集成式高效空調制冷系統在地鐵車站的應用研究

姬安

（浙江省交通規劃設計研究院有限公司，杭州310006）

1 引言

制冷系統設計是城市軌道交通通風空調專業的核心設計內容，傳統空調制冷系統硬件方面存在占地面積大，設計施工界面多，施工周期長，質量難以控制等問題，軟件方面存在專業多、接口雜、能耗高、能效低，責任主體不明確等問題【1】。當前我國正處于大規模城市軌道交通建設時期，軟硬件一體化技術水平越來越高，同時軟硬件一體化也是智慧化的一個必然趨勢。采用裝配式冷凍站和高效節能控制系統不僅可以提高工程質量，縮短工期降低成本，也可以提高地鐵車站空調系統的整體能耗水平，尤其對提高空調制冷系統的運維管理效果顯著。目前，在杭州至海寧城際鐵路工程中，全線地下車站空調制冷系統均采用裝配式冷凍站和高效節能控制系統，本文結合該實際工程對其應用進行分析，可供相關工程參考。

2 傳統的空調制冷系統存在的問題

2.1 能效低

目前，我國軌道交通車站制冷機房的建設只是在設計及設備采購階段對部分設備的能效提出要求，普遍沒有設定制冷機房能效目標，系統建成后的實際能效往往達不到GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》規定的最低限值要求，而且沒有哪一方責任主體需要對系統能效負責。另一方面，由于目前安裝能耗監測系統的工程不多，冷凍站運行的真實數據不能實時反饋，系統真實運行狀態難以準確掌握，并不能及時、準確地找出系統低效運行的原因。這也是擺在運營部門面前的一道難題。

2.2 制冷機房建設程序煩瑣，系統調試缺失

按目前的建設程序，設計周期短，精細化程度不夠，設備優化布置不合理，占地面積大；設備采購分散，設備之間的匹配性不佳；施工周期長，現場施工變更多，協調管理難度大，材料浪費大；各階段責任主體分散，存在不同程度的沖突，導致系統整體性能不佳，效果難以保證。目前，多數軌道交通車站制冷機房內的設備和系統都沒有進行現場性能測試，傳感器執行器運行狀態沒有校正，控制策略沒有檢驗，很可能處于低效或錯誤的運行狀態，從建成交付之日起就存在先天不足。

2.3 節能控制與運維管理水平不高

節能控制及設備管理由BAS系統負責，BAS作為一個“大而全”的綜合性系統，難以對制冷機房的節能控制做到專業化、精細化。反饋控制時間滯后、效果差，不能實時適應環境的變化。沒有分項計量系統，沒有運行能耗目標和控制指標，控制系統的能效及運行管理水平無法評判。運維管理對人員的依賴性較大，主觀性較強。

3 高效空調制冷系統的具體應用案例

3.1 杭州至海寧城際鐵路工程海昌路站簡介

杭州至海寧城際鐵路工程海昌路站為標準2層地下島式車站，采用分站供冷方式，冷源系統采用水冷螺桿機+冷卻塔的方案，車站設置有2臺冷水機組，2臺冷凍水泵，2臺冷卻水泵，2臺冷卻塔及水處理裝置。采用的節能控制技術有：獨立控制，采用簡易、獨立單點控制。目前設備選型太大，負荷長期在30%以下，控制無調試，控制無反饋，控制無目標，設備布置分散，占地面積較大，全部現場安裝，建設周期較長，運維人力成本高，穩定性較差。

3.2 優化建議

設備采用全變頻、高能效產品：冷水機組主機、冷卻水泵、冷卻塔風機、冷凍水泵均選用變頻產品，且具有良好的負荷性能。

機房系統集成，管網系統優化：采用裝配式整體集成技術，整合機房所有設備，在工廠進行預制、加工、生產、測試，現場拼裝、調試，采用系統集成設計技術，通過三維仿真和力學有限元分析，實現最優化布局。通過對電動調節閥、壓差旁通閥等的優化選型，降低系統阻力，改善水力平衡，進而降低水泵的揚程及流量。

水系統優化：對于冷水機組，冷凍水出水溫度越高，其能效比就越高，一般來說，每提高1℃，機組能效比提高3%左右。為提高制冷機房整體能效水平，建議提高冷凍水出水溫度，并采用冷凍水大溫差技術。將原設計7℃/12℃的冷凍水供回水溫調整為9℃/16℃。

節能控制技術優化：綜合采用基于預測負荷的按需主動控制、控制系統的自主學習與持續優化、基于整體高效的設備關聯控制等控制系統和控制策略。在各種負荷條件下通過節能控制系統自動尋優找到一個系統效率最佳點，使整個系統能效比最高。同時，對各用能設備、各控制參數進行監測、分析及統計，為節能運行提供數據支持【2】。

3.3 原方案與優化方案的綜合對比

1）原設計方案制冷機房：制冷機房主體設備分開多次采購，機電安裝公司安裝；責任主體分散，沒考慮綜合性能；采用簡易、獨立單點控制技術；設備布置分散，機房占地面積較大；設備基礎采用混凝土結構，位置不可調整；現場材料保護條件有限，易造成材料污損；現場設備和管線就位安裝，采購設備間斷地進入施工現場、協調、安裝、調試時間長，建設周期較長；系統運行較大程度上依賴操作人員輪巡、值守，人力成本高、穩定性差，系統可靠運行依靠操作人員責任心、技術能力。

2）高能效集成冷凍站：集成商開展二次深化設計和三維仿真，采用智能機電一體化系統產品，冷凍站及空調末端設備打包統一招標；單一責任主體，無相關單位人員扯皮情況發生，系統集成制造商對系統綜合性能指標負責；根據軌道交通的負荷特點，采用關聯預測控制技術；冷凍站整體最優布局，節省1/3以上的機房占地面積；設備基礎采用鋼結構底座，可調整位置；生產圖紙指導工廠預制，可精確到毫米級，節省10%以上的材料耗費；通過工廠預制、模塊運輸、現場拼裝，避免工程現場的交叉施工，降低業主的管理難度，縮短4/5現場建設周期；具有各類完備的單機保護以及系統整體保護功能，能夠實現全自動無人值守運行；借助云平臺和大數據專業分析，全面遠程監控管理，可實現技術咨詢、信息查詢、報警提示、專家節能優化、服務質量考評。

4 技術經濟分析

4.1 海昌路站原設計制冷機房能效比計算

根據原設計參數計算出的設計工況下制冷機房綜合能效比為3.15（綜合能效比定義：運行工況下，冷凍站供冷量與冷水機組機、冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔耗電量之比）。

4.2 高效集成冷凍站能效測算

通過選用全變頻、高能效設備，機房系統集成、管網系統優化、水系統優化、節能控制技術優化等措施，建設高效集成式冷凍站。根據測算，可以使集成冷凍站綜合能效比達到4.5以上。能效比提升幅度為40%以上。

4.3 高效集成冷凍站運行費用測算

能耗費用測算如表1所示。

表1能耗費用測算

經測算，高效集成冷凍站與原設計制冷機房相比，系統節能率達到30%，年均節省運行費用約14.5萬元。海昌路站高效集成冷凍站建設費用估算為380萬元，原設計制冷機房概算為320萬元，高效集成冷凍站初投資較初步設計增加18.75%，投資回收期約為4a。

5 結語

綜上所述，以集成式高效空調制冷系統的建設與能效保持為衡量標準，開展冷凍站全過程的技術研究，綜合運用BIM、集成化、系統仿真、大數據等技術，實現冷凍站及空調末端全壽命周期的高效運行與精細化管理，從而降低軌道交通的運營成本，促進軌道交通可持續發展。目前，海昌路站機電設備正在施工安裝階段，待運營后還需進一步根據運行數據驗證分析。