磁浮變頻離心式冷水機組在地鐵應用中的經濟性分析

李文博

(中國鐵路設計集團有限公司，300251，天津//工程師)

地鐵空調系統為工作人員和乘客提供了舒適的環境，為設備提供了合適的溫度來保證列車運行穩定，與此同時帶來的高額空調運行費成為目前人們日益關注的問題。冷水機組是集中空調系統的主要耗能設備，其性能很大程度上決定了空調系統的能效，因此選擇高效的冷水機組是降低地鐵空調系統能耗的有效途徑。

地鐵空調系統大部分時間為部分負荷運行，根據文獻[1]計算出的IPLV(綜合部分負荷效率)值體現了冷水機組在整個空調運行期間的能效情況。該值越大，冷水機組在整個制冷季節的整體耗電量就越低，與之相應的運行費用也會更低，同時冷水機組也更節能。而磁浮變頻離心式冷水機組有著較高的IPLV值。

磁浮變頻離心式冷水機組具有以下特點：

(1) 磁浮變頻離心壓縮機不存在任何機械傳動及機械摩擦，其運行不需要潤滑油潤滑，省去了定期更換潤滑油的麻煩，同時節省了維護費用。

(2) 由于沒有機械摩擦，不存在機械摩擦對功率造成的損失，使得壓縮機可以發揮最大功率，即耗相同的電量可以得到更大的制冷量，相對其他冷水機組壓縮機,其能效比更高。

(3) 壓縮機采用變頻技術，在機組處于部分負荷運行時，變頻器會降低壓縮機軸承的轉速。這樣，既可以避免喘振的發生，又可以降低壓縮機軸功率，使得機組部分負荷運行時耗電量更低。

(4) 冷水機組運行時產生的震動和噪音相對較低。

1 經濟性分析

本文重點從初投資、運行電費以及維護成本等方面分析選用磁浮變頻離心式冷水機組的經濟性。

1.1 冷水機組選型

當冷水機組采用變流量控制、低負荷工作時，水泵以不同頻率運行，在一定程度上可降低水泵的實際功耗，同時冷水機組亦會因此調低負荷，從而降低耗電量。因此，本文在冷凍水一次泵變流量的基礎上進行冷水機組的經濟性對比。

本文對某車站標準站和換乘站冷水機組選型方案進行了對比分析。冷水機組選型方案如表1所示。由表1可知，換乘站負荷較大，但絕大部分時間在負荷率不超過75%的狀態下運行，且設備管理用房負荷僅占總負荷的19%。同時考慮到換乘站全部采用磁浮變頻離心式冷水機組時初投資較高。因此對表1選用的兩種方案進行了對比分析。

表1 某車站冷水機組選型方案表

1.2 冷水機組初投資

1.2.1 土建初投資

水系統主要包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、分水器、集水器、水處理器及定壓補水裝置等設備,這些設備均布置于車站一端的冷凍機房內。水系統為車站公共區及設備管理用房提供空調冷源。在水系統中，當選擇不同類型的冷水機組時，諸如冷凍水泵、冷卻水泵等設備對土建初投資不構成影響，因此對土建初投資的影響主要體現在冷水機組的尺寸上。參照廠商提供的相關參數，同型號的磁浮變頻離心式冷水機組、水冷螺桿式冷水機組和水冷離心式冷水機組在地下空間的占地面積相差很小，對于土建初投資的影響可忽略不計。

1.2.2 設備初投資

水系統中，冷水機組的使用壽命按20 a考慮。其余水系統設備和管道主材等設備參數,以及管材數量可認為相同,不影響初投資,因此水系統投資差價即為冷水機組的投資差價。參照廠商提供的相關參數，得到某車站的冷水機組初投資方案比較如表2～3所示。由表2～3可知，針對某車站標準站和換乘站，采用磁浮變頻離心式冷水機組的方案設備初投資均略高。

表2 某標準站冷水機組初投資方案比較

1.3 運行電費對比

1.3.1 地鐵空調系統負荷分布

地鐵環境空調負荷主要由公共區人員散熱負荷和新風負荷、公共區照明負荷、公共區設備散熱負荷以及設備房間的設備散熱負荷等組成，其受室外環境影響較小。其中，公共區人員散熱負荷、公共區照明負荷受不同時間車站的客流量影響較大，因此需根據每天車站客流量大小預估空調冷水機組的綜合部分負荷效率(可參考表4來預估)。

表3 某換乘站冷水機組初投資方案比較

表4 地鐵空調冷水機組的綜合部分負荷效率

1.3.2 運行電費比較

地鐵空調季按每年6—9月運行，每天運行時間按6:00—22:00統計，電價按1元/kWh計算。每季空調運行電費=(冷水機組制冷量/IPLV)×每天運行小時數×制冷天數×電價。車站全年運行電費見表5。

表5 某車站全年運行電費表 萬元

1.4 維護成本分析

磁浮技術使壓縮機不存在任何機械傳動及機械摩擦，這樣壓縮機運行就不需要潤滑油潤滑，節省了該項維護費用。冷凍油、油過濾器等費用按每2年1.5萬元計(本文對其他人工維護費用、非油路部件更換等費用不做比較)。

1.5 回收期分析

對標準站和換乘站的不同類型的冷水機組進行逐年投入費用計算，如圖1～2所示。由圖1～2可知，標準站磁浮變頻離心式冷水機組回收期為8 a，而換乘站磁浮變頻離心式冷水機組回收期為6 a。

圖1 標準站冷水機組逐年投入費用對比圖

圖2 換乘站冷水機組逐年投入費用對比圖

1.6 標準煤消耗量及年排放量比較

根據發改委相關數據可知，每產生1 kWh的電，需消耗標準煤360 g，每噸標準煤燃燒產生2 620 kg CO2和8.5 kg SO2[3]。將耗電量轉換為標準煤消耗量，并進行對比分析可知，相對于其他兩種類型的冷水機組，磁浮變頻離心式冷水機組每年的節能量和減排量分別為15.6%和11.5%。

通過對磁浮變頻離心式冷水機組在初投資、運行電費、維護成本、回收期以及年排放量等方面進行比較得知，磁浮變頻離心式冷水機組有明顯的節能效果。目前，由我國自主研發的磁浮壓縮機屬較新技術，其冷水機組價格相對較貴，但隨著該技術的發展，冷水機組的價格亦會隨之降低，這樣可以縮短投資回收期。

2 結論

(1) 磁浮變頻離心式冷水機組具有高效、節能、減排的特點，尤其是在既有項目改造工程中，該機組可以充分發揮噪聲低、尺寸小、運行費用低等優點。規模較大的車站可根據實際負荷特點，合理選用普通離心式冷水機組和磁浮變頻離心式冷水機組的組合臺數，以便在運行上最大程度地發揮磁浮離心式冷水機組的節能特性。

(2) 地鐵空調系統較復雜，須根據末端各負荷的供需情況來對磁浮變頻離心式冷水機組進行選型，且由集中控制系統根據冷水機組、冷凍(卻)水泵以及冷卻塔等設備的工作曲線判斷最節能的運行模式，這樣才能讓冷水機組發揮高效的工作效率。