某城市地鐵車站采用冰蓄冷系統(tǒng)分析

賀利工

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥高級(jí)工程師）

某城市地鐵車站采用冰蓄冷系統(tǒng)分析

賀利工

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州∥高級(jí)工程師）

以某城市地鐵地下站為例，從水系統(tǒng)的流程、與用戶的連接方式、系統(tǒng)配置等方面分析了車站采用冰蓄冷的方案。采用該地下站的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)車站冰蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)制冷系統(tǒng)方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，得到結(jié)論：由于該城市峰谷電價(jià)差超過3.5倍，采用冰蓄冷是可行的，但優(yōu)勢不突出。冰蓄冷方式利用電價(jià)差達(dá)到總費(fèi)用最小，省錢但不省電。

地鐵車站；冰蓄冷；技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

Author's addressGuangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

1 車站概況及綜合條件

某城市地鐵線路呈南北走向，穿越城市發(fā)展區(qū)及規(guī)劃新區(qū)。根據(jù)該線的客流、設(shè)置屏蔽門情況、車站規(guī)模，以及當(dāng)?shù)貧夂虻葪l件，初步分析計(jì)算，該地下車站單站冷負(fù)荷在900～1 400 k W范圍內(nèi)。

常規(guī)情況下，地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)采用冷水機(jī)組制冷。根據(jù)車站大小系統(tǒng)的負(fù)荷情況、運(yùn)行時(shí)間、調(diào)節(jié)要求及節(jié)能效果等要求，該車站配置了2臺(tái)冷水機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組制冷量約在420～700 k W。空調(diào)制冷水系統(tǒng)冷凍水循環(huán)側(cè)，利用比例積分二通閥調(diào)節(jié)空調(diào)末端，實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)。冷水機(jī)利用供回水主管上的旁通管路和閥門實(shí)現(xiàn)定流量運(yùn)行。冷凍、冷卻水泵為定速泵，采用進(jìn)出水5℃溫差設(shè)計(jì)。大系統(tǒng)設(shè)置了大型組合式空調(diào)器，小系統(tǒng)設(shè)置了柜式空調(diào)機(jī)及風(fēng)機(jī)盤管，負(fù)荷點(diǎn)的數(shù)量較小；系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)段集中且有規(guī)律，供冷水力平衡的要求較低。該城市用電實(shí)施峰谷差價(jià)，電價(jià)及時(shí)間段見表1。由表1可知，豐水期的電價(jià)最便宜，低谷段與高峰段的單價(jià)比為1∶3.53；枯水期的電價(jià)最高，低谷段與高峰段的單價(jià)比上升到1∶3.63。可見，鼓勵(lì)錯(cuò)峰用電對(duì)調(diào)整電網(wǎng)均衡有利。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)來講，是鼓勵(lì)采用蓄能空調(diào)（水蓄冷及冰蓄冷）。這為蓄冷技術(shù)在地鐵的應(yīng)用提供了可實(shí)施的條件。

表1 某城市實(shí)施峰谷電價(jià)及時(shí)間段

2 車站采用冰蓄冷方案分析

2.1 系統(tǒng)方式

在蓄冰空調(diào)系統(tǒng)中，水系統(tǒng)的流程有兩種：并聯(lián)流程和串聯(lián)流程［1］。

并聯(lián)系統(tǒng)流程中制冷機(jī)與蓄冰槽處于并聯(lián)位置，當(dāng)最大負(fù)荷時(shí)可以聯(lián)合供冷。并聯(lián)流程適用于溶液溫差為5～6℃的系統(tǒng)（即制冷機(jī)組與蓄冷裝置運(yùn)行于相同的進(jìn)出口溶液溫度條件）。并聯(lián)流程不適用于溫差大于6℃的系統(tǒng)，因?yàn)槠湟蟮娜芤貉h(huán)量較少，對(duì)制冷機(jī)蒸發(fā)器的傳熱效果有影響；在釋冷供冷時(shí)，溶液泵的運(yùn)行功率較小，適合于全量蓄冷運(yùn)行策略，出口溫度控制困難。

串聯(lián)流程系統(tǒng)中制冷機(jī)與蓄冰槽處于串聯(lián)位置，以1臺(tái)泵維持系統(tǒng)內(nèi)的乙二醇溶液循環(huán)，供應(yīng)空調(diào)所需的冷量。串聯(lián)配置的蓄冷系統(tǒng)，無論是滿負(fù)荷或部分負(fù)荷運(yùn)行方式，都能保持恒定的供冷溫度；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且較易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。串聯(lián)流程對(duì)較大的供回液溫差的系統(tǒng)（如溫差大于8℃）較有利，尤其是大溫差及分量蓄冷運(yùn)行策略時(shí)，其溶液泵的電功率相應(yīng)減少，更適宜于低溫空調(diào)的供冷。

根據(jù)地鐵車站用戶數(shù)量少、經(jīng)濟(jì)適用的原則及系統(tǒng)流程的特點(diǎn)，推薦采用串聯(lián)流程。

按制冷機(jī)組與蓄冷裝置相對(duì)位置的不同，串聯(lián)流程可分為制冷機(jī)位于上游或下游的流程配置。制冷機(jī)組為空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)制取冷量，其能耗通常約占系統(tǒng)總能耗的50%以上，是節(jié)能的重點(diǎn)設(shè)備。制冷機(jī)組在白天用電高峰期作空調(diào)負(fù)荷運(yùn)行，應(yīng)盡量提高出液溫度，以減少用電量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。制冷機(jī)位于蓄冷裝置上游的串聯(lián)配置正好達(dá)到這一效果。

2.2 冰蓄冷系統(tǒng)流程中與用戶的連接方式

冰蓄冷系統(tǒng)與用戶連接的方式有直接連接和間接連接。

采用直接連接方式時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)充滿了乙二醇溶液，使得溶液的傳熱性能及阻力損失均比冷凍水差；而且乙二醇溶液量大，系統(tǒng)泄漏引起的危害也比水嚴(yán)重，因此要求有較高的維護(hù)管理水平。其優(yōu)點(diǎn)是不需要增加熱交換器及循環(huán)水泵等設(shè)備，系統(tǒng)較簡單，總投資較省。直接連接方式一般用于小型的蓄冷供冷系統(tǒng)。

間接連接方式是借助熱交換器來分開溶液循環(huán)系統(tǒng)和冷水循環(huán)系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是：乙二醇溶液用量僅限于蓄冷供冷站內(nèi)的水力系統(tǒng)部分，溶液用量比直接連接方式要少得多；用戶系統(tǒng)不存在乙二醇溶液泄漏的隱患，尤其能隔斷水系統(tǒng)的靜壓以保護(hù)制冷機(jī)組及蓄冷裝置。間接連接方式的缺點(diǎn)是：需要增加熱交換器及循環(huán)水泵等設(shè)備，投資增加；經(jīng)過熱交換器的傳熱和受熱介質(zhì)存在溫差，最終反映在系統(tǒng)能耗的增加。

由于直接連接方式對(duì)管路系統(tǒng)、密閉性等的要求高，本文選擇采用間接連接方式。

2.3 車站蓄冷空調(diào)方案的選擇

2.3.1 車站負(fù)荷

根據(jù)典型車站的冷負(fù)荷計(jì)算，負(fù)荷曲線見圖1。地鐵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長，僅有6 h（23：00—5：00）的非運(yùn)營時(shí)間可以執(zhí)行充冷工況，且夜間為大系統(tǒng)充冷的同時(shí)還要為設(shè)備及管理用房區(qū)晝夜服務(wù)的房間供冷，故車站的空調(diào)系統(tǒng)必須同時(shí)滿足充冷及供冷的要求。這種工況是不利的：夜間為大系統(tǒng)充冷時(shí)，制冷機(jī)在制冰工況運(yùn)行，其能效比和效率比較低；此時(shí)再為小系統(tǒng)供冷，其經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)夜間供冷量相對(duì)充冷量較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置單獨(dú)供冷工況的制冷機(jī)（又稱基載制冷機(jī)）。

圖1 車站日負(fù)荷變化示意圖

2.3.2 典型車站冰蓄冷系統(tǒng)配置

典型車站的計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，小系統(tǒng)的負(fù)荷約占整個(gè)車站冷負(fù)荷的18.2%。小系統(tǒng)負(fù)荷主要由發(fā)熱量大的電氣用房組成，其在一天內(nèi)的變化幅度通常不大，因此設(shè)置基載制冷機(jī)比較合適。設(shè)置基載制冷機(jī)的串聯(lián)流程見圖2。

圖2 設(shè)置基載制冷機(jī)的串聯(lián)流程

不設(shè)置基載制冷機(jī)的串聯(lián)流程（含充冷供冷工況）在夜間充冷供冷時(shí)，需通過三通閥釋放一部分0℃以下的低溫乙二醇溶液進(jìn)入小系統(tǒng)的板式換熱器，通過設(shè)置的小系統(tǒng)泵給車站小系統(tǒng)供冷。低溫的乙二醇溶液與水交換時(shí)，若控制不良則容易造成水側(cè)結(jié)冰，損壞小系統(tǒng)板式換熱器，故需要設(shè)置溫度傳感器及電動(dòng)控制閥門來監(jiān)視、控制，以避免危害事件發(fā)生。應(yīng)根據(jù)每個(gè)車站的形式、小系統(tǒng)負(fù)荷及日變化率，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，因地制宜地配置合適的系統(tǒng)。本文按設(shè)置基載制冷機(jī)的方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。小系統(tǒng)的負(fù)荷絕對(duì)值不大，選擇制冷機(jī)的形式多為活塞式、渦旋式或小螺桿機(jī)。分析比較采用分量蓄冷、串聯(lián)主機(jī)優(yōu)先上游方案。

3 典型車站經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)該城市峰谷電價(jià)的差別，對(duì)負(fù)荷為1 255 k W（含大系統(tǒng)和小系統(tǒng)）的典型車站進(jìn)行水系統(tǒng)常規(guī)制冷與冰蓄冷供冷方案比較。

冰蓄冷系統(tǒng)典型日運(yùn)行情況見表2、圖3。由于地鐵運(yùn)行時(shí)間較長，蓄冷的時(shí)間只有6 h，根據(jù)電價(jià)及選用的2臺(tái)雙工況機(jī)組的實(shí)際情況，采用高峰時(shí)段只運(yùn)行一臺(tái)制冷機(jī)分量供冷加融冰運(yùn)行的模式，可得到最優(yōu)的性價(jià)比。冰蓄冷與常規(guī)制冷經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)指標(biāo)比較見表3。初投資冰蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)系統(tǒng)多84萬元，每年通過削峰填谷可節(jié)約15.8萬元，靜態(tài)回收期為5年。

表2 冰蓄冷系統(tǒng)典型日運(yùn)行情況表

圖3 冰蓄冷系統(tǒng)典型日運(yùn)行圖

表3 冰蓄冷與常規(guī)制冷經(jīng)濟(jì)比較

4 結(jié)論

通過對(duì)典型車站進(jìn)行常規(guī)供冷及冰蓄冷方式的比較，在峰谷電價(jià)為3.5倍的情況下，冰蓄冷與常規(guī)系統(tǒng)相比有5年的靜態(tài)回收期，采用是可行的，但優(yōu)勢不突出。冰蓄冷方式利用電價(jià)差達(dá)到總費(fèi)用最小，是典型的“省錢不省電”，在選用時(shí)應(yīng)充分論證。

［1］ 陳沛霖，岳孝方.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊(cè)［M］.2版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

Analysis of Ice Storage System Adopted at Metro Stations

He Ligong

A metro station is taken as an example to analyze the ice storage system from aspects of the water flow system，connection with users and allocation of devices.The cooling load data of a typical metro station is used to make a technical and economic comparison between ice storage system and the normal refrigeration system，and a conclusion is drawn.Because the peak time electric price is 3.5 times higher than the valley time price，the adoption of ice storage system is technically feasible.Though the electric bill could be the lowest by adopting the ice storage system，money is saved but not the electricity.

metro station；ice storage；technical and economic comparison

TU 831.6：U 231.4

10.16037/j.1007-869x.2015.01.024

2013-04-09）