地鐵車站環控設備能效隨運行年限演化特性研究*

上海理工大學 王麗慧 張 杉 高仁義上海世茂股份有限公司 劉 暢上海市建筑科學研究院(集團)有限公司 張 嫄上海地鐵第一運營有限公司 龔 偉上海申通地鐵集團有限公司 宋 潔 鄭 懿 鄒學成

0 引言

地鐵車站空調季環控設備的能耗約占車站總能耗一半以上，因此環控設備不同運行年限的能效對車站節能運行和可持續發展意義重大。

目前部分學者開展了一些對地鐵車站環控系統冷水機組、冷卻塔和水泵等單體設備性能影響因素的相關研究。Ghassem等人研究了冷水機組冷凝器中水霧系統的噴霧方向對冷水機組性能系數COP的影響，噴嘴軸線與進入氣流方向夾角為90°時的COP比無夾角時的COP增大10.6%[1]。Rahmati等人通過對機械通風濕式冷卻塔冷卻水溫度、空氣流量、水流量的實測發現，較低的水流量和較高的熱水溫度、填料級數、空氣流量可獲得較大的冷卻效率系數(濕式冷卻塔的冷卻極限值)[2]。黃偉堅通過2個水泵改造項目發現，減小冷卻水泵管徑，可使不同水泵的效率提高8.4%～11.8%[3]。陳治調研了上海地鐵2號線世紀公園站空調系統的運行現狀，發現地鐵車站夏季空調系統的冷水機組在運行平穩后基本處在70%～86%的負荷狀態，車站環控系統能效比長期處在3.0～3.4之間[4]。王穎提出了大溫差(冷水進/出口溫度10 ℃/17 ℃)和高出水溫度的設計方案，選用串聯逆流雙機頭子母配方式的高效冷水機組，同時配備高效變頻水泵和冷卻塔，制冷機房全年平均能效比超過5.5[5]。以上研究為本研究提供了重要參考，但是未見針對地鐵環控各設備和系統能效隨運行年限演化特性的研究報道。

本文聚焦地鐵單體設備性能隨運行年限的演化特性，在上海地鐵車站中按照初期、中期、遠期3個不同運行年限采用分層抽樣方法選取了有代表性的18個地鐵車站，實測其冷水機組、冷卻塔、水泵等車站環控單體設備及水系統的能效特性，并采用格魯布斯法保證了實測數據的有效性與科學性，進而分析得到不同運行年限下單體設備和冷源系統的能效演化特性。研究成果可為上海及其他大中城市不同運行年限下地鐵車站環控新產品的準入、設備及系統能耗問題快速診斷、地鐵環控運行維護及設備大修更換提供參考與評估技術標準。

1 研究方法

1.1 實測車站樣本的選取

本文將上海119個島式地鐵車站依據設備運行年限分為初期(運行1～4 a)、中期(運行5～8 a)和遠期(運行9～12 a)3類，并根據分層抽樣樣本量90%的置信度且相對允許誤差不超過15%，選取30個車站進行實地考察。根據車站規模相似、客流量相似等條件，最終確定將上海地鐵4、8、10、12、13號線中的18個車站的環控設備和系統作為測試對象，其中初期、中期和遠期車站數目分別為7、4、7個。對實測數據采用格魯布斯檢驗法[6]進行壞值剔除。保證分層抽樣樣本實測數據的可靠性，從而確保這18個車站地鐵環控設備與系統的相關測試結果準確且能夠代表上海地鐵車站環控系統的普遍規律。

1.2 車站環控典型設備及系統的能效評價指標

選取冷水機組、冷卻塔和水泵等單體設備及水系統為研究對象，分別確定其能效評價指標。

1.2.1冷水機組能效評價指標及其計算方法

分別選用冷量衰減度α、COP[7]和COP衰減度β作為冷水機組能效評價指標，其定義式分別為

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中Q1為選型計算冷量，kW；Q2為冷水機組實測換算后冷量，kW；Q為冷水機組的制冷量，kW；N為冷水機組的能耗，kW；COP1為出廠品牌選型計算COP；COP2為冷水機組實測換算后COP。

根據相關研究[8]，將所有冷水機組的實測參數換算為各運行年限車站冷水機組在同一冷水和冷卻水出水溫度及近似范圍內水流量下的銘牌數值，以保證所有冷水機組換算后的COP在同一條件下進行比較。

1.2.2冷卻塔能效評價指標及其計算方法

選用冷卻塔熱力性能η[9]、熱力性能衰減度αL和風機單位風量耗電比a1作為冷卻塔能效評價指標，其定義式分別為

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中 Δta為標準設計工況(進水溫度37 ℃)下的水溫降，℃；η1為冷卻塔出廠熱力性能；Δt為測定的水溫降，℃；t1為測定的進水溫度，℃；τ為測定的空氣濕球溫度，℃；ta為設計進水溫度，37 ℃；N1為電動機實測耗電功率，kW；QL為冷卻塔循環水流量，m3/h。

1.2.3水泵能效評價指標及其計算方法

選用水泵效率ηs[10]作為冷水泵和冷卻水泵能效的評價指標，其定義式為

(8)

式中V為水泵平均水流量，m3/h；ρ為水的平均密度，kg/m3，可根據水溫由物性參數表查取；g為自由落體加速度，9.8 m/s2；ΔH為水泵進出口平均壓頭，m；P為水泵平均輸入功率，kW。

1.2.4環控系統能效評價指標及其計算方法

選用冷源系統能效比EER[11]作為冷源系統能效評價指標，其定義式為

(9)

式中Q0為冷源系統供冷量，kW；Ni為冷源系統各設備(包括冷水機組、冷卻塔和水泵)輸入功率，kW。

1.3 實測方案

地鐵車站環控系統水系統各單體設備實測參數如表1所示。冷水和冷卻水溫度由螺桿式冷水機組的面板或智能柜讀取，同時與水管上的水銀溫度計顯示讀數相互驗證；冷水和冷卻水的流量用超聲波流量計現場實測獲得，測試位置選在水管距彎頭閥門等附件約10倍以上管徑的直管段，且保證測試管段表面暴露光滑，現場流量實測結果與管道自帶流量計顯示流量相互校驗。

表1 各單體設備實測參數

冷卻塔和水泵的相關測試依據相關測試標準進行[10]，所有設備的功率可在地鐵車站環控電控室的電控柜上讀取，同時用鉗形功率表在環控電控柜后方相關線路上測試獲得，兩者相互驗證。

水系統各設備實測工況均選取夏季室外溫度超過32 ℃的工況進行，且實測前設定冷水機組出水溫度為7 ℃。選擇冷水機組、冷卻塔和水泵穩定運行工況的時間段進行實測，工況需集中監測60 min，每隔5～10 min讀取1次數據，并保證設備相關數據同時讀取。表2給出了現場測試儀器精度等信息。

表2 冷水機組參數測試儀器儀表精度

2 結果與討論

2.1 單體設備能效年度演化特性

2.1.1冷水機組能效演變特征分析

18個車站均配備有2臺螺桿式冷水機組，單臺機組額定冷量在504～691 kW之間，平均額定冷量為631 kW。圖1～3分別給出了不同運行年限車站冷水機組冷量衰減度、COP和COP衰減度的測試結果。

圖1 冷水機組冷量衰減度隨不同運行年限演化趨勢

冷水機組負荷率平均值在初期、中期和遠期分別為68.80%、76.69%和77.75%，呈現隨運行年限不斷上升的趨勢。由圖1可知，平均冷量衰減度在運行年限初期(1～4 a)、中期(5～8 a)和遠期(9～12 a)分別為10.94%、5.36%和14.17%，呈現中期較小、遠期和初期較大的趨勢，且遠期冷水機組冷量衰減率最大。由圖2可知，冷水機組COP在初期、中期和遠期分別為3.78、4.64和3.92，呈現中期較高、初期和遠期較低的趨勢，且初期冷水機組COP最小。由圖3可知，冷水機組平均COP衰減度在初期、中期和遠期分別為18.46%、12.02%和23.00%，呈現遠期最大、初期和中期偏小的趨勢，且中期冷水機組COP衰減度最小。

圖2 冷水機組COP隨不同運行年限演化趨勢

圖3 冷水機組COP衰減度隨不同運行年限演化趨勢

冷水機組在運行初期負荷率偏低，是造成上述初期冷水機組的冷量衰減率較大、COP偏低、且COP衰減度較大的根本原因。目前地鐵車站冷水機組容量多依據遠期最不利工況(即車站冷負荷最大時期)選定，故設備容量較大，初期負荷率相對較低，導致冷水機組在“大馬拉小車”的工況下運行，機組能效較差。

而在運行中期，車站因圍護結構巖土體溫度升高和乘客數量增加等原因使車站空調季負荷率提升，且運行年限適中，機組運行狀態較好。因此，運行中期車站冷水機組能效狀況較好，具體表現為機組冷量衰減度較低、COP較高且COP衰減度較小。

雖然遠期地鐵車站的空調負荷率仍然較高，但是隨運行年限繼續增長，冷水機組內部壓縮機等機械部件磨損漸多、冷凝器和蒸發器等換熱設備換熱效率逐漸下降，導致機組可提供冷量相對于出廠時的額定冷量下降較多。因此，遠期冷水機組能效不斷下降，具體表現為機組冷量衰減率較高、COP偏低和COP衰減度較大。

2.1.2冷卻塔熱力性能演化趨勢分析

18個車站均配備有1～2臺閉式冷卻塔，所有冷卻塔的額定熱力性能均為130.273%。圖4～6分別給出了不同運行年限地鐵車站冷卻塔熱力性能、熱力性能衰減度和風機單位風量耗電比的測試結果。

圖4 冷卻塔熱力性能隨不同運行年限演化趨勢

由圖4可知，冷卻塔平均熱力性能在初期、中期和遠期分別為81.46%、117.73%和72.70%，呈現中期較大、初期和遠期較小的趨勢，且遠期冷卻塔熱力性能最小。由圖5可知，冷卻塔平均熱力性能衰減度在初期、中期和遠期分別為37.47%、9.63%和44.19%，呈現中期較小、初期和遠期較大的趨勢，且遠期冷卻塔熱力性能衰減度最大。由圖6可知，冷卻塔平均風機單位風量耗電比在初期、中期和遠期分別為0.037 0、0.043 4、0.061 2 kW/(m3/h)，初期和中期相差不大，但遠期風機單位風量耗電比相對初期增大65.4%，相差明顯。

圖5 冷卻塔熱力性能衰減度隨不同運行年限演化趨勢

圖6 冷卻塔風機單位風量耗電比隨不同運行年限演化趨勢

造成上述初期冷卻塔的熱力性能偏低、熱力性能衰減度偏高的根本原因在于初期冷水機組負荷率較低，冷量需求低導致了機組冷凝器側冷卻水供回水溫差較小，造成冷卻塔出力不足。而在運行中期，冷水機組在較高能效比下運行，機組因負荷率高對冷卻塔冷卻水溫降需求大，且此時冷卻塔自身填料熱濕交換效果好，冷卻塔出力高、冷卻性能好，冷卻塔熱力性能較高、熱力衰減度較小。在運行遠期，由于冷卻塔本身填料老化、噴淋不均等累積問題較多，運行環境較惡劣，冷卻塔冷卻性能受到影響，不能很好地滿足熱濕交換的需求，具體表現為熱力性能較低、熱力性能衰減度較大。

由于不同時期冷卻塔風機都會進行定期保養，如調整相關皮帶松緊度等，因此在運行初期和中期風機單位風量耗電比相差不大，但在運行遠期風機單位風量耗電比增加較多。

2.1.3水泵性能年演化趨勢分析

18個車站冷水泵的額定功率在15～37 kW之間，平均值為21 kW；冷卻水泵的額定功率在15～30 kW之間，平均值為21 kW。圖7、8分別給出了不同時期地鐵車站冷水泵和冷卻水泵效率的測試結果。

圖7 不同時期冷水泵效率實測結果

由圖7可知，冷水泵平均效率在初期、中期和遠期分別為1.12、0.91和0.82。由圖8可知，冷卻水泵平均效率在初期、中期和遠期分別為0.96、1.21和0.79。綜合來看，冷卻水泵效率和冷水泵效率均在0.85[9]的標準參考限定值上下波動，與運行年限不存在明顯的線性變化關系。這主要是因為水泵為非換熱設備，其能效狀況多，且與泵體的定期清理、電動機的定期保養等有關。

圖8 不同時期冷卻水泵效率實測結果

2.2 冷源系統能效年度演化特性分析

采用冷源系統能效比EER來評估不同運行年限冷源系統(包括冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵和冷水泵)的能效，如圖9所示。

圖9 冷源系統能效比隨不同運行年限演化趨勢

由圖9可知，冷源系統平均EER在初期、中期和遠期分別為3.07、4.06和3.08，呈現中期較高、初期和遠期較低的趨勢。從實測角度分析，冷水機組出力就是整個冷源系統的出力，而整個冷源系統能耗以冷水機組為主，因此出現了與冷水機組一致的變化規律。造成運行初期冷源系統EER較低的主要原因是初期車站負荷率低，冷卻塔和冷水機組均處在“大馬拉小車”的低能效狀態下運行。而在運行中期，車站負荷率較高，冷水機組和冷卻塔在較高能效狀態下運行，因此冷源系統能效比EER也較高。在運行遠期，冷水機組和冷卻塔等換熱設備熱濕交換效率均有所下降，從而引起冷源系統整體能效比下降。

3 結論

1) 實測車站冷水機組平均冷量衰減度在運行初期、中期和遠期分別為10.94%、5.36%和14.17%，呈現中期較小、遠期和初期較大的趨勢；冷水機組COP在運行初期、中期和遠期分別為3.78、4.64和3.92，呈現中期較高、初期和遠期較低的趨勢；冷水機組平均COP衰減度在運行初期、中期和遠期分別為18.46%、12.02%和23.00%，呈現遠期最大、初期和中期偏小的趨勢。

2) 實測車站冷卻塔平均熱力性能在運行初期、中期和遠期分別為81.46%、117.73%和72.70%，呈現中期較大、初期和遠期較小的趨勢；冷卻塔平均熱力性能衰減度在運行初期、中期和遠期分別為37.47%、9.63%和44.19%，呈現中期較小、初期和遠期較大的趨勢；而冷卻塔風機單位風量耗電比在運行初期和中期差別不大，但在運行遠期相對初期增大65.4%，差異明顯。

3) 實測車站中冷卻水泵效率和冷水泵效率均在0.85的標準參考限定值上下波動，與運行年限不存在明顯線性變化關系。

4) 實測車站中冷源系統平均EER在運行初期、中期和遠期分別為3.07、4.06和3.08，呈現中期較高、初期和遠期較低的趨勢。

上述對不同運行年限的冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷水泵和冷源系統能效演化參數的研究成果，可為不同運行年限設備和系統的運行提供技術參考。在地鐵環控系統的運行初期，可作為設備準入的技術參考標準；同時為中期運行設備的故障診斷提供冷源設備與系統能效的參考依據；而對于遠期運行的設備，則可將上述設備和設備系統的能效參數作為設備大修或更換的參照。