某地鐵車站通風空調水系統設備性能分析

周平

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州510010）

1 項目概述

本項目地鐵站開通于2009年12月，車站主體面積約34556m2，為明挖三層T型兩線換乘站。車站通風空調冷源采用一次泵系統分站供冷，兩線共用制冷系統及機房，空調設計總冷量為2466kW。冷水機房置于負二層，主機采用2臺額定制冷量為1286kW的定頻螺桿冷水機組，冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷卻水供回水溫度為32/37℃。冷水機房內設置了3臺冷凍水泵和3臺冷卻水泵，室外設置2臺冷卻塔，其中水泵為二用一備，水泵及冷卻塔均為定頻運行。項目實施前地鐵運營部門頻繁收到乘客關于車站溫度偏高的投訴，繼而委托第三方檢測單位對車站公共區溫度進行了檢測，圖1為2016年夏季某日全天測試的逐時溫度分布情況。

圖1 車站公共區全天溫度

該城市地鐵車站站廳公共區夏季空調設計溫度為29℃，站臺公共區為27℃。如圖1所示，顯然在測試當天溫度值均高于設計溫度。項目實施前，項目組對該地鐵站通風空調系統進行了為期半個月的能效檢測，以尋求問題的根源，主要檢測對象為制冷主機、空調水泵、冷卻塔等。

2 制冷主機能效檢測與處理建議

2.1 制冷主機能效檢測

測試期間某天20點41分，制冷主機運行數據：冷凍水進水溫度10.9℃，出水溫度8.1℃，冷凍水進出水溫差2.8℃；冷卻水進水溫度28.4℃，出水溫度32.4℃，冷卻水進出溫差4℃。由于本站水系統采用定流量變水溫控制，當冷凍水進出水溫差為2.8℃時，主機的負載率約為56%。根據地鐵車站通風空調系統運行的規律可知，此時大系統和空調小系統均在運行，同時執行的是小新風空調工況。經對通風空調系統進行分析，本站大、小系統空調設計冷負荷的比值約為3∶2，記錄時刻雖然已是晚高峰客流之后，但車站公共區的平均溫度約為29.5℃，已經超過站廳設計溫度29℃和站臺設計溫度27℃。經上述分析，制冷主機制冷量輸出顯然不足，圖2為制冷機房全天制冷功率與電功率變化曲線。

由圖2可知測試當天制冷機房全天最大的制冷能力約1300kW，約占額定制冷量53%，制冷主機的COP（制冷主機制冷量與耗電功率的比值）約為2.8～3.2。

圖2 制冷機房全天制冷功率及電功率變化曲線

2.2 制冷主機處理建議

測試期間車站冷負荷已接近設計冷負荷，然而據測試結果來看，制冷機房的供冷能力即使是在峰值也僅達到設計能力的53%，顯然不滿足環境溫度控制的需求。綜合測試結果及分析來看，冷水機房供冷能力下降嚴重是車站環境溫度不達標的主要原因之一。

為解決車站溫度偏高的問題，建議對車站原定頻螺桿制冷主機進行更換，以確保機房的制冷能力。結合地鐵通風空調系統逐時冷負荷特性，系統大部分時段都是處于部分負荷運行的狀態，因此建議新制冷主機采用部分負荷工況下COP較高的機組以滿足節能要求。

3 冷卻塔性能分析與處理建議

3.1 冷卻塔性能分析

本站采用兩臺冷卻塔，冷卻塔布置在地面高風亭頂部，風亭位于城市交通干道旁，距離冷卻塔約30m處為輕重餐飲混合的商業建筑群。本站采用的是橫流式冷卻塔，額定流量為345m3/h，額定電功率為11kW。經現場勘察與分析，發現冷卻塔結垢問題、填料老化問題非常嚴重，散熱性能下降嚴重。上述問題將在很大程度上影響制冷主機的COP，也大幅增加了冷卻塔的清洗頻率，通風空調系統運行不節能的同時也增加了運營的運維成本。

3.2 冷卻塔處理建議

眾所周知制冷循環為逆卡諾循環，制冷主機的冷卻水供水溫度將直接影響到逆卡諾循環制冷系數，而冷卻水的供水溫度與冷卻塔的性能息息相關。換而言之，冷卻塔的散熱性能已直接影響制冷主機的能效，進而影響通風空調系統的能效。結合地鐵運營部門反饋的維護頻率，為提升環控系統的能效，建議更換兩臺冷卻塔。

4 空調水泵性能分析與處理建議

4.1 空調水泵性能分析

本站水系統水泵均按兩用一備設置，原設備參數如表1所示。

表1 水系統水泵均按兩用一備設置參數

本站冷凍水泵和冷卻水泵均采用定頻運行，圖3為測試期間某天的冷凍站設備用電占比情況。可知冷凍水泵和冷卻水泵用電量占比接近30%，略高于常規車站的平均水平，具有一定的節能空間。

圖3 冷凍站各設備用電占比情況

經對現場水系統管網進行水力計算，當冷凍水供回水溫差為5℃時，冷凍水泵的選型揚程約為31.4m，略小于設備配置的35.7m揚程。當冷卻水供回水溫差為5℃時，冷卻水泵的選型揚程約為23.1m，小于設備配置的28.6m揚程。顯然空調水泵的揚程配置較實際需求偏大，因此有一定的節能空間。

4.2 空調水泵處理建議

空調冷凍水相比于傳統的5℃供回水溫差，適當加大供回水溫差可有效降低空調水系統輸送能耗。冷凍水溫差改變前后水泵的流量Q（m3/s）、揚程ΔP（Pa）和功率N（kW）有如下關系：

本次改造中若將空調冷凍水供回水溫差調整為7℃后，額定冷凍水流量減少至之前的70%左右，則揚程也將由之前的35.7m下降至20.1m。原空調水泵為定頻水泵，冷凍泵直接計算效率為58%、冷卻泵直接計算效率為68%，隨著一次泵變流量系統在地鐵車站中應用的普及，一次泵變流量系統所帶來的節能效益越來越受到重視。從節約輸送能耗的角度而言，建議對原空調水泵進行更換，同時選用新的高效變頻水泵匹配改造后的運行工況。

5 結語

本項目實施過程對制冷主機、冷卻塔及空調水泵進行優化和重新選型，目前車站通風空調系統已實現健康、節能運行。環境溫度由改造前基本失控到可控，系統運行由手動運行到全自動運行。本項目在解決了溫度問題的同時取得了非常好的節能效果，經第三方機構鑒定綜合名義年節電率達到45%。