深圳地鐵車站中央空調系統變頻節能改造方案分析

王 憲,李 夔

(深圳市地鐵集團有限公司運營分公司,深圳518040)

1 引 言

深圳地鐵車站中央空調系統有大系統、小系統和水系統。其中大系統指車站公共區 (站臺、站廳)的空調通風系統,包括組合式空調箱、回排風機等能耗設備;小系統指車站設備管理用房的空調通風系統,包括柜式風機盤管、回排風機等能耗設備;水系統指為大系統、小系統提供冷源的系統,包括冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔等耗能設備。深圳地鐵一期工程所有風機、水泵均為定頻運行。

從系統設計來看,深圳地鐵一期工程環控系統設計是按遠期2028年晚高峰小時運營條件來設計,而目前地鐵大部分車站客流量還達不到遠期設計要求。因此,地鐵中央空調系統在初期及中期運營階段都有較大的節能空間;從車站負荷情況來看,運營時段,車站客流主要集中在早中晚上下班高峰期,其余時間客流相對較少,差別明顯。運營結束后,大系統停止工作,而小系統由于負責一些設備管理用房,需24小時不間斷供冷,這就導致在夜間停止大系統后,水系統長時間在低負荷狀態下運行,極大地浪費了能源,因此,運營時段及非運營時段負荷的差異性,也讓地鐵中央空調系統有較大的節能空間。

2 改造原理

在大型公共建筑供暖空調電力消耗中,有60%～70%是由輸送和分配冷量 (熱量)的風機、水泵所消耗,而這部分電耗有可能降低60%～70%,存在巨大的節能潛力[1]。由于風機及水泵都采用了變頻控制[2],其消耗功率的比與流量的比的三次方成正比,因此變頻改造后,地鐵車站中央空調系統能耗較以前能有很大降低。

基此,深圳地鐵一期工程華僑城站變頻改造項目試點啟動,本項目硬件方面通過增加變頻器回路,軟件方面通過在現有HMI、PLC工程的深度集成,增加變頻工藝參數及相關監控功能,根據車站公共區的溫濕度和CO2濃度變化進行變頻調節,在保證空氣質量的前提下達到節能的目的。同時將變頻控制的相關參數 (如頻率、自動/手動控制方式等)上傳至車站EMCS(原有的設備監控系統)系統并上傳至OCC(調度中心)。環調通過EMCS系統實現對車站溫度的自動控制及必要時的手動干預,從而滿足車站舒適度與節能要求。變頻改造兼顧車站火災防排煙功能,EMCS系統啟動火災模式后,變頻風機能自動切換到工頻運行,與現有火災控制模式保持一致。

3 改造范圍

改造范圍見表1。

表1 華僑城站中央空調系統改造范圍

4 改造方案

4.1 水系統改造方案

4.1.1 改造系統硬件配置

(1)冷凍水泵控制柜:2臺 (每個柜包含1機械電表1通訊表)。

(2)冷卻水泵控制柜:2臺 (每個柜包含1機械電表1通訊表)。

(3)主機電能計量單表安裝在主機控制箱內,方便接線,一控2(2機械2通訊4塊)測量冷水機組電量。

(4)現場儀表:包括4個溫度傳感器、2臺流量計和1臺壓差傳感器,監測冷水系統過程參數。

4.1.2 控制策略

(1)以冷凍水進出水管溫差為被控量,以冷凍泵為控制對象,構成一套閉環控制系統,調節冷凍泵運行頻率,使其在適當的節能狀態下運行;流量和壓差作為保護參數,當參數達到設定下限時,觸發冷凍泵頻率保護。

(2)以冷卻水進出水管溫差為被控量,以冷卻泵為控制對象,構成一套閉環控制系統,調節冷卻泵運行頻率,使其在適當的節能狀態下運行。

(3)當主機處于冷凍水流量或冷凍水出水低溫保護狀態時,提高冷凍泵運行頻率,以保護主機。

(4)當主機處于冷凍水進出水高壓差保護狀態時,降低冷凍泵運行頻率,以保護主機。

(5)當主機處于冷卻水高溫保護狀態時,提高冷凍泵運行頻率,以保護主機。

(6)當主機處于冷卻水低溫保護狀態時,降低冷凍泵運行頻率,以保護主機。

(7)水系統的啟停控制由主機控制系統控制,變頻器頻率控制由車站環網控制進行控制,兩個系統可進行數據交換,保證系統的正常運行。

(8)冷凍水溫差控制采用分季節、分時段控制,室外溫度傳感器反饋做為輔助控制,如溫度和季節完全不符合,就相應做出調整,以適應各種季節里的特殊天氣。

4.1.3 控制點

(1)冷凍、冷卻水泵監控點:

啟停狀態 (DI:啟動、停止): 已有

故障狀態 (DI:故障): 已有

本地/遠程狀態 (DI:本地/遠程):已有

變頻手動/自動 (DI:手動/自動):新加

變頻器頻率顯示 (總線): 新加

變頻器頻率給定 (總線): 新加

電量 (Modbus:電度): 新加

(2)冷水機組:

在原有顯示內容的基礎上增加:

冷凝器進出口溫度 (AI:進出口溫度);

蒸發器進出口溫度 (AI:進出口溫度);

冷凍水流量;壓差;電量 (Modbus:電度)

4.2 大系統改造方案

4.2.1 改造系統硬件配置

(1)替換原有風柜4個,加入變頻器和電表等,保留原有功能。

(2)替換原有排風柜四個,加入變頻器和電表等,保留原有功能。

(3)安裝CO2傳感器4個。

4.2.2 控制策略

(1)根據站廳內溫度和CO2濃度控制風機的運行頻率。

(2)根據站廳內溫度,控制風機二通閥的開啟度,達到控制站內溫度的目的。

(3)根據室內CO2濃度控制排風機的運行頻率。

(4)為保證車站正壓需要,要求回排風機頻率小于等于空調機頻率,當檢測到同一區域 (東區和西區)中回排風機頻率大于空調機頻率,系統強制設定回排風機頻率等于空調機頻率。

4.2.3 控制點

(1)組合空調機監控點:

啟停控制 (DO:啟動/停止): 已有

啟停狀態 (DI:啟動、停止): 已有

故障狀態 (DI:故障): 已有

本地/遠程狀態 (DI:本地/遠程):已有

聯鎖風閥開/關 (DI:開到位、關到位):已有

過濾器堵塞 (DI:堵塞): 已有

變頻手動/自動 (DI:手動/自動):新加

變頻器頻率顯示 (總線): 新加

變頻器頻率給定 (總線): 新加

電量 (Modbus轉總線:電度): 新加

(2)排風機監控點:

啟停控制 (DO:啟動/停止): 已有

啟停狀態 (DI:啟動、停止): 已有

故障狀態 (DI:故障): 已有

軸承溫度報警 (DI:軸溫報警): 已有

本地/遠程狀態 (DI:本地/遠程):已有

聯鎖風閥開/關 (DI:開到位、關到位):已有

變頻手動/自動 (DI:手動/自動):新加

變頻器頻率顯示 (總線): 新加

變頻器頻率給定 (總線): 新加

電量 (Modbus轉總線:電度): 新加

5 節能量測算

5.1 能源計量措施

改造后共增加用于能源計量的機械式電表14塊,增加用于向EMCS系統傳輸數據的通訊式智能電度表14塊,機械式電表作為智能電度表的備用校核。

5.2 測算方式

測試采用比對法,即在每月同樣天氣及客流量基本一致條件下,采用工頻方式運行24小時,計量耗電量W0,作為基礎數據。再以變頻節能方式運行24小時,計量耗電量W,兩者之差為單日節能量 (W0-W)。每月可多次測量,取算術平均值作為節電量的真實數據。用兩者之差在乘以當月天數 (n),計算出當月節電數據Wn=n(W0-W)。

5.3 節電率測算結果

根據2010年全年各個月測算出的節電率,計算全年節電率如表2。

表2 華僑城站全年節電率統計表

6 經濟性分析

本項目改造費用95.6萬元,按全年節省電費31.4萬元計,3年可收回投資成本,具備可觀的經濟性。

7 存在的問題及優化方向

(1)僅關注水泵節電,忽略了系統能耗可能上升。

(2)冷凍水循環和冷卻水循環控制相對獨立,未能實現系統COP的綜合優化控制。

(3)未能夠根據中央空調主機特性優化組控。中央空調制冷主機的效率特性通常隨著負荷的變化而變化,并在某一負荷率下具有最佳效率。因此,在多臺機組并聯運行時,可根據當前負荷情況和歷史記錄的主機負荷效率特性,選擇一種最佳的主機運行臺數組合,以達到系統的最高效率。

(4)PID控制回水溫度波動大,容易發生振蕩,運行穩定性差,如采用模糊預期算法則能夠實現回水溫度精確控制。

(5)在實際運行中,發現存在水力失調問題,為了保障局部失衡區域達到制冷標準,就必需保持較大的冷凍水流量,導致系統能耗增加且節能空間受到限制。后續可通過加裝水力平衡閥,提供水力動態調節功能,實現空調管網系統的水力動態檢測和自動調節,確保各支路的能量平衡和制冷效果均衡。

8 結論

(1)在地鐵車站中央空調系統大系統和水系統采用變頻節能控制,能夠達到節能的目的,具備可行性和經濟性。

(2)節能改造要采用有效的監測方式,在地鐵電力設計中應具備能源監測系統。

(3)地鐵車站中央空調系統設計時應將變頻節能納入系統設計中,綜合考慮,實現系統COP的綜合優化控制。

[1]薛志峰,江億.北京市大型公共建筑用能現狀與節能潛力分析[J].暖通空調,2004,34(9):8-10

[2]張欽,袁立東.中小型空調水系統備用泵的優化設計探討[J].制冷與空調,2009,9(2):73-75