高靜壓模塊蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組在地鐵的應(yīng)用分析

王魯平，馬惠穎，孫云祥，徐 斌，何 楠，孟 鑫，段 玉，師 可

（1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 310003）

1 研究背景

目前，國內(nèi)地鐵地下車站大部分采用水冷式冷水機(jī)組+冷卻塔的冷源形式，需要在室外設(shè)置冷卻塔。由于地鐵車站一般設(shè)置在客流較多的商業(yè)或住宅區(qū)域，冷卻塔用地經(jīng)常制約車站的建設(shè)進(jìn)度，耗費(fèi)較大的建設(shè)資金；在后期運(yùn)營過程中，冷卻塔噪聲、漂水等問題往往容易引起居民的投訴。為解決設(shè)置冷卻塔造成的用地、噪聲及漂水等問題，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組在地鐵車站中獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

在已建成地鐵工程中，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組主要采用整體式[2]，其尺寸大于相同冷量的水冷式冷水機(jī)組，在占用較大機(jī)房面積的同時(shí)，增加了運(yùn)輸和檢修難度。為避免冷凍水管穿越車站公共區(qū)并減小水泵揚(yáng)程，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組一般在地鐵車站兩端各設(shè)置一臺。與常規(guī)水冷式冷水機(jī)組集中設(shè)置相比，此類設(shè)置方式難以通過臺數(shù)控制調(diào)整冷量，在現(xiàn)有地鐵冷源系統(tǒng)的控制方案中(水泵定頻或變頻、通過閥門調(diào)節(jié)末端水量)，普遍存在冷量過度輸出到空調(diào)末端的現(xiàn)象，使空調(diào)區(qū)域溫度低于設(shè)定溫度，降低環(huán)境舒適性的同時(shí)，也浪費(fèi)較多能源。此外，為保證蒸發(fā)冷凝式冷凝換熱器的換熱效果，目前整體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組一般外置排風(fēng)機(jī)[3]。由于排風(fēng)機(jī)選型及控制不合理，也導(dǎo)致使用中存在漂水、風(fēng)機(jī)能耗大等問題。

針對上述問題，擬將高靜壓模塊蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組引入到地鐵車站中，從機(jī)房面積、運(yùn)輸便捷性、節(jié)能等角度，分析此類機(jī)組在地鐵車站中的應(yīng)用前景。

2 模塊機(jī)組的組成及特點(diǎn)

高靜壓模塊蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組(簡稱“模塊機(jī)組”)由集中控制柜、子機(jī)組(多臺)、內(nèi)部水管及閥門、內(nèi)部控制線纜構(gòu)成，可以根據(jù)地鐵車站實(shí)際冷量需求，調(diào)整子機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)。集中控制柜通過控制線纜連接所有子機(jī)組(見圖1)，根據(jù)車站BAS系統(tǒng)指令或冷凍水回水溫度控制子機(jī)組的啟停和對應(yīng)冷凍水管路的啟閉(見圖2)。

圖1 模塊機(jī)組控制線纜示意Figure 1 Schematic of control cable of modular unit

圖2 模塊機(jī)組內(nèi)部水系統(tǒng)原理Figure 2 Schematic of internal water system of modular unit

各子機(jī)組均有一套完整的制冷系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、蒸發(fā)冷凝式冷凝器、高靜壓風(fēng)機(jī)等部件。壓縮機(jī)一般采用渦旋式壓縮機(jī)，單臺壓縮機(jī)額定制冷量一般約為80 kW，每個子機(jī)組含1～3臺渦旋壓縮機(jī)，子機(jī)組額定制冷量為80～240 kW。高靜壓風(fēng)機(jī)的機(jī)外余壓可根據(jù)設(shè)計(jì)要求配置(一般為300 Pa)，以滿足機(jī)組在所有地下車站的排風(fēng)要求。單臺子機(jī)組的尺寸一般不超過2 300 mm×2 000 mm×3 500 mm(長×寬×高)，運(yùn)行質(zhì)量一般不超4 000 kg。

集中控制柜可根據(jù)子機(jī)組的狀態(tài)(運(yùn)行時(shí)間、故障狀態(tài)等)確定對應(yīng)子機(jī)組的啟停，保證每臺子機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間基本一致。每臺子機(jī)組自帶水閥，單臺子機(jī)組的故障不影響其他子機(jī)組的使用，從而能提高機(jī)組的可靠性及整體壽命。

3 與整體機(jī)組的對比分析

地鐵車站在建筑形式、負(fù)荷特征等方面與其他類型建筑有明顯差異：一是地鐵車站為地下空間，通過設(shè)置在車站兩端的新風(fēng)道、排風(fēng)道與室外進(jìn)行通風(fēng)換氣，新風(fēng)道和排風(fēng)道間一般有10 m左右的寬度用于設(shè)置冷水機(jī)房[4]；二是地鐵車站負(fù)荷具有顯著時(shí)變特性，不同時(shí)期(初期、近期和遠(yuǎn)期)的負(fù)荷值差異較大且逐漸增加，同一天內(nèi)負(fù)荷隨客流、室外氣溫有較大波動[5-7]。結(jié)合地鐵車站上述特征，下面從不同時(shí)期子機(jī)組臺數(shù)選擇、標(biāo)準(zhǔn)站的機(jī)房布置、制冷系統(tǒng)整體控制方案、機(jī)組冷卻循環(huán)水水質(zhì)控制方案、機(jī)組效率及能耗等角度，分析模塊機(jī)組的適用性。

3.1 子機(jī)組的臺數(shù)選擇

由于初、近期客流及發(fā)車對數(shù)少，以及車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱的影響，初、近期的車站晚高峰負(fù)荷一般小于遠(yuǎn)期晚高峰負(fù)荷(設(shè)計(jì)負(fù)荷)的 60%。相比于整體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組(簡稱“整體機(jī)組”)，模塊機(jī)組單位制冷量對應(yīng)的設(shè)備費(fèi)用基本相同，額定工況下制冷量對應(yīng)設(shè)備費(fèi)約為1 200元/kW。因此，當(dāng)模塊機(jī)組采取分期實(shí)施方案時(shí)，按設(shè)計(jì)負(fù)荷的60%實(shí)施，可降低40%的初投資。實(shí)際工程中，如果模塊機(jī)組按遠(yuǎn)期配置，可通過調(diào)整子機(jī)組開啟臺數(shù)及時(shí)間，降低每臺子機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，從而延長機(jī)組的使用壽命，降低機(jī)組的年折舊費(fèi)用。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)站的機(jī)房布置

對于整體機(jī)組，蒸發(fā)器一般采用管殼式換熱器，檢修需要“拔管”空間；對于模塊機(jī)組，蒸發(fā)器一般采用板式換熱器，且模塊機(jī)組自帶高靜壓風(fēng)機(jī)，無需外置排風(fēng)機(jī)的安裝空間。以標(biāo)準(zhǔn)站為例(小端設(shè)計(jì)冷量400 kW，大端設(shè)計(jì)冷量800 kW)，模塊機(jī)組需求的蒸發(fā)冷凝機(jī)房面積分別為57 m2(小端)、92 m2(大端)，總面積為149 m2(見圖3)；整體機(jī)組需求的蒸發(fā)冷凝機(jī)房面積分別為75 m2(小端)、91 m2(大端)，總面積為166 m2(見圖4)。相比整體機(jī)組，采用模塊機(jī)組可節(jié)約 10%左右的機(jī)房面積，顯著降低土建成本。

圖3 模塊機(jī)組的機(jī)房尺寸及設(shè)備布置Figure 3 Machine room size and equipment layout of modular unit

圖4 整體機(jī)組的機(jī)房尺寸及設(shè)備布置Figure 4 Machine room size and equipment layout of integrated unit

3.3 制冷系統(tǒng)整體控制

對于蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組，其制冷系統(tǒng)整體控制方案主要由以下部分組成：蒸發(fā)冷凝式冷凝器排風(fēng)機(jī)及風(fēng)量控制、機(jī)組加減載控制、冷凍水流量控制、末端水閥開度控制。

3.3.1 排風(fēng)機(jī)及風(fēng)量控制

模塊機(jī)組自帶排風(fēng)機(jī)一般為雙速風(fēng)機(jī)，可根據(jù)制冷劑冷凝溫度由子機(jī)組控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；整體機(jī)組外置排風(fēng)機(jī)(一般為變頻)，通過制冷劑冷凝溫度控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。從理論上分析，兩類機(jī)組均可以根據(jù)冷凝溫度合理控制風(fēng)量，節(jié)約風(fēng)機(jī)電耗。在實(shí)際使用中，由于外置排風(fēng)機(jī)選型不合理，導(dǎo)致整體機(jī)組無法根據(jù)冷凝溫度計(jì)算確定合理的風(fēng)機(jī)頻率，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)長時(shí)間處于固定頻率運(yùn)行，難以有效地節(jié)約風(fēng)機(jī)能耗。模塊機(jī)組自帶高靜壓風(fēng)機(jī)，可由廠家直接設(shè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來切換對應(yīng)的冷凝溫度，在使用過程中可有效降低風(fēng)機(jī)能耗。

3.3.2 機(jī)組加減載控制

由于地鐵車站冷負(fù)荷存在近期與遠(yuǎn)期、高峰與非高峰的差異，冷水機(jī)組通過加載或減載等措施來匹配車站實(shí)際負(fù)荷需求極為重要。由于整體機(jī)組每端機(jī)房內(nèi)只設(shè)置一臺，主要通過冷凍水回水溫度控制機(jī)組的自動加載或減載。通過冷凍水回水溫度控制機(jī)組自動加載或減載存在以下問題：一是車站負(fù)荷變化較快，而冷凍水回水溫度變化較慢，導(dǎo)致機(jī)組冷量供應(yīng)與車站冷量需求間存在一定的滯后性，難以匹配車站的實(shí)際冷量需求；二是冷凍水回水溫度受末端空調(diào)箱風(fēng)量、末端水閥開度、冷凍水泵頻率等因素共同影響，導(dǎo)致控制策略復(fù)雜，實(shí)施難度很大。上述問題導(dǎo)致整體機(jī)組在實(shí)際使用中，其冷量輸出無法匹配車站實(shí)際負(fù)荷需求，一般為過度供冷，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

由于模塊機(jī)組含有多個子機(jī)組，所以可以根據(jù)車站實(shí)際負(fù)荷需求(由BAS或節(jié)能控制系統(tǒng)提供)進(jìn)行子機(jī)組臺數(shù)控制，并根據(jù)子機(jī)組臺數(shù)設(shè)定冷凍水泵的運(yùn)行頻率。控制方案及邏輯簡單，實(shí)施難度遠(yuǎn)小于整體機(jī)組，具體控制流程如下：節(jié)能控制系統(tǒng)或BAS預(yù)測下一時(shí)段的冷量需求→結(jié)合子機(jī)組制冷量及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間判斷下一時(shí)刻子機(jī)組(或壓縮機(jī))的開啟臺數(shù)→根據(jù)子機(jī)組(或壓縮機(jī))的運(yùn)行臺數(shù)確定冷凍水泵的運(yùn)行頻率→下一時(shí)刻開始時(shí)開啟對應(yīng)子機(jī)組及電動蝶閥并調(diào)整冷凍水泵的運(yùn)行頻率至設(shè)定頻率。其中，冷凍水泵的運(yùn)行頻率由現(xiàn)場調(diào)試確定，并在控制系統(tǒng)(BAS或節(jié)能控制系統(tǒng))中設(shè)定。以2臺子機(jī)組為例，具體工況詳見表1。

表1 模塊機(jī)組控制模式Table 1 Control modes of modular unit

3.3.3 冷凍水流量控制

整體機(jī)組一般通過冷凍水回水溫度控制冷凍水泵的頻率，從而控制冷凍水的流量(在機(jī)組允許的流量范圍內(nèi))，多采用反饋控制。為避免冷凍水在蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)冰而影響機(jī)組安全，整體機(jī)組允許的最小冷凍水量一般不低于50%。因此，整體機(jī)組的冷凍水流量控制存在滯后性(反饋控制導(dǎo)致)、冷凍水流量變化范圍小兩個問題。

模塊機(jī)組根據(jù)子機(jī)組(或壓縮機(jī))的運(yùn)行臺數(shù)設(shè)定冷凍水泵的運(yùn)行頻率，從而控制冷凍水的流量。當(dāng)子機(jī)組數(shù)量不少于4臺時(shí)，部分負(fù)荷下通過關(guān)閉不投入運(yùn)行子機(jī)組的供(回)水水路及水閥，可使模塊機(jī)組的最小冷凍水流量低于設(shè)計(jì)工況的25%，從而有效降低冷凍水泵的能耗。因此，從冷凍水流量控制的實(shí)施難度、水流量變化范圍兩個方面比較，模塊機(jī)組均優(yōu)于整體機(jī)組。

3.3.4 末端水閥控制策略

整體機(jī)組和模塊機(jī)組的末端水閥控制策略一致，均可通過設(shè)定送風(fēng)溫度控制水閥開度。

3.4 冷卻循環(huán)水水質(zhì)控制

整體機(jī)組和模塊機(jī)組的冷卻循環(huán)水水質(zhì)控制方案一致，均采用補(bǔ)水軟化處理、冷卻循環(huán)水旁流水處理的方案。通過旁流水處理裝置監(jiān)測冷卻循環(huán)水的水質(zhì)(電導(dǎo)率等參數(shù))，對冷卻循環(huán)水進(jìn)行自動排污，控制冷卻循環(huán)水的硬度在機(jī)組允許范圍內(nèi)。

3.5 機(jī)組效率及能耗分析

整體機(jī)組一般采用螺桿壓縮機(jī)，額定工況下的COP可達(dá)到 4.8以上(不含外置排風(fēng)機(jī))；模塊機(jī)組采用渦旋壓縮機(jī)，額定工況下的COP約為4.3(含高靜壓風(fēng)機(jī)能耗)或4.7(不含高靜壓風(fēng)機(jī)能耗)。因此，整體機(jī)組的COP略高于模塊機(jī)組的COP。

冷水機(jī)組在地鐵車站中的實(shí)際運(yùn)行能耗，主要由機(jī)組 COP、車站負(fù)荷率等多方面的因素決定[8-9]。根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)的某地鐵車站的空調(diào)季實(shí)測數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)期冷機(jī)負(fù)荷率大于0.6的時(shí)間僅占35%左右，負(fù)荷率小于0.4的時(shí)間約占36%。當(dāng)冷機(jī)負(fù)荷率大于0.6時(shí)，整體機(jī)組和模塊機(jī)組的理論系統(tǒng)能效接近；當(dāng)冷機(jī)負(fù)荷率小于0.6時(shí)，由于螺桿壓縮機(jī)工作特性，最小冷凍水量和最小冷凝排風(fēng)量的要求，整體機(jī)組的系統(tǒng)實(shí)測運(yùn)行能效小于 2.5[10]，模塊機(jī)組理論系統(tǒng)能效可達(dá)4.0。從機(jī)組整個壽命周期分析，模塊機(jī)組的節(jié)能潛力遠(yuǎn)大于整體機(jī)組的節(jié)能潛力。

3.6 兩類機(jī)組的綜合對比

結(jié)合上述分析，高靜壓模塊蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組與整體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組綜合對比如表2所示。

表2 模塊機(jī)組與整體機(jī)組綜合對比Table 2 Comprehensive comparison of modular units and integrated units

4 結(jié)語

根據(jù)上述分析，模塊機(jī)組在初投資或折舊費(fèi)用、機(jī)房面積、控制難度、節(jié)能潛力、運(yùn)輸及檢修等5個方面均優(yōu)于整體機(jī)組；整體機(jī)組的COP略高于模塊機(jī)組的COP；由于模塊機(jī)組的內(nèi)部管路較多，其管線施工難度要比整體機(jī)組大。綜合上述分析，高靜壓模塊蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組在地鐵車站中具有較好的應(yīng)用潛力。