上海典型地鐵車站環控系統能耗特點分析及運行診斷

上海建科節能技術有限公司 鄧光蔚 錢 程 張 丹

0 引言

在地鐵用能體系中，列車牽引、車站動力照明是最主要的2個用能分項。其中，車站動力照明能耗中，通風空調系統(環控系統)能耗所占比例最大。國內一些研究指出，北方地區列車牽引、環控系統能耗分別占地鐵總能耗的1/2和1/3，而南方地區環控系統能耗占地鐵總能耗的1/2左右[1-2]。例如，北方某城市軌道交通各項用能占比為：牽引供電45%，通風空調30%。胡杭杰等人對2016年杭州地鐵2、4號線的全年耗電數據分析得到：牽引用電量占總用電量的40%～50%，通風空調系統用電量占總用電量的25%～35%[3]。

從運行節能角度出發，由于列車牽引能耗主要取決于列車自重、行車速度等客觀因素，節能主要方式取決于列車編組方式和剎車能量回收等，節能潛力較小；環控系統中的能耗則是軌道交通系統主要的節能潛力所在。

本文選取上海市5座典型地鐵車站，通過調研及現場測試，對地鐵車站用能特點及運行現狀進行分析，為地鐵車站節能研究提供參考案例。

1 軌道交通地下車站基本信息

1.1 建筑基本信息

選取5座典型車站，為保證樣本案例的一致性，所選車站均為非換乘的地下車站，車站面積6 000～16 000 m2，均采用了屏蔽門系統，站臺形式包括島式和復合式。車站基本信息見表1。

表1 車站基本信息

1.2 空調設備信息

所調研的5座車站中，A、B、C站大小系統冷源共用，均配備2臺螺桿式冷水機組，單臺制冷量464～580 kW不等，對應配備2臺冷水泵、2臺冷卻水泵和2臺冷卻塔；D、E站大小系統冷源分開，配備3臺螺桿式冷水機組，兩大一小，大機組制冷量為755 kW或504 kW，小機組制冷量為534 kW或411 kW，配備3臺冷水泵、3臺冷卻水泵和2臺冷卻塔。樣本車站配備的空調箱參數相近，大系統空調箱風量為45 000 m3/h或40 000 m3/h，小系統空調箱風量為29 000 m3/h或18 000 m3/h。具體空調設備信息見表2～6。

表2 冷源設備參數

表3 冷水泵參數

表4 冷卻水泵參數

表5 冷卻塔參數

2 制冷站主要運行模式

調研車站的制冷站運行模式根據室外溫度情況進行調整。對于大系統(指承擔車站站臺、站廳、走道等大部分空間冷負荷的系統)，運行模式根據室外溫度分為3種模式；對于小系統(指專門承擔車控室、配電室、辦公室等空間冷負荷的系統)，運行模式根據室外溫度分為2種。具體開啟情況見表7。

表6 空調箱參數

表7 制冷站運行模式

3 現場調研測試方法

研究分析需對車站環控系統主要設備的關鍵參數(包括功率、流量、溫度等)進行實測，主要參數、測試方法及說明如表8所示。

表8 主要測試參數及測試方法

4 車站能耗拆分

樣本車站能耗數據見表9。車站全年總能耗為129萬～235萬kW·h，單位建筑面積年能耗為152.2～211.2 kW·h/m2。其中，環控系統全年能耗為57.4萬～115.2萬kW·h，單位建筑面積能耗為76.2～93.3 kW·h/m2，環控系統能耗占車站總能耗的41.7%～50.6%，平均為45.5%。

表9 車站能耗數據

基于車站已有分項電表監測數據、現場三相四線功率計實測數據對環控系統能耗進行拆分，結果見表10。數據顯示，環控系統中，冷水機組能耗占比最大，達到52.8%～62.0%。

表10 車站空調能耗拆分比例 %

5 車站制冷站運行測試及問題診斷

筆者于2019年夏季典型工況對樣本車站的制冷站主要設備進行了現場測試，詳細測試數據及計算結果見表11。針對測試結果，各設備運行診斷及分析如下。

表11 制冷站運行參數

5.1 冷水機組性能系數普遍偏低

5個樣本車站中，除D站大系統冷水機組達到額定COP外，其余車站機組實際運行COP均遠低于額定值，如圖1所示。結合測試數據分析，導致COP偏低的主要原因包括：

圖1 實測與額定COP比較

1) 冷水機組運行負載率偏低。由于樣本車站冷水機組投入運行年限較長，單臺機組出力衰減，高溫工況下無法獨立負擔末端負荷，需同時開啟2臺或3臺機組，導致單臺機組負載率偏低，基本為44%～60%。

2) 冷凝器臟堵導致趨近溫差較大。測試車站普遍存在冷凝器換熱效果差的現象，冷凝器趨近溫差最低為1.8 ℃，最高達到6.5 ℃，導致冷凝溫度偏高，冷水機組性能下降。初步推測可能原因包括：冷凝器表面結垢，熱阻增大，換熱性能下降；壓縮機回油不佳，油進入冷凝器，影響換熱效果；制冷劑充灌量不足，影響冷凝器換熱效果。

3) 冷卻水進水溫度偏高。由于冷卻塔效率低下，樣本車站在室外干球溫度32～35 ℃、濕球溫度25～29 ℃時，冷水機組冷卻水進水溫度達到35～38 ℃，進一步加劇了冷凝溫度上升的問題，導致冷水機組COP下降。

4) 樣本車站中，A、B、C站為大小系統共用冷源，D、E站為大小系統冷源獨立運行。測試數據顯示，D、E站系統中，除了D站小系統性能偏低外，其余3個運行組合的運行效率明顯優于A、B、C站。

影響冷水機組COP的因素較多，大小系統冷源獨立設置的車站，冷源運行的負載率普遍更高，有利于機組發揮更好的性能。因此在外部條件相似的前提下，大小系統冷源獨立設置的系統運行效率普遍更高。

5.2 輸配系統大流量小溫差現象普遍，變頻系統未投入運行

測試數據顯示，樣本車站冷水供回水溫差為2.1～4.0 ℃，大部分集中在3.0 ℃附近，處于大流量小溫差運行，導致輸配能源浪費。此外，A、B、C站均已對冷水泵、冷卻水泵進行了變頻改造，但實際運行中，水泵仍然按照工頻狀態運行。主要原因是變頻系統在后期工程應用中并未得到有效的調試，實際控制效果不理想，水力工況不穩定，影響了使用效果，最終被運維人員棄用。

5.3 冷卻塔效率偏低

樣本車站測試數據顯示，冷卻塔效率僅為0.25～0.48。冷卻塔出口水溫相比同時刻室外濕球溫度的逼近度達到6.8～12.8 ℃。冷卻塔效率偏低、冷卻水出口溫度偏高是樣本車站的共性問題。

通過現場調研發現，由于安放位置受限制，地鐵車站冷卻塔普遍位于地面隱蔽角落，通風不暢、氣流短路、落葉堵塞、填料老化等問題較為普遍，嚴重影響冷卻塔的實際應用效果。冷卻塔的低效運行同時也導致冷卻塔出水溫度偏高，直接影響冷水機組的運行效率，對制冷站運行能效影響較大。

5.4 空調系統綜合效率評估

綜合制冷站整體供冷量及設備能耗(包含冷水機組、冷水泵、冷卻水泵、冷卻塔能耗)，制冷站綜合效率SCOP如表12所示。數據顯示，由于上述運行問題的影響，樣本車站SCOP整體偏低，除D站大系統的SCOP相對較高(達到3.23)外，其余車站的SCOP僅為1.37～2.51。

表12 空調系統SCOP

6 結論

基于對上海市5座典型軌道交通非換乘地下車站的測試及調研數據，僅針對樣本車站進行討論，主要結論包括：

1) 軌道交通非換乘地下車站年用電量為129萬～235萬kW·h，單位建筑面積年能耗為152.2～211.2 kW·h/m2。

2) 環控系統能耗占車站總能耗的比例為41.7%～50.6%，環控系統全年能耗為57.4萬～115.2萬kW·h，單位建筑面積能耗為76.2～93.3 kW·h/m2。

3) 環控系統中，冷水機組能耗占比最大，普遍比例為52.8%～62.0%。

4) 車站制冷站運行問題較多，普遍存在冷水機組COP偏低、輸配能耗偏高、冷卻塔效率偏低、綜合能效偏低等問題。應加強日常維護保養工作，并在適當時機對關鍵設備進行節能改造。