上海地鐵某車站空調(diào)系統(tǒng)高效制冷機(jī)房改造實(shí)測分析

宋 潔 鄭 懿 張萬毅

1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司

2.同濟(jì)大學(xué)

0 引言

城市軌道交通能耗已引起社會的關(guān)注，截至2021 年，我國共有50 個城市保有軌道交通方式，總線路長達(dá)9 000 km 以上[1-2］?！笆濉逼陂g，新增線路長度4 300 km，創(chuàng)歷史新高。軌道交通的能耗問題逐漸引起關(guān)注[3-4］，而軌道交通車站空調(diào)系統(tǒng)能耗占比最高，約為50%～70%。因此，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，軌道交通車站空調(diào)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的高效化建設(shè)和改造勢在必行。

以上海典型地下軌道交通標(biāo)準(zhǔn)站的制冷系統(tǒng)能效提升改造案例，探索地鐵車站空調(diào)提升能效的主要途徑。

1 制冷機(jī)房改造情況

項(xiàng)目位于上海，屬于夏熱冬冷地區(qū)，為軌道交通地下標(biāo)準(zhǔn)站。該項(xiàng)目自2004 年12 月開通運(yùn)營，共有4個出入口，項(xiàng)目總建筑面積約5 800 m2，是上海日均客流量前十的站點(diǎn)，具有研究的典型性。

項(xiàng)目原空調(diào)系統(tǒng)制冷主機(jī)使用已達(dá)15年，效率大幅度下降。通過對其空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，使用高效空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到打造高效地鐵車站的目標(biāo)。

項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。原有2臺螺桿式冷水機(jī)組，配置2 臺冷凍水泵、2 臺冷卻泵、2 臺冷卻塔，且無高效群控系統(tǒng)。本次改造將螺桿式冷水機(jī)組替換為水冷磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組，水泵全部更換為變頻水泵，并搭建車站智能空調(diào)群控系統(tǒng)測試平臺，設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 空調(diào)機(jī)組銘牌參數(shù)

圖1 改造站空調(diào)系統(tǒng)圖

2 制冷機(jī)房改造效果

項(xiàng)目2021 年改造完成，2022 年為第一個完整制冷季。為分析改造后的情況，從兩個維度進(jìn)行效果分析，一是項(xiàng)目改造后制冷機(jī)房變頻與定頻工況運(yùn)行的差異，二是項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行制冷機(jī)房能效比和節(jié)能效果。

2.1 變頻與定頻工況對比

為充分評估系統(tǒng)能效提升效果與關(guān)鍵影響因素，采用第三方現(xiàn)場連續(xù)檢測的方式，對系統(tǒng)工頻與變頻模式下的能耗和能效進(jìn)行檢測。

選取室外空氣溫度相近的兩天，在同一時段進(jìn)行工頻、變頻的測試。機(jī)組、水泵、冷卻塔開啟數(shù)量相同，末端（空調(diào)箱）開啟情況相同。工頻測試時，機(jī)組統(tǒng)一設(shè)定冷水出水溫度為8 ℃，水泵工頻運(yùn)行；變頻測試時，機(jī)組的出水溫度、水泵頻率等依據(jù)系統(tǒng)需求自動調(diào)節(jié)。

測試期間，空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，站廳的溫度在26.4～28.5 ℃之間，滿足規(guī)范要求；站臺的溫度在25.9～29.1 ℃之間，滿足車站關(guān)于站內(nèi)溫度的要求。

工頻和變頻工況下的制冷量基本一致，可以認(rèn)為兩個工況下，供冷效果基本一致，但是變頻工況下，機(jī)房總功率較少，能耗較定頻工況降低約15%，能效提升約14.3%。可以看到，兩種工況下由于主機(jī)COP 類似、冷卻塔功率相同，造成能效差異的主要原因?yàn)樗霉β剩▽?yīng)于水泵頻率），如表2所示。

表2 現(xiàn)場檢測變頻與定頻工況的差異

2.2 制冷季運(yùn)行能效與節(jié)能量評估

該地鐵站自2022 年6 月2 日開始正常運(yùn)行，其間空調(diào)機(jī)組開啟全新風(fēng)模式，連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)至9 月22 日，共計(jì)3 個多月。其間制冷機(jī)房運(yùn)行平均能效比為5.16，達(dá)到高效制冷機(jī)房水平。

圖2 所示變頻工況下制冷機(jī)房系統(tǒng)各設(shè)備能耗占比。可以看到其中主機(jī)能耗占比最大，為73.6%，冷凍水泵和冷卻水泵能耗占比分別為9.14%和12.31%。高效制冷機(jī)房案例冷水主機(jī)能耗占比可達(dá)80%以上，而冷凍泵及冷卻泵能耗占比應(yīng)該在8%以下，可見當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行仍有能效優(yōu)化空間。

圖2 變頻工況下制冷機(jī)房系統(tǒng)各設(shè)備能耗占比

由于該地鐵車站為既有線路，此前并未針對空調(diào)制冷機(jī)房做詳細(xì)分項(xiàng)計(jì)量，因此為了探究改造節(jié)能效果，采用同類別站點(diǎn)橫向?qū)Ρ鹊姆绞竭M(jìn)行節(jié)能量評估。圖3 是兩個未改造的對比站和該案例中改造站近年來各月份動力照明用電對比。由于該既有線未做能耗分項(xiàng)計(jì)量，因此環(huán)控系統(tǒng)用電和照明用電、電梯用電一起合并為動力照明用電進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)。由圖3 可知，空調(diào)季因?yàn)殚_啟制冷系統(tǒng)，動照總用電要遠(yuǎn)超非空調(diào)季用電。這也說明如進(jìn)行制冷系統(tǒng)節(jié)能改造，節(jié)能空間也是巨大的。

圖3 2017-2022年三個標(biāo)準(zhǔn)站動力照明用電量

圖3 無法用于觀察制冷系統(tǒng)節(jié)能改造前后對動照總用電的影響，為了對比不同站空調(diào)季用電量逐年相對變化，現(xiàn)以2020 年空調(diào)季為動照總用電基準(zhǔn)年，計(jì)算各年份空調(diào)季動力照明總用電量相對系數(shù)。如圖4 所示，2022 年空調(diào)季對比站1 和對比站2動照總用電與2020 年相當(dāng)，而改造站總用電則相對2020 年發(fā)生明顯下降。由于動照總用電中電梯用電和照明用電量隨時間變化較小，因此，改造站2022 年動照總用電相對2020 年的降低，主要由制冷系統(tǒng)節(jié)能改造貢獻(xiàn)，經(jīng)計(jì)算空調(diào)季總節(jié)能量約為30萬kWh，節(jié)能效果顯著。

圖4 5-10月三個站動照總用電對比（以2020年用電為基準(zhǔn)）

3 能效提升分析

空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)房的能效可以從很多方面進(jìn)行優(yōu)化提升，比如選擇高效設(shè)備、應(yīng)用變頻技術(shù)、基于能效模型計(jì)算控制參數(shù)等。為了了解當(dāng)前制冷機(jī)房在能效提升方面的制約和繼續(xù)優(yōu)化的空間，分別針對冷水機(jī)組負(fù)載率、冷機(jī)出水溫度、水泵進(jìn)出水溫差三組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 冷機(jī)負(fù)載率分析

一臺冷水機(jī)組的負(fù)載率一般指其瞬時制冷量與額定制冷量的比值，反映了冷水機(jī)組當(dāng)前的出力多少。不同類型的冷水機(jī)組其負(fù)載率對COP 的影響是直接而顯著的，根據(jù)文獻(xiàn)，螺桿機(jī)的高效區(qū)在其負(fù)載率40%～90%、離心機(jī)在60%～70%[5］，該案例所采用的磁懸浮冷水機(jī)組“負(fù)載率-COP”特性與上述兩種機(jī)組不同，一般隨負(fù)載率的增加而COP降低，因此大負(fù)載率情況下冷水機(jī)組的能效比較低。

圖5 所示整個空調(diào)季兩臺冷水機(jī)組的負(fù)載率分布直方圖，可以看出兩臺冷機(jī)負(fù)載率分布整體類似，大部分負(fù)載率均超過70%，這無疑對冷水機(jī)組的能效造成了負(fù)面影響，進(jìn)而阻礙了制冷機(jī)房能效的改善提升。一個制冷系統(tǒng)改造過程中，冷機(jī)容量的確定不僅需要考慮末端負(fù)荷，同時也受到冷機(jī)供配電配置制約。在供配電配置沒有改善的前提下，很難用冷機(jī)選型將空調(diào)季負(fù)載率控制在高效區(qū)，這也對后續(xù)上海地鐵車站制冷機(jī)房高效化改造工作提供了重要參考。

圖5 冷機(jī)空調(diào)季負(fù)載率

3.2 冷機(jī)出水溫度分析

對于典型的用于空調(diào)制冷的逆卡諾循環(huán)，提升蒸發(fā)溫度與降低冷凝溫度都可以提升循環(huán)能效比。當(dāng)前高效制冷機(jī)房技術(shù)突破了冷機(jī)7 ℃供水/12 ℃回水的傳統(tǒng)設(shè)置，嘗試在末端負(fù)荷較低和除濕壓力不大的情況下，在合適范圍內(nèi)對冷水機(jī)組供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)以提升冷機(jī)能效比。

在室外條件相近的條件下，可通過調(diào)整冷凍水出水溫度探究其對制冷機(jī)房能效比的影響。圖6給出了改造站冷水機(jī)組在不同冷凍水出水溫度設(shè)置下制冷機(jī)房的能效比，可以看到在相近的冷卻水出塔平均溫度下，冷水機(jī)組冷凍水出水溫度從8.63 ℃上升到10.14 ℃，制冷機(jī)房的能效比也從5.5 增長到了6.1。說明對于磁懸浮冷水機(jī)組而言，適當(dāng)提升冷凍水出水溫度有利于顯著提高機(jī)組和制冷機(jī)房的能效比。

圖6 不同冷凍水出水溫度設(shè)置下冷源系統(tǒng)運(yùn)行效率

圖7 展示了某一運(yùn)行時間段（對應(yīng)于6 月2 日至6 月11 日）兩臺冷機(jī)出水溫度變化情況，其中陡峭升起的尖峰為冷機(jī)停止運(yùn)行期間水溫，可以看到兩臺冷機(jī)出水溫度基本穩(wěn)定在約7.5 ℃之間。從圖中還可以看出，1 號冷水機(jī)組冷凝器進(jìn)水溫度在部分時間段較低，反映了較低的室外濕球溫度和制冷系統(tǒng)負(fù)荷，但冷機(jī)出水溫度未隨之適當(dāng)調(diào)升以提高系統(tǒng)能效。所以當(dāng)前運(yùn)行策略在改變出水溫度以提升制冷機(jī)房能效方面仍有繼續(xù)優(yōu)化空間。

圖7 冷機(jī)蒸發(fā)器出水溫度（℃）

3.3 水泵進(jìn)出水溫差分析

在同樣的時間段內(nèi)，1 號冷機(jī)的冷凍泵和冷卻泵的進(jìn)出水溫差變化如圖8 所示。在此期間前幾日、冷凍水泵、冷卻水泵均定頻運(yùn)行，頻率約為36 Hz，此時冷凍水溫差和冷卻水溫差在3～5 ℃之間波動，未體現(xiàn)變頻節(jié)能策略的應(yīng)用。爾后幾日則轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋬鏊媒咏?0 Hz 運(yùn)行、冷凍水溫差保持在約5 ℃，而冷卻泵高頻運(yùn)行、冷卻水溫差保持在4 ℃左右，前者若設(shè)置5 ℃溫差控制，后者因保持4 ℃溫差導(dǎo)致冷卻水泵頻率較高能耗較高，最終可能使得制冷機(jī)房能效降低。所以當(dāng)前制冷機(jī)房水泵變頻策略未保持一致也沒完全體現(xiàn)節(jié)能特性。

圖8 制冷機(jī)房冷凍泵與冷卻泵進(jìn)出水溫差

由于水泵額定功率在制冷機(jī)房中占比較高（該案例中冷凍水泵、冷卻水泵合計(jì)占比27.1%），而水泵變頻帶來的能耗降低又較為可觀，如理論上當(dāng)水泵從50 Hz 降為40 Hz 時可使能耗降低50%，由此帶來的制冷機(jī)房能效提升顯著。以往成功的高效制冷機(jī)房案例中冷凍、冷卻水泵運(yùn)行能耗占比往往在16%以下，這既是較優(yōu)變頻策略的應(yīng)用結(jié)果，也是管路和阻力優(yōu)化帶來的效益。因此在制冷機(jī)房高效化改造中，應(yīng)統(tǒng)籌水泵配置及變頻對制冷機(jī)房能效的影響趨勢，因地制宜優(yōu)化管路阻力和變頻策略，以使制冷機(jī)房高效運(yùn)行。

4 結(jié)論

對上海某地鐵車站制冷機(jī)房高效化改造的具體情況、改造效果、能效提升進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，改造中選擇了高效磁懸浮冷水機(jī)組，應(yīng)用了變頻技術(shù)來優(yōu)化水泵的運(yùn)行，改造后2022 年空調(diào)季制冷機(jī)房平均能效比達(dá)到5.16，年節(jié)電量約為30萬kWh，節(jié)能效果顯著。

為了進(jìn)一步提升能效比，對制冷機(jī)房運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，并得出如下結(jié)論：負(fù)載率的優(yōu)化對冷水機(jī)組能效具有直接而顯著的影響，但對于改造項(xiàng)目來說還需考慮冷機(jī)配電問題。通過調(diào)整冷機(jī)出水溫度和優(yōu)化水泵變頻策略，能進(jìn)一步提高制冷機(jī)房的能效，這需要更加有效的節(jié)能控制策略。

通過改造措施和效果分析：選擇高效設(shè)備、應(yīng)用變頻技術(shù)和合理調(diào)整控制參數(shù)，是制冷機(jī)房能效提升的重要手段；綜合考慮節(jié)能和穩(wěn)定性的平衡，將是制冷機(jī)房能效提升和高效化改造的關(guān)鍵。這些研究結(jié)果為地鐵車站制冷機(jī)房高效化改造和能效提升提供了具體的改造方案和實(shí)踐指導(dǎo)，對于實(shí)現(xiàn)低碳、高效的能源利用具有重要意義。