磁浮變頻離心式冷水機(jī)組在地鐵應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性分析

李文博

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，300251，天津//工程師)

地鐵空調(diào)系統(tǒng)為工作人員和乘客提供了舒適的環(huán)境，為設(shè)備提供了合適的溫度來(lái)保證列車運(yùn)行穩(wěn)定，與此同時(shí)帶來(lái)的高額空調(diào)運(yùn)行費(fèi)成為目前人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。冷水機(jī)組是集中空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，其性能很大程度上決定了空調(diào)系統(tǒng)的能效，因此選擇高效的冷水機(jī)組是降低地鐵空調(diào)系統(tǒng)能耗的有效途徑。

地鐵空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間為部分負(fù)荷運(yùn)行，根據(jù)文獻(xiàn)[1]計(jì)算出的IPLV(綜合部分負(fù)荷效率)值體現(xiàn)了冷水機(jī)組在整個(gè)空調(diào)運(yùn)行期間的能效情況。該值越大，冷水機(jī)組在整個(gè)制冷季節(jié)的整體耗電量就越低，與之相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)更低，同時(shí)冷水機(jī)組也更節(jié)能。而磁浮變頻離心式冷水機(jī)組有著較高的IPLV值。

磁浮變頻離心式冷水機(jī)組具有以下特點(diǎn)：

(1) 磁浮變頻離心壓縮機(jī)不存在任何機(jī)械傳動(dòng)及機(jī)械摩擦，其運(yùn)行不需要潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，省去了定期更換潤(rùn)滑油的麻煩，同時(shí)節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。

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

(3) 壓縮機(jī)采用變頻技術(shù)，在機(jī)組處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變頻器會(huì)降低壓縮機(jī)軸承的轉(zhuǎn)速。這樣，既可以避免喘振的發(fā)生，又可以降低壓縮機(jī)軸功率，使得機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)耗電量更低。

(4) 冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和噪音相對(duì)較低。

1 經(jīng)濟(jì)性分析

本文重點(diǎn)從初投資、運(yùn)行電費(fèi)以及維護(hù)成本等方面分析選用磁浮變頻離心式冷水機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

1.1 冷水機(jī)組選型

當(dāng)冷水機(jī)組采用變流量控制、低負(fù)荷工作時(shí)，水泵以不同頻率運(yùn)行，在一定程度上可降低水泵的實(shí)際功耗，同時(shí)冷水機(jī)組亦會(huì)因此調(diào)低負(fù)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(chǔ)上進(jìn)行冷水機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

本文對(duì)某車站標(biāo)準(zhǔn)站和換乘站冷水機(jī)組選型方案進(jìn)行了對(duì)比分析。冷水機(jī)組選型方案如表1所示。由表1可知，換乘站負(fù)荷較大，但絕大部分時(shí)間在負(fù)荷率不超過(guò)75%的狀態(tài)下運(yùn)行，且設(shè)備管理用房負(fù)荷僅占總負(fù)荷的19%。同時(shí)考慮到換乘站全部采用磁浮變頻離心式冷水機(jī)組時(shí)初投資較高。因此對(duì)表1選用的兩種方案進(jìn)行了對(duì)比分析。

表1 某車站冷水機(jī)組選型方案表

1.2 冷水機(jī)組初投資

1.2.1 土建初投資

水系統(tǒng)主要包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、分水器、集水器、水處理器及定壓補(bǔ)水裝置等設(shè)備,這些設(shè)備均布置于車站一端的冷凍機(jī)房?jī)?nèi)。水系統(tǒng)為車站公共區(qū)及設(shè)備管理用房提供空調(diào)冷源。在水系統(tǒng)中，當(dāng)選擇不同類型的冷水機(jī)組時(shí)，諸如冷凍水泵、冷卻水泵等設(shè)備對(duì)土建初投資不構(gòu)成影響，因此對(duì)土建初投資的影響主要體現(xiàn)在冷水機(jī)組的尺寸上。參照廠商提供的相關(guān)參數(shù)，同型號(hào)的磁浮變頻離心式冷水機(jī)組、水冷螺桿式冷水機(jī)組和水冷離心式冷水機(jī)組在地下空間的占地面積相差很小，對(duì)于土建初投資的影響可忽略不計(jì)。

1.2.2 設(shè)備初投資

水系統(tǒng)中，冷水機(jī)組的使用壽命按20 a考慮。其余水系統(tǒng)設(shè)備和管道主材等設(shè)備參數(shù),以及管材數(shù)量可認(rèn)為相同,不影響初投資,因此水系統(tǒng)投資差價(jià)即為冷水機(jī)組的投資差價(jià)。參照廠商提供的相關(guān)參數(shù)，得到某車站的冷水機(jī)組初投資方案比較如表2～3所示。由表2～3可知，針對(duì)某車站標(biāo)準(zhǔn)站和換乘站，采用磁浮變頻離心式冷水機(jī)組的方案設(shè)備初投資均略高。

表2 某標(biāo)準(zhǔn)站冷水機(jī)組初投資方案比較

1.3 運(yùn)行電費(fèi)對(duì)比

1.3.1 地鐵空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷分布

地鐵環(huán)境空調(diào)負(fù)荷主要由公共區(qū)人員散熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷、公共區(qū)照明負(fù)荷、公共區(qū)設(shè)備散熱負(fù)荷以及設(shè)備房間的設(shè)備散熱負(fù)荷等組成，其受室外環(huán)境影響較小。其中，公共區(qū)人員散熱負(fù)荷、公共區(qū)照明負(fù)荷受不同時(shí)間車站的客流量影響較大，因此需根據(jù)每天車站客流量大小預(yù)估空調(diào)冷水機(jī)組的綜合部分負(fù)荷效率(可參考表4來(lái)預(yù)估)。

表3 某換乘站冷水機(jī)組初投資方案比較

表4 地鐵空調(diào)冷水機(jī)組的綜合部分負(fù)荷效率

1.3.2 運(yùn)行電費(fèi)比較

地鐵空調(diào)季按每年6—9月運(yùn)行，每天運(yùn)行時(shí)間按6:00—22:00統(tǒng)計(jì)，電價(jià)按1元/kWh計(jì)算。每季空調(diào)運(yùn)行電費(fèi)=(冷水機(jī)組制冷量/IPLV)×每天運(yùn)行小時(shí)數(shù)×制冷天數(shù)×電價(jià)。車站全年運(yùn)行電費(fèi)見(jiàn)表5。

表5 某車站全年運(yùn)行電費(fèi)表 萬(wàn)元

1.4 維護(hù)成本分析

磁浮技術(shù)使壓縮機(jī)不存在任何機(jī)械傳動(dòng)及機(jī)械摩擦，這樣壓縮機(jī)運(yùn)行就不需要潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，節(jié)省了該項(xiàng)維護(hù)費(fèi)用。冷凍油、油過(guò)濾器等費(fèi)用按每2年1.5萬(wàn)元計(jì)(本文對(duì)其他人工維護(hù)費(fèi)用、非油路部件更換等費(fèi)用不做比較)。

1.5 回收期分析

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)站和換乘站的不同類型的冷水機(jī)組進(jìn)行逐年投入費(fèi)用計(jì)算，如圖1～2所示。由圖1～2可知，標(biāo)準(zhǔn)站磁浮變頻離心式冷水機(jī)組回收期為8 a，而換乘站磁浮變頻離心式冷水機(jī)組回收期為6 a。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)站冷水機(jī)組逐年投入費(fèi)用對(duì)比圖

圖2 換乘站冷水機(jī)組逐年投入費(fèi)用對(duì)比圖

1.6 標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量及年排放量比較

根據(jù)發(fā)改委相關(guān)數(shù)據(jù)可知，每產(chǎn)生1 kWh的電，需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤360 g，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2 620 kg CO2和8.5 kg SO2[3]。將耗電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，并進(jìn)行對(duì)比分析可知，相對(duì)于其他兩種類型的冷水機(jī)組，磁浮變頻離心式冷水機(jī)組每年的節(jié)能量和減排量分別為15.6%和11.5%。

通過(guò)對(duì)磁浮變頻離心式冷水機(jī)組在初投資、運(yùn)行電費(fèi)、維護(hù)成本、回收期以及年排放量等方面進(jìn)行比較得知，磁浮變頻離心式冷水機(jī)組有明顯的節(jié)能效果。目前，由我國(guó)自主研發(fā)的磁浮壓縮機(jī)屬較新技術(shù)，其冷水機(jī)組價(jià)格相對(duì)較貴，但隨著該技術(shù)的發(fā)展，冷水機(jī)組的價(jià)格亦會(huì)隨之降低，這樣可以縮短投資回收期。

2 結(jié)論

(1) 磁浮變頻離心式冷水機(jī)組具有高效、節(jié)能、減排的特點(diǎn)，尤其是在既有項(xiàng)目改造工程中，該機(jī)組可以充分發(fā)揮噪聲低、尺寸小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。規(guī)模較大的車站可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷特點(diǎn)，合理選用普通離心式冷水機(jī)組和磁浮變頻離心式冷水機(jī)組的組合臺(tái)數(shù)，以便在運(yùn)行上最大程度地發(fā)揮磁浮離心式冷水機(jī)組的節(jié)能特性。

(2) 地鐵空調(diào)系統(tǒng)較復(fù)雜，須根據(jù)末端各負(fù)荷的供需情況來(lái)對(duì)磁浮變頻離心式冷水機(jī)組進(jìn)行選型，且由集中控制系統(tǒng)根據(jù)冷水機(jī)組、冷凍(卻)水泵以及冷卻塔等設(shè)備的工作曲線判斷最節(jié)能的運(yùn)行模式，這樣才能讓冷水機(jī)組發(fā)揮高效的工作效率。