng)冷凍水閥門，導(dǎo)致混流，冷站供水溫度升高，為不影響末端降溫除濕效果，則冷水機組出水溫度需進(jìn)一步降低，最終降低冷水機組效率；多條支路之間水力不平衡，導(dǎo)致各支路冷凍水溫差異較大，進(jìn)而出現(xiàn)摻混損失等現(xiàn)象。

3 高效空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)要求

鑒于傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計選型粗放、空調(diào)專業(yè)與配電及綜合監(jiān)控設(shè)計存在脫節(jié)、精細(xì)化系統(tǒng)調(diào)試嚴(yán)重缺失等問題導(dǎo)致系統(tǒng)能耗偏高的現(xiàn)狀，高效空調(diào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用勢在必行。

高效空調(diào)系統(tǒng)旨在利用先進(jìn)的信息技術(shù)，對受控對象按系統(tǒng)進(jìn)行逐一控制分析，通過系統(tǒng)集中監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)分析與節(jié)能控制軟件使受控系統(tǒng)整合優(yōu)化，達(dá)到最佳運行效果，實現(xiàn)地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的智能化管理和運行，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

高效空調(diào)系統(tǒng)包含高效通風(fēng)空調(diào)設(shè)備及高效空調(diào)控制系統(tǒng)2 部分。

高效通風(fēng)空調(diào)設(shè)備：包含冷水機組（雙一級能效）、冷水泵（變頻）、冷卻水泵（變頻）、冷卻塔（變頻）、自動反沖洗裝置、冷凝器膠球自動在線清洗裝置，大系統(tǒng)組合式空調(diào)機組（變頻）、回排風(fēng)機（變頻）、小新風(fēng)機（變頻），柜式風(fēng)機盤管機組（變頻）、風(fēng)機盤管機組，空調(diào)小系統(tǒng)回排風(fēng)機（變頻）等。

高效空調(diào)控制系統(tǒng)（簡稱“智能環(huán)控系統(tǒng)”）包括：空調(diào)水系統(tǒng)、空調(diào)大系統(tǒng)、空調(diào)小系統(tǒng)的配電及智能監(jiān)控，主要包含集中控制柜、節(jié)能控制柜（含水系統(tǒng)節(jié)能控制柜、大系統(tǒng)節(jié)能控制柜、小系統(tǒng)節(jié)能控制柜）、數(shù)據(jù)采集柜、智能手操箱、各類傳感器（風(fēng)系統(tǒng)溫濕度傳感器、風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量傳感器、CO2濃度傳感器、粉塵檢測儀PM2.5、室外氣象監(jiān)測站、水系統(tǒng)溫度傳感器、電磁流量傳感器、水系統(tǒng)壓力傳感器等）、集中顯示屏及配套電腦、動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥、壓差旁通裝置、溫度巡檢儀、云盒子等設(shè)備，配置架構(gòu)詳見圖2。

圖2 高效空調(diào)系統(tǒng)配置架構(gòu)圖

3.2 設(shè)計要求

為確?？照{(diào)系統(tǒng)的高效運行，需在設(shè)計階段進(jìn)行精細(xì)化和深化設(shè)計，主要包括：

（1）線路總包設(shè)計院需編制、完善環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則；

（2）統(tǒng)一各站點冷水機組、水泵、冷卻塔之間的匹配系數(shù)；

（3）精準(zhǔn)計算制冷負(fù)荷、風(fēng)管及水管阻力，冷水機組及配套設(shè)備安全系數(shù)不宜太大。

3.3 主要設(shè)備性能要求

主要設(shè)備應(yīng)滿足以下相關(guān)要求。

3.3.1 冷水機組

冷水機組在名義工況下的COP 和綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）應(yīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19577-2015《冷水機組能效限定值及能源效率等級》[3]中“表1能源效率等級指標(biāo)（一）”中1 級水平，見表1。

表1 冷水機組能效指標(biāo)

3.3.2 冷卻塔

方形橫流式冷卻塔能效達(dá)到GB/T 7190.1-2018《機械通風(fēng)冷卻塔第1 部分：中小型開式冷卻塔》[4]標(biāo)準(zhǔn)工況Ⅰ中2 級能效。冷卻能力不應(yīng)小于95.0%，冷卻塔噴嘴噴霧壓力水阻不大于2 mH2O。

3.3.3 空調(diào)水泵

電機在工頻下的效率應(yīng)滿足GB 18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》[5]中1 級能效的要求，電機工頻運行需提供國家認(rèn)可的第三方檢測機構(gòu)出具的1 級能效檢驗報告。電機具有較高的功率因數(shù)和效率，滿載功率因數(shù)不小于0.8，滿載效率不低于90%。變頻水泵采用的電機能滿足在30～50 Hz 頻率范圍內(nèi)連續(xù)變頻運行的要求。

3.3.4 空氣處理設(shè)備

組合式空調(diào)機組送風(fēng)機采用變頻運行，應(yīng)能保證其在25～50 Hz 范圍內(nèi)高效、穩(wěn)定運行；工頻運行時，機組內(nèi)總阻力損失不應(yīng)大于400 Pa（初阻力）；機組風(fēng)機可采用多臺同型號直流無刷電機驅(qū)動的風(fēng)機（EC 風(fēng)機）并聯(lián)組合以滿足風(fēng)量要求，且每臺風(fēng)機之間軸心距和風(fēng)機中心與箱體內(nèi)表面之間的距離均不得低于1.6 倍葉輪直徑。

3.4 能效指標(biāo)

針對高效空調(diào)系統(tǒng)要達(dá)到的節(jié)能目標(biāo)，需明確3 個公式：

目前已有針對SCOP 值的明確規(guī)范規(guī)定，但該規(guī)定包括的耗能設(shè)備不齊全。因此，高效空調(diào)系統(tǒng)擬實現(xiàn)的能效指標(biāo)采用更為全面的COP機房及TCOP 指標(biāo)作為評價指標(biāo)，其中核心設(shè)備功率指實際耗電量，并要求中標(biāo)的總包單位予以實現(xiàn)。經(jīng)綜合考慮設(shè)備能效、自控能力、運營水準(zhǔn)，具體指標(biāo)確定如下：

冷水機組選型冷量不大于1 163 kW 的車站：COP機房≥5.0，TCOP ≥3.0；冷水機組選型冷量大于1 163 kW 的車站：COP機房≥5.2，TCOP ≥3.0。

3.5 節(jié)能檢驗方法

3.5.1 節(jié)能檢驗條件

3.5.2 節(jié)能檢驗要求

委托國家級第三方檢測機構(gòu)進(jìn)行1 個完整的空調(diào)制冷季的節(jié)能檢驗（費用由中標(biāo)總包單位負(fù)責(zé)并包含在合同總價內(nèi)）。若檢驗結(jié)果無法滿足合同要求則順延1 個空調(diào)制冷季，并由總包單位重新委托國家級第三方檢測機構(gòu)進(jìn)行節(jié)能檢驗，建設(shè)單位采用飛行檢驗方式。合格的檢驗結(jié)論作為最終驗收證書的必要條件，否則按違約條款進(jìn)行處理。

第三方檢驗報告主要的測試和評價范圍包括：

（1）傳感器、儀表計量和標(biāo)定準(zhǔn)確性的審核需由國家級第三方檢測機構(gòu)提供現(xiàn)場標(biāo)定證書；

（2）為確定節(jié)能數(shù)據(jù)處理過程的有效性，需由國家級第三方檢測機構(gòu)提供現(xiàn)場標(biāo)定文件或認(rèn)可文件；

（3）測試方法符合國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。

4 高效空調(diào)系統(tǒng)實施方案

4.1 試點改造

借鑒廣州地鐵車陂南站空調(diào)系統(tǒng)改造經(jīng)驗，經(jīng)綜合考慮，確定將深圳地鐵9 號線南山書城站作為高效空調(diào)系統(tǒng)改造示范站，以獲取在專業(yè)設(shè)計、設(shè)備采購、安裝調(diào)試、運營維護等方面的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗，為整線推廣提供決策依據(jù)。

1） 醫(yī)師未按照抗菌藥物臨床應(yīng)用管理規(guī)定開具抗菌藥物，主要表現(xiàn)在抗菌藥物使用指征不明確及無指征聯(lián)合用藥。

4.1.1 南山書城站基本資料

南山書城站于2019年建成，為獨立供冷車站，大系統(tǒng)設(shè)計冷負(fù)荷706 kW，小系統(tǒng)設(shè)計冷負(fù)荷574 kW，總冷負(fù)荷1 280 kW。冷水機房設(shè)置在B 端站廳層，共設(shè)置2 臺制冷量為689 kW 的冷水機組機組，采用一次泵變流量系統(tǒng)。系統(tǒng)供回水溫按5℃（7～12℃）溫差設(shè)計，水路采用異程式，設(shè)置2 臺冷凍水泵。（流量130 m3/h，揚程28 m），2 臺冷卻水泵（流量153 m3/h，揚程30 m）和2 臺冷卻塔（處理水量186 m3/h），冷凍、冷卻水泵變頻。

4.1.2 改造內(nèi)容

（1）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，重新校核、變更各系統(tǒng)的水力計算和設(shè)備選型。根據(jù)冷卻水系統(tǒng)阻力精細(xì)化計算結(jié)果，更換冷卻泵2 臺（揚程從原設(shè)計選型的30 m，優(yōu)化后變?yōu)?4 m，相應(yīng)水泵電機功率從18.5 kW 變化為15 kW）。原設(shè)計的冷卻塔采用2 臺定頻電機，更換為永磁同步變頻電機，采用直聯(lián)方式，減少風(fēng)機皮帶輪的維護工作量，提高運行效率和穩(wěn)定性。

（2）改造節(jié)能控制系統(tǒng)。增加各類電柜（箱）5 個（網(wǎng)關(guān)1 電箱、網(wǎng)關(guān)3 電箱、交換機電箱、節(jié)能系統(tǒng)控制柜、臨時4G 外網(wǎng)引入設(shè)備柜），各類傳感器40 個，變頻器、室外氣象站1 套，對空調(diào)系統(tǒng)的運行狀況進(jìn)行全面的檢測和控制。

4.1.3 改造效果

經(jīng)過多輪調(diào)試，對整個車站的能效調(diào)試達(dá)到表2的結(jié)果。

表2 深圳地鐵南山書城站機房全年綜合能效

4.2 推廣應(yīng)用

南山書城站高效冷水機房的示范成果為深圳地鐵四期新線高效空調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。經(jīng)相關(guān)論證與審批程序，深圳地鐵四期工程12 號、13 號、14號、16 號線均統(tǒng)一設(shè)置高效空調(diào)系統(tǒng)（部分與既有線路換乘站點除外）。除13 號線外，其他線路已于2022年10月至12月陸續(xù)開通運行。

根據(jù)系統(tǒng)配置參數(shù)和調(diào)試情況，4 條整線共計91 座車站，預(yù)計年耗電量總計為3.15 億kW·h，而采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的預(yù)計年總耗電量為4.6 億kW·h，節(jié)能率為31.5%。按綜合電價0.82 元/（kW·h）計算，每年節(jié)省電費約1.2 億元，節(jié)能減排和經(jīng)濟效果非常顯著。

線路情況及測算數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 深圳地鐵四期線路高效空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)計

根據(jù)全壽命周期成本核算，節(jié)省的運行費用可在5年內(nèi)回收全部初投資（包含運營維護成本的降低費用）。

5 結(jié)語

為實現(xiàn)地鐵空調(diào)系統(tǒng)高效運行，需在分析和研究既有系統(tǒng)各項性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，積極落實更加科學(xué)有效的節(jié)能控制措施和管理手段，以提升空調(diào)系統(tǒng)整體運行水平。主要舉措包括以下5 個方面。

（1）優(yōu)化招標(biāo)模式。將高效通風(fēng)空調(diào)設(shè)備與智能控制系統(tǒng)的供貨、深化設(shè)計、調(diào)試、測試集成打包招標(biāo)，并將COP 機房和TCOP 作為能效評估指標(biāo)，統(tǒng)一納入設(shè)備合同。該舉措有利于解決以往建設(shè)過程中責(zé)任不清、評估指標(biāo)不明的問題。

（2）注重深化設(shè)計。中標(biāo)單位及聯(lián)合體需重點落實水管及風(fēng)管減阻設(shè)計、精準(zhǔn)完成阻力計算與設(shè)備參數(shù)配置、優(yōu)化風(fēng)水聯(lián)動控制策略等工作。

（3）確保安裝與調(diào)試質(zhì)量滿足合同要求。特別是確保傳感器安裝位置、風(fēng)水聯(lián)動控制、水泵變頻控制及電動水閥開度控制等細(xì)節(jié)須滿足要求。

（4）注重運營管理，保證冷水機組、水泵、冷卻塔、末端換熱設(shè)備的維護保養(yǎng)水準(zhǔn)并確保設(shè)備在最優(yōu)工況點運行。這是降低空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的關(guān)鍵。

（5）能效的定量評估與合同條款約束是實現(xiàn)高效運行目標(biāo)的必要措施。