地鐵車站直膨式空調冷卻水系統變流量控制的節能分析*

李 峰 鄭林濤

(1. 廣州大學建筑節能研究院， 510006， 廣州；2. 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 510640， 廣州//第一作者，高級工程師)

對地鐵車站公共區空調大系統而言，直膨式空調系統是一種經濟、節能、管理方便的空調系統，其核心是采用冷媒直接膨脹蒸發冷卻處理室內空氣，壓縮機組冷凝器采用的是水冷卻方式。圖1為其工作原理圖。目前，直膨式空調系統在國內地鐵車站已有成功應用案列。

空調冷卻水系統變流量控制的節能效果并不像普通水泵變流量節能效果一樣顯而易見，冷卻水變流量會導致壓縮機組的能耗由于水量減少、冷凝溫度上升而增加，且冷卻塔的開式運行也減低了節能效果，因此對于空調冷卻水系統變流量控制的節能效果存在不同意見「1-2」。通過工程實踐和更全面的研究分析后發現，冷卻水變流量控制節能是完全可行的，有足夠的節能潛力「3-6」。

1 冷卻水變流量系統節能研究

如圖1所示，直膨式空調冷卻水系統的能耗包括制冷壓縮機組、冷卻水泵和冷卻塔風機的能耗。

地鐵車站公共區空調系統設計是根據遠期客流量，規劃最大冷負荷，選擇制冷壓縮機組。在地鐵車站空調設備運行的初期，空調設備容量有很大冗余，制冷壓縮機組能耗主要受蒸發溫度、冷凝溫度(冷卻水溫、冷卻水量)和實時冷負荷3個因素的影響，直膨式空調冷卻水的變流量運行有很大的節能潛力。制冷壓縮機組冷凝溫度直接與室外濕球溫度及冷卻水控制策略有關，因此需要建立壓縮機、水泵、冷卻塔能耗功率數學模型，分別計算全年不同負荷率、不同濕球溫度下、不同控制策略下的全年能耗。

圖1 直膨式空調系統工作原理圖

1.1 冷卻水系統變流量控制策略

集中空調冷水機組冷卻水系統變流量控制方式，通常采用定冷卻水進出口水溫差和定冷凝器出水溫度2種控制策略。部分負荷情況下，采用定冷卻水進出口水溫差變流量控制方式，是在保證制冷壓縮機組冷凝器換熱效率的前提下，減少冷卻水泵的能耗，節能收益主要來自壓縮機組；控制冷凝器出水溫不變是將收益交給水泵，壓縮機組收益少。

1.2 冷卻水系統變流量存在的問題

冷卻水系統通過變頻水泵改變水系統的流量，其水系統管網的H-L性能曲線與冷凍水系統的管網曲線有很大差異，水泵改變工況后，其工作點并不是相似工況點，見圖2。

注:1,2代表管道性能曲線;3,4代表水泵性能曲線;H代表壓力;L代表流量

圖2 冷卻水泵變頻調節H-L性能曲線圖

由圖2可知,曲線2上的A點和B點為相似工況點，由于冷卻塔的靜水頭H0存在，水泵變頻前后的運行工況,即C點和B點的功率不能簡單地按三次方的變化規律計算。

1.3 兩種控制方法下冷卻水系統全年能耗模擬

從水泵特性、制冷壓縮機組能耗影響因素考慮，存在相應的約束條件：

約束條件1：冷卻水量。通常壓縮機組要求通過冷凝器的冷卻水流速為1.1～3.5 m/s，并要求最小冷卻水流量。

約束條件2：考慮到壓縮機的壓差及供油安全，冷凝溫度不應過低。地鐵車站公共區的設計溫度較高，因此壓縮機組的蒸發溫度基本為9～10 ℃。冷凝溫度不得低于25 ℃，冷凝溫度越高，壓縮機組的COP(制熱能效比)越低，因此冷凝溫度也不宜過高，冷凝溫度一般較冷凝器出口溫度高5 ℃。在冷凝器出口溫度控制策略中，宜將出口溫度控制在25～35 ℃。

約束條件3：廣州地鐵車站公共區的全年供冷天數一般為267 d，全新風運行時間為每年的1月1日—2月28日、11月27日—12月31日。

2 冷卻水系統制冷壓縮機能耗數學模型

采用某螺桿式壓縮機，壓縮機無級調節，其制冷能力即負荷只與制冷循環的冷凝溫度TC、蒸發溫度TE以及壓縮機的能力容調x有關，其x值可在0到1范圍內調節。當x=1時，壓縮機在此狀態下滿載運行，其制冷量為Q0100，同一熱力狀態任意能力容調下的制冷量Q0=x·Q0100。

能力容調x=1時，壓縮機的制冷能力Q0100以及壓縮機的電功耗PC100是冷凝溫度與蒸發溫度的函數：Q0100=f(TE,TC)，PC100=g(TE,TC)。利用廠家實測數據，可以對這2個函數進行多項式擬合，擬合多項式為：

(1)

式中：

C1,C2,…,C10——擬合數據系數。

任意能力容調下的壓縮機電功耗PC也可以通過類似Q0=x·Q0100的方法由PC100得到，擬合關系式為：

PC=(0.029 81+0.910 9x+0.477 9x2-0.669 06x3+0.346 59x4-0.096 15x5)PC100

(2)

地鐵公共區設計溫度一般為29～30 ℃，蒸發溫度的取值一般比送風溫度低6～8 ℃。地鐵公共區空調系統送風溫度一般為16～17 ℃，蒸發溫度相對固定，取蒸發溫度TE=9 ℃。根據PC100=g(TE,TC)可推論為PC100=g(TC)。因此擬合多項式為：

(3)

當制冷量為323 kW時,壓縮機擬合多項式為:

(4)

限于篇幅,冷卻水泵及冷卻塔能耗模型省略。

3 地鐵工程案列

以廣州某地鐵車站為例，該站為2層地下島式車站，地下2層面積大約為10 740 m2，站臺設置全封閉屏蔽門系統。

3.1 地鐵車站大系統冷負荷計算

通過DeST軟件建立地鐵車站計算模型，根據設計資料，分別設置人員、設備、照明發熱量及作息時間，從而計算全年逐時冷負荷，計算結果如圖3所示。地鐵車站公共區全年冷負荷對應的運行小時數見表1。

圖3 地鐵車站公共區全年逐時冷負荷

從表1可以看出，全年負荷率高于75%只占了很小的一部分，空調系統基本是在部分負荷工況下運行，對于應用直膨式空調系統的地鐵車站空調而言，冷卻水變流量控制是有顯著收益的節能措施。

3.2 地鐵車站公共區空調系統設備選型

根據計算的全年冷負荷進行設備選型，如表2所示。

表1 地鐵車站公共區全年冷負荷對應的運行小時數統計表

表2 空調大系統的設備選型

3.3 不同冷卻水變頻控制方案節能分析

對冷卻水系統采用2種變流量控制方案下的全年能耗進行模擬計算。

(1) 采用定冷卻水進出口溫差控制方案：冷卻水量下限為水泵工頻的50%、60%、70%，冷卻水進出口溫差分別為4 ℃、5 ℃、6 ℃，計算全年的冷卻水系統運行能耗大小。如圖4所示，節能率隨著出口溫差的增大和工頻流量的降低而增大。

注：1,2,3——工頻為70%，溫差為4℃、5℃、6℃；4,5,6——工頻為60%，溫差為4℃、5℃、6℃；7,8,9——工頻為50%，溫差為4℃、5℃、6℃

圖4 定冷卻水進出口溫差控制方法的節能率

(2) 采用定冷凝器出水溫度控制方案：冷卻水量下限為水泵工頻的50%、60%、70%，冷凝器出水溫度分別為29 ℃、31 ℃、33 ℃、35 ℃、37 ℃、39 ℃、41 ℃，計算全年的冷卻水系統運行能耗大小。如圖5所示，節能率隨著出水溫度的升高和工頻流量的降低而增大。當出水溫度達到37 ℃后，節能率趨于穩定。

圖6橫坐標表示冷負荷比(實際負荷/名義制冷量)，縱坐標表示能耗差(冷卻水泵下限流量為工頻50%，控制出水溫度為37 ℃的能耗與控制進出口水溫差為5 ℃能耗之差)。由圖6可見，兩種控制方案的全年能耗差值隨冷負荷比增加而增加。當冷負荷比在0.6～1.0之間時，控制出水溫度為37 ℃的系統耗能要比進出口水溫差為5 ℃的系統能耗高，也就是說，在部分負荷的情況下，冷卻水系統全年宜采用固定溫差的控制方式。

注：a,b,c,d,e,f,g——工頻為70%，出水溫度分別為29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃；h,i,j,k,l,m,n——工頻為60%，出水溫度分別為29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃；o,p,q,r,s,t,u——工頻為50%，出水溫度分別為29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃

圖5 定冷凝器出水溫度控制方法的節能率

a) 全圖

b) 局部放大圖

圖7橫坐標表示冷負荷比，縱坐標表示壓縮機的能耗功率差和水泵的能耗功率差(冷卻水泵下限流量為工頻50%，控制出水溫度為37 ℃的能耗與控制進出口水溫差為5 ℃的能耗之差)。從圖7可以看出，對于壓縮機，控制出水溫度為37 ℃的耗能比進出口水溫差為5 ℃的能耗小；但對于水泵，則相反。

a) 全圖

b) 局部放大圖

由圖4及圖6可知，當采用定冷卻水進出口溫差的控制方案時，全年能耗隨著冷卻水量下限值的降低而降低，隨著進出口水溫差的增大而降低；當采用定冷凝器出口溫度的控制方案時，全年能耗隨著定冷凝器出水溫度的增大而降低，但達到37 ℃后，節能率趨于平緩，節能效果并不明顯。當采用定冷卻水進出口溫差的控制方案時，應盡可能降低冷卻水量下限值，同時加大進出口水溫差；當采用定冷凝器出口溫度方案時，應將出口溫度定在37～41 ℃左右。

根據上述能耗模擬結果，當冷卻水量下限值固定時，采用定冷卻水進出口溫差與采用定冷凝器出口溫度為41 ℃時，全年的節能率基本是一樣的。

從圖5和圖7可以看出，隨著冷負荷比的增大，當冷卻水泵下限流量為工頻50%時，控制出水溫度為37 ℃的能耗功率比控制進出口水溫差為5 ℃的能耗功率略大，因此對比地鐵站冷負荷特性，推薦采用控制進出口水溫差位5 ℃的方案或者控制出水溫度為37 ℃的方案。

影響冷卻水系統變流量節能控制的因數有很多，本文選擇了空調系統的冷負荷比和室外濕球溫度這兩個對冷卻水系統變流量節能影響最大的因數。

圖8、圖9橫坐標分別表示冷負荷比、室外濕球溫度，縱坐標表示冷卻水系統全年逐時總能耗功率，即兩種控制方式下，冷卻水系統冷卻水泵下限流量為工頻50%，控制出水溫度為37 ℃的總能耗功率與控制進出口水溫差為5 ℃的總能耗功率。由圖8、圖9可見，冷卻水系統全年逐時總能耗隨冷負荷和室外濕球溫度的變化，全年云圖散點分布區域位置基本相同。

圖8 控制進出口水溫差為5 ℃方案的全年逐時總能耗功率

圖9 控制出水溫度為37 ℃方案的全年逐時總能耗功率

4 結論

通過對地鐵車站直膨式空調系統冷卻水變流量與變頻制冷系統優化控制研究，得出以下結論：

(1) 部分負荷情況下，定冷卻水進回水溫差變流量控制方案，是在保證壓縮機組冷凝器換熱效率的前提下，節約冷卻水泵的能耗，節能收益主要來自制冷機；控制制冷機、定出口水溫方案，是將收益交給水泵，制冷機收益少。

(2) 當流量下限為工頻50%時，隨冷負荷比的變化，兩種方案的全年能耗差值隨冷負荷比的增加而增加；當冷負荷比在0.6～1.0之間時，控制出口水溫度為37 ℃的系統耗能要比控制冷卻水進回水溫差為5 ℃的系統能耗高，也就是說，在部分負荷的情況下，冷卻水系統全年宜采用固定溫差的控制方式。

(3) 對廣州地鐵典型島式車站空調大系統而言，在50%下限流量的控制方式下，定冷卻水進出口溫差為6 ℃全年節能率最好，節能率11.6%；在冷卻水系統固定冷凝器出水溫度的控制方式下，在50%下限流量的控制方式下，當冷凝器出水溫度37 ℃時，冷卻水系統變流量的全年節能率最高，節能率為11.2%。