磁浮变频离心式冷水机组在地铁应用中的经济性分析

李文博

(中国铁路设计集团有限公司，300251，天津//工程师)

地铁空调系统为工作人员和乘客提供了舒适的环境，为设备提供了合适的温度来保证列车运行稳定，与此同时带来的高额空调运行费成为目前人们日益关注的问题。冷水机组是集中空调系统的主要耗能设备，其性能很大程度上决定了空调系统的能效，因此选择高效的冷水机组是降低地铁空调系统能耗的有效途径。

地铁空调系统大部分时间为部分负荷运行，根据文献[1]计算出的IPLV(综合部分负荷效率)值体现了冷水机组在整个空调运行期间的能效情况。该值越大，冷水机组在整个制冷季节的整体耗电量就越低，与之相应的运行费用也会更低，同时冷水机组也更节能。而磁浮变频离心式冷水机组有着较高的IPLV值。

磁浮变频离心式冷水机组具有以下特点：

(1) 磁浮变频离心压缩机不存在任何机械传动及机械摩擦，其运行不需要润滑油润滑，省去了定期更换润滑油的麻烦，同时节省了维护费用。

(2) 由于没有机械摩擦，不存在机械摩擦对功率造成的损失，使得压缩机可以发挥最大功率，即耗相同的电量可以得到更大的制冷量，相对其他冷水机组压缩机,其能效比更高。

(3) 压缩机采用变频技术，在机组处于部分负荷运行时，变频器会降低压缩机轴承的转速。这样，既可以避免喘振的发生，又可以降低压缩机轴功率，使得机组部分负荷运行时耗电量更低。

(4) 冷水机组运行时产生的震动和噪音相对较低。

1 经济性分析

本文重点从初投资、运行电费以及维护成本等方面分析选用磁浮变频离心式冷水机组的经济性。

1.1 冷水机组选型

当冷水机组采用变流量控制、低负荷工作时，水泵以不同频率运行，在一定程度上可降低水泵的实际功耗，同时冷水机组亦会因此调低负荷，从而降低耗电量。因此，本文在冷冻水一次泵变流量的基础上进行冷水机组的经济性对比。

本文对某车站标准站和换乘站冷水机组选型方案进行了对比分析。冷水机组选型方案如表1所示。由表1可知，换乘站负荷较大，但绝大部分时间在负荷率不超过75%的状态下运行，且设备管理用房负荷仅占总负荷的19%。同时考虑到换乘站全部采用磁浮变频离心式冷水机组时初投资较高。因此对表1选用的两种方案进行了对比分析。

表1 某车站冷水机组选型方案表

1.2 冷水机组初投资

1.2.1 土建初投资

水系统主要包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、分水器、集水器、水处理器及定压补水装置等设备,这些设备均布置于车站一端的冷冻机房内。水系统为车站公共区及设备管理用房提供空调冷源。在水系统中，当选择不同类型的冷水机组时，诸如冷冻水泵、冷却水泵等设备对土建初投资不构成影响，因此对土建初投资的影响主要体现在冷水机组的尺寸上。参照厂商提供的相关参数，同型号的磁浮变频离心式冷水机组、水冷螺杆式冷水机组和水冷离心式冷水机组在地下空间的占地面积相差很小，对于土建初投资的影响可忽略不计。

1.2.2 设备初投资

水系统中，冷水机组的使用寿命按20 a考虑。其余水系统设备和管道主材等设备参数,以及管材数量可认为相同,不影响初投资,因此水系统投资差价即为冷水机组的投资差价。参照厂商提供的相关参数，得到某车站的冷水机组初投资方案比较如表2～3所示。由表2～3可知，针对某车站标准站和换乘站，采用磁浮变频离心式冷水机组的方案设备初投资均略高。

表2 某标准站冷水机组初投资方案比较

1.3 运行电费对比

1.3.1 地铁空调系统负荷分布

地铁环境空调负荷主要由公共区人员散热负荷和新风负荷、公共区照明负荷、公共区设备散热负荷以及设备房间的设备散热负荷等组成，其受室外环境影响较小。其中，公共区人员散热负荷、公共区照明负荷受不同时间车站的客流量影响较大，因此需根据每天车站客流量大小预估空调冷水机组的综合部分负荷效率(可参考表4来预估)。

表3 某换乘站冷水机组初投资方案比较

表4 地铁空调冷水机组的综合部分负荷效率

1.3.2 运行电费比较

地铁空调季按每年6—9月运行，每天运行时间按6:00—22:00统计，电价按1元/kWh计算。每季空调运行电费=(冷水机组制冷量/IPLV)×每天运行小时数×制冷天数×电价。车站全年运行电费见表5。

表5 某车站全年运行电费表 万元

1.4 维护成本分析

磁浮技术使压缩机不存在任何机械传动及机械摩擦，这样压缩机运行就不需要润滑油润滑，节省了该项维护费用。冷冻油、油过滤器等费用按每2年1.5万元计(本文对其他人工维护费用、非油路部件更换等费用不做比较)。

1.5 回收期分析

对标准站和换乘站的不同类型的冷水机组进行逐年投入费用计算，如图1～2所示。由图1～2可知，标准站磁浮变频离心式冷水机组回收期为8 a，而换乘站磁浮变频离心式冷水机组回收期为6 a。

图1 标准站冷水机组逐年投入费用对比图

图2 换乘站冷水机组逐年投入费用对比图

1.6 标准煤消耗量及年排放量比较

根据发改委相关数据可知，每产生1 kWh的电，需消耗标准煤360 g，每吨标准煤燃烧产生2 620 kg CO2和8.5 kg SO2[3]。将耗电量转换为标准煤消耗量，并进行对比分析可知，相对于其他两种类型的冷水机组，磁浮变频离心式冷水机组每年的节能量和减排量分别为15.6%和11.5%。

通过对磁浮变频离心式冷水机组在初投资、运行电费、维护成本、回收期以及年排放量等方面进行比较得知，磁浮变频离心式冷水机组有明显的节能效果。目前，由我国自主研发的磁浮压缩机属较新技术，其冷水机组价格相对较贵，但随着该技术的发展，冷水机组的价格亦会随之降低，这样可以缩短投资回收期。

2 结论

(1) 磁浮变频离心式冷水机组具有高效、节能、减排的特点，尤其是在既有项目改造工程中，该机组可以充分发挥噪声低、尺寸小、运行费用低等优点。规模较大的车站可根据实际负荷特点，合理选用普通离心式冷水机组和磁浮变频离心式冷水机组的组合台数，以便在运行上最大程度地发挥磁浮离心式冷水机组的节能特性。

(2) 地铁空调系统较复杂，须根据末端各负荷的供需情况来对磁浮变频离心式冷水机组进行选型，且由集中控制系统根据冷水机组、冷冻(却)水泵以及冷却塔等设备的工作曲线判断最节能的运行模式，这样才能让冷水机组发挥高效的工作效率。