武漢地鐵車站集成冷凍站節(jié)能技術(shù)分析

熊秋梅 蔣偉杰

一、引言

武漢地鐵建設(shè)工作經(jīng)過(guò)二十余年發(fā)展，積累了豐富的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，截至2022年底，武漢地鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)460多公里，車站總數(shù)291座，躋身世界級(jí)地鐵城市行列。為認(rèn)真總結(jié)地鐵工程建設(shè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，2022年初，武漢市城建局組織武漢市地鐵集團(tuán)有限公司、武漢光谷交通建設(shè)有限公司和武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站對(duì)武漢市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量工作開(kāi)展“復(fù)盤(pán)”活動(dòng)。通過(guò)對(duì)武漢地鐵的建設(shè)管理過(guò)程進(jìn)行了認(rèn)真總結(jié)和回顧，形成了146萬(wàn)字左右的“建設(shè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、案例分析、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)化管理”等材料，其中，集成冷凍站的創(chuàng)新技術(shù)分析就是這次“復(fù)盤(pán)”活動(dòng)所提煉的“關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新”之一。

集成冷凍站作為地鐵車站運(yùn)行的耗能大戶，在其滿足功能的前提下，通過(guò)采用相關(guān)節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)提高其綜合運(yùn)行能效，對(duì)于提升公共建筑制冷能效，實(shí)現(xiàn)公共建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)具有重要的意義。本文就是基于此次“復(fù)盤(pán)”活動(dòng)，以武漢地鐵7號(hào)線北沿線（前川線）巨龍大道站集成冷凍站為研究對(duì)象，分析總結(jié)其在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所采用的節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)，為后續(xù)線路和其他城市的地鐵車站集成冷凍站項(xiàng)目實(shí)施提供依據(jù)和參考。

二、武漢地鐵集成冷凍站特點(diǎn)及節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

地鐵車站集成冷凍站是一個(gè)由多設(shè)備構(gòu)成，需要聯(lián)合協(xié)調(diào)運(yùn)行體現(xiàn)綜合性能的有機(jī)整體，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)系統(tǒng)工程。目前國(guó)內(nèi)部分城市，包括武漢市，其車站集成冷凍站采用對(duì)各設(shè)備分開(kāi)招標(biāo)，由集成冷凍站、風(fēng)水電以及綜合監(jiān)控等專業(yè)分別進(jìn)行安裝的情況，使得集成冷凍站并沒(méi)有按照系統(tǒng)工程來(lái)組織，從而造成集成冷凍站占地面積大、現(xiàn)場(chǎng)交叉施工周期長(zhǎng)、施工質(zhì)量控制難度大、接口協(xié)調(diào)復(fù)雜、能耗大等問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題及不足，自2012年武漢地鐵2號(hào)線一期工程開(kāi)始，武漢地鐵在全國(guó)首次采用集成冷凍站方案，并創(chuàng)新地使用主機(jī)群控策略和模糊控制技術(shù)等，有效解決了地鐵車站傳統(tǒng)制冷模式所面臨的施工周期長(zhǎng)、能耗大等問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)：

1. 采用預(yù)制式集成冷站方案

按照傳統(tǒng)分站供冷的地鐵設(shè)備招標(biāo)模式，面對(duì)的廠家較多，比較分散，接口眾多，協(xié)調(diào)工作量非常大，安裝周期長(zhǎng)，且現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試難度大。同時(shí)沒(méi)有對(duì)冷凍站的整體最佳運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行考慮，導(dǎo)致冷凍站的運(yùn)行效率無(wú)法達(dá)到最佳。而預(yù)制式冷凍站主要由冷凍站基座、冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、控制柜冷卻塔、水處理裝置、定壓補(bǔ)水系統(tǒng)、分水器、集水器、管道閥門(mén)和管道支架等組成。集成商通過(guò)二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率和連續(xù)運(yùn)行的可靠性，在工程將機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備模塊化，調(diào)試完成后再運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)拼裝?，F(xiàn)場(chǎng)的安裝時(shí)間大概在4天左右，將原來(lái)傳統(tǒng)模式的安裝時(shí)間縮短2倍左右。

2. 采用主機(jī)群控策略

主機(jī)群控的最優(yōu)解決方案是通過(guò)采用智能模糊控制監(jiān)測(cè)冷水及冷卻水進(jìn)出水溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、油溫、油壓、壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)等，即時(shí)預(yù)測(cè)下一時(shí)段負(fù)荷，并根據(jù)負(fù)荷變化優(yōu)化主機(jī)啟停，調(diào)整主機(jī)出力，實(shí)施水泵變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制主機(jī)、水泵等設(shè)備，使得空調(diào)的控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，確保合理的控制設(shè)備工況，使空調(diào)主機(jī)始終運(yùn)行在最佳工況，從而可減少主機(jī)10%～30%的能耗。

3. 將節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用在地鐵車站集成冷凍站設(shè)計(jì)中

地鐵車站集成冷凍站節(jié)能控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用軟件構(gòu)成，安裝于車站控制室的工作臺(tái)上，它使用以太網(wǎng)與BAS系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息集成，集中監(jiān)控。

4. 采用最優(yōu)的冷卻水控制方案

依據(jù)傳感器所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)氣候條件、系統(tǒng)特性和自適應(yīng)模糊優(yōu)化算法模型，通過(guò)推理計(jì)算出所需的冷卻水溫度最佳值，并與檢測(cè)到的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量和冷卻塔風(fēng)量，使冷卻水溫度趨近于模糊控制器給出的最優(yōu)值，從而保證整個(gè)空調(diào)水系統(tǒng)始終處于最佳效率狀態(tài)下運(yùn)行，系統(tǒng)整體能耗最低。經(jīng)優(yōu)化后，冷卻水系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到28%等。

三、車站集成冷凍站節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用分析

本文以7號(hào)線北沿線（前川線）巨龍大道站集成冷凍站為例，在采取了上文傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化措施后的基礎(chǔ)上，對(duì)其所采用的部分節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行了分析。

巨龍大道站為7號(hào)線北沿線（前川線）第5座車站，為與2號(hào)線的換乘站。車站總建筑面積 36968m2，其中車站主體建筑面積30046m2，車站附屬建筑面積6922m2。冷水機(jī)房位于車站左側(cè)設(shè)備層。車站公共區(qū)冷負(fù)荷987.64kW，設(shè)備用房冷負(fù)荷919.55kW，換乘通道冷負(fù)荷為101.4 kW，總冷負(fù)荷2008.59kW。

巨龍大道站集成冷凍站系統(tǒng)現(xiàn)狀為：（1）冷水機(jī)組選用2臺(tái)變頻螺桿水冷冷水主機(jī)，單臺(tái)制冷量1017kW。運(yùn)行工況為冷凍水7/12℃，冷卻水32/37℃；（2）水泵采用立式清水離心泵，變頻調(diào)節(jié)；（3）冷卻塔采用超低噪音方形橫流塔，風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻調(diào)節(jié)；（4）末端設(shè)備配備有節(jié)能控制柜，其中公共區(qū)組合式空調(diào)器采用風(fēng)機(jī)變頻；每臺(tái)末端設(shè)備均配有動(dòng)態(tài)流量平衡閥。

為提高巨龍大道站集成冷凍站綜合能效，根據(jù)巨龍大道站現(xiàn)有的系統(tǒng)配置，在設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的集成冷凍站的基礎(chǔ)上開(kāi)展二次深化設(shè)計(jì)和三維仿真，以節(jié)能控制系統(tǒng)為核心，進(jìn)行系統(tǒng)有效整合、設(shè)備最優(yōu)選型匹配，并輔以更合理的控制程序，使得機(jī)房COP提高到6.5（原機(jī)房COP經(jīng)測(cè)算為4.8）。其主要采用的節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)具體如下：

水冷冷水主機(jī)選用磁懸浮離心式壓縮機(jī)。由于作為速度型的離心式壓縮機(jī)，比容積式的螺桿式具備更高的能效，同時(shí)作為速度型的設(shè)備，配合變頻能獲得更高的部分負(fù)荷運(yùn)行效率。以巨龍大道站為例，機(jī)組采用離心機(jī)后，機(jī)房COP即可提高到5.35，具體如下表所示：

表1 巨龍大道選用螺桿式壓縮機(jī)機(jī)房COP測(cè)算

表2 巨龍大道選用磁懸浮離心式壓縮機(jī)機(jī)房COP測(cè)算

（2）優(yōu)化控制策略。對(duì)于負(fù)荷預(yù)測(cè)方面，采用了基于歷史氣象人流量的負(fù)荷預(yù)測(cè)，達(dá)到系統(tǒng)供需平衡；對(duì)空調(diào)末端“風(fēng)水聯(lián)動(dòng)”進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)系統(tǒng)最大化節(jié)能；讓控制系統(tǒng)直接參與主機(jī)容量調(diào)節(jié)，從而減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)路；采用“主動(dòng)尋優(yōu)”控制算法，實(shí)現(xiàn)各關(guān)聯(lián)設(shè)備間的解耦控制；采用“風(fēng)水電”系統(tǒng)大集成，減少接口界面，提高節(jié)能效率。

（3）將動(dòng)態(tài)流量平衡閥升級(jí)為智慧閥。在采用智慧閥后，控制系統(tǒng)能直接掌握每臺(tái)末端設(shè)備實(shí)時(shí)的流量數(shù)據(jù)，通過(guò)在調(diào)試時(shí)收集的水泵變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)，編制多個(gè)運(yùn)行場(chǎng)景。在后期運(yùn)行中，可快速調(diào)節(jié)，而不需要通過(guò)“調(diào)節(jié)-反饋-再調(diào)節(jié)”，提高控制效率。而且智慧閥自帶傳感器，可確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

（4）空調(diào)水系統(tǒng)采用供回水大溫差。空調(diào)水系統(tǒng)原采用供/回水溫度為7/12℃的常規(guī)供回水溫度，溫差為5℃，大溫差空調(diào)系統(tǒng)使用的溫差一般在7～ 10℃，最為顯著的特點(diǎn)是減少水系統(tǒng)輸送流量和輸送動(dòng)力，從而可以提高冷水系統(tǒng)運(yùn)行能力，使得整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益提升。

（5）采用BIM技術(shù)。一是優(yōu)化管路。各管段順流化處理，在水管各三通交匯處使用順流構(gòu)件，使水管匯流的沖擊力減少，控制管內(nèi)流體碰撞損失，可有效減小管段阻力。采用大曲率半徑彎頭，與90°彎頭相比，大曲率半徑彎頭局部管損可降低約30%～50%；二是工廠預(yù)制。通過(guò)BIM建?？蓪?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)下料，使管道、管件、附件完全由工廠制作并局部拼接，提高安裝的精度和現(xiàn)場(chǎng)的安裝時(shí)間。

（6）其他技術(shù)措施。一是通過(guò)將冷卻水管采用不銹鋼管，具有更好的耐蝕性，長(zhǎng)期使用不易結(jié)垢，且使用壽命長(zhǎng)，在壽命周期中，管網(wǎng)漏損率最低，其維修和更新費(fèi)用成本比較低；二是采用膠球在線清洗技術(shù)，通過(guò)主機(jī)和集球器把清洗球發(fā)射到冷凝器進(jìn)水管，小球隨著水流快速進(jìn)入管道，管道內(nèi)壁被小球刷洗，掉落的污垢隨著水流被帶走，管道將常年保持干凈，大大改善換熱效率，提高能效；三是機(jī)房?jī)?nèi)冷凍水管采用保溫一體式管道，可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)僅簡(jiǎn)單拼裝，可提高安裝質(zhì)量并縮短現(xiàn)場(chǎng)工期。

采用節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)前后車站集成冷凍站的運(yùn)行能耗及費(fèi)用分析如下表所示。

表3 巨龍大道站集成冷凍站不同COP運(yùn)行能耗及費(fèi)用分析

通過(guò)采用上述節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)后，巨龍大道站集成冷凍站COP由優(yōu)化設(shè)計(jì)前的4.8提升至6.5，可年節(jié)約電量199090度，按電費(fèi)0.76元/kW·h計(jì)算，年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約15萬(wàn)元。

四、結(jié)論

地鐵車站集成冷凍站作為地鐵運(yùn)行中的能耗大戶，節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，不僅節(jié)約了車站設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的能耗，同時(shí)也能夠?yàn)樯鐣?huì)節(jié)約燃煤消耗和減少SO2、CO2、粉塵的排放，為推進(jìn)全社會(huì)節(jié)約能源，提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，為保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，同時(shí)也為后續(xù)線路和其他城市的地鐵項(xiàng)目實(shí)施提供依據(jù)和參考。