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(gè)城市保有軌道交通方式，總線路長達(dá)9 000 km 以上[1-2］。“十三五”期間，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(gè)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(gè)完整制冷季。為分析改造后的情況，從兩個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，機(jī)組的出水溫度、水泵頻率等依據(jù)系統(tǒng)需求自動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)未改造的對比站和該案例中改造站近年來各月份動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)站動(dòng)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(dòng)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(dòng)照總用電基準(zhǔn)年，計(jì)算各年份空調(diào)季動(dòng)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(dòng)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(dòng)照總用電中電梯用電和照明用電量隨時(shí)間變化較小，因此，改造站2022 年動(dòng)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(gè)站動(dòng)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)冷凍水溫差和冷卻水溫差在3～5 ℃之間波動(dòng)，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(shí)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。