天津某地铁车站高效制冷机房的节能技术分析研究

潘帅方

(中铁上海设计院集团有限公司天津分院，天津 300000）

1 引言

随着我国经济的快速发展，能源问题越来越不可忽视，《“十四五”现代能源体系规划》中明确指出要更大力度强化节能减排，严格控制能耗强度。随着地铁建设规模的不断扩大，其节能运营也引发了越来越多的关注。据统计，2020 年城轨交通总用电量达172 亿kW•h，同比增长12.9%，其中车站能耗88.4 亿kW•h[1]。通风空调系统站地铁车站全年能耗的总量的45%，具有较大节能空间。

地铁站空调系统包括风系统和水系统。风系统根据服务区域可分为车站公共区空调系统和设备及管理用房空调系统。空调风系统的主要设备为组合式空调机组、回排风机以及相关电动阀，空调水系统的主要设备包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔和相关电动调节阀[2]。

在工程设计中，空调系统的设备容量一般按地铁运行远期最大负荷需求进行选择[3]。传统的制冷机房设备机组均为定频，没有随着冷负荷变化调节设备的能力，且自控系统只能实现远程监测环境和设备的运行状态，不能实现风水系统联动智能控制，普遍存在冷量输出过量、设备偏离高效运行区间、运行能效低等问题。为达成机房节能目标，集中空调高效制冷机房系统需针对系统各节能点进行改造。天津某高效制冷机房采用超高效机组设备，采用全变频系统，增设多处变频器及变频控制柜等，前期进行能源模拟，根据模拟结果增设只能控制系统，形成开机策略，节约运行能耗。

2 项目概况

天津某地铁站为地下2 层12 m 岛式标准车站。车站长为279.35 m，宽为20.7 m。地下1 层为站厅层，地下2 层为站台层，站厅层公共区面积约2 210 m2，站台层公共区面积约1 272 m2。车站设备及管理用房分别设置在站厅及站台层的两端。

高效制冷机房的设备采用永磁同步变频螺杆式冷水机组、变频式水泵和变频式冷却塔等，优化自控系统，通过风水联动智能控制柜、水系统采集控制箱、现场采集控制箱、各类传感器等实现风水系统联动控制，实现制冷机房的高能效[4]。

3 高效制冷机房的能效评价方法

用于描述空调系统能效比的参数有很多，包括了对空调系统总体以及主要组成部分的评价，在国标中最常使用的是性能系数COP 和能效比EER。制冷机房系统主要是通过分析冷水机组的COP 和制冷机房总能效比EERS，判断机房的运行效率。

3.1 冷水机组能效比COP

水冷式冷水机组名义工况制冷性能系数（COP）是指冷冻水在标准工况，即冷冻水供回水温度15 ℃/9 ℃，冷却水供回水温度30 ℃/35 ℃的条件下，制冷量与用电量的比值，前期数值模拟阶段可采用该数据分析冷水机组性能。待地铁正式运营时，冷水机组运行的实时性能系数COP，可按式（1）计算得出：

式中，CP为水的比热容，取4.187 kJ/(kg•℃)；ρ为水的密度，取1 000 kg/m3；G为冷水瞬时流量，m3/h；Δt为冷水供回水温差，℃；ΣNc为冷水机组的总用电功率，kW。

3.2 制冷机房总能效比EERS

对于电制冷水式机组的制冷机房，总能效比EERS 为冷水机组制冷量之和与冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的耗电量之和的比值。即为：

式中，ΣQ为所设冷水水组的总制冷量，kW；ΣNc为冷水机组的总用电功率，kW；ΣNB为冷冻水泵和冷却水泵的总用电功率，kW；ΣNT为冷却塔的总用电功率，kW。

4 高效制冷机房的节能技术分析

地铁车站的空调、通风系统根据服务区域不同，分为大系统和小系统，为公共区服务的为大系统，为设备管理用房服务的为小系统。地铁车站公共区服务和设备管理用房的冷负荷峰值不在同一时间段，高效制冷机房通过高效设备选型与设计、风水联动等方式，节能效果显著。

4.1 高效设备选型与设计

根据天津典型天气逐时气象参数，对车站进行逐时、逐日、逐月的冷负荷计算，得出车站全年制冷季冷负荷结果，如图1 所示。对冷负荷分析可知，地铁车站在运营过程中冷负荷多为非满负荷运行，结合冷水机组运行效率特点，对冷水机组的选型进行优化，使其大部分时段在高效运行区间。经过对冷水机组的性能模拟分析，冷冻出水温度每升高1 ℃，机组COP提高约3%。通过提升冷冻水出水温度，将冷冻水系统出水温度由标准工况7 ℃提升至9 ℃，进出水温差按照6 ℃设计，维持冷水机组的高效运行。针对冷冻水6 ℃温差的特性以及优化设计后的扬程选用合适的高效变频水泵，同样对冷却水泵和冷却塔采用高效变频设备，以配合自动高效节能的控制系统的优化运行。

4.2 风水联动高效控制系统

根据目前节能技术发展水平，在满足服务质量的要求下，结合城市轨道交通车站通风空调系统的运行特点，采用安全、成熟、可靠、有效的节能技术和产品，实现车站通风空调系统适应变负荷工况下整个系统综合性能优化控制，即采用车站通风空调系统“风水联动”智能控制系统技术，实现轨道交通的节能目标。

天津某地铁车站的高效制冷机房水系统采用一次泵变流量系统，空调末端设置电动流量调节阀，每个末端水流量的调节都会影响到用户侧的总流量，但机房侧的总水流量仍取决于冷水机组与水泵的开启台数。分水器与集水器之间设置旁通管，旁通管上设置电动压差流量调节阀，采用智能变流量控制系统实现水泵变频与冷水机组、冷却塔结合进行整体寻优控制。首先分析客流量、室外气候变化等因素对系统运行性能的影响，对包括空调、通风等在内的环境控制系统提出适宜的节能运行策略。在满足室内人员舒适性的前提下，充分考虑风水联动、自然通风等节能措施，形成基于能耗目标约束的节能运行策略及调控技术。

风水联动智能控制系统根据实际的运行情况和不同负荷工况，通过调节阀门开度、智能化选择冷水机组、循环水泵、冷却塔、风机和末端空调等设备的运行台数和运行频率，确保水系统的高效率运行[5]。由于系统机组台数切换点不同，变频螺杆机组在部分负荷时COP 较高，而部分负荷增加冷机台数，需增加水泵等功耗，因此节能控制系统采用制冷机房综合优化算法，模拟冷水机组、循环水泵和冷却塔的性能曲线，对每台设备采取主动式控制和整个机房设备的集成控制，确保空调水系统的高效率运行，实现整个制冷空调系统综合能耗最低的目标。

5 高效制冷机房的能耗分析

制冷机房的主要耗能设备为冷水机组、冷水泵、冷却水泵、冷却塔，机房的综合耗能是由每个单体设备的能耗累加而成。基于优化后的以上设备选型参数，在设备机房建设之前，按照智能控制策略，对冷水系统5～9 月份的设备能效进行数值模拟计算。模拟结果如图2 所示，冷水机组的能耗占比最大，可达到总能耗的84.3%，冷水机组的节能选型及智能运行控制对制冷机房的综合能耗控制有重大意义。

图2 高效机房方案设备全年能耗分布图

冷水机组选型采用永磁同步变频螺杆机，针对高效冷站所需的冷冻水中温大温差工况，全面优化全工况性能，机组运行能效达到7 以上，高效制冷机房能效比达到5.3 以上，如图3 所示。

图3 制冷机房和冷水机组能效数值模拟分析图

天津某地铁站建设调试完毕后，制冷系统在2022 年空调季开始自动运行，实现了制冷机房、末端一体化控制，采用风水联动运行策略，保证空调机组及空调水系统高效率运行。运行中，验证了该制冷机房的空调系统各设备运行数据均能正常连接到数据云平台。选取8 月对制冷机房的实际运行数据，检验数值模拟结果，分析制冷机房是否达到预期的节能效果。并选取某两周，分别采用风水联动系统和常规定频运行系统，对制冷机房的系统能效比EERS 进行对比，如图4 可得出，采用风水联动智能控制策略，设备根据实际情况变频运行，比常规定频运行时能效大幅提升，制冷机房的EERS 均能达到5.8 以上。

图4 高效制冷机房EERS 对比分析图

经过对设备耗电量的数据分析，如图5 所示，可发现，传统车站制冷系统定频运行，末端设备及水系统设备耗电量较多。而风水联动智能控制系统可根据实际的运行情况和不同负荷工况，智能化选择制冷设备的运行台数和运行频率，总耗电量显著降低。

图5 制冷系统设备耗电量对比分析图

6 结语

本项目地铁车站以高效制冷机房形式建设，制冷系统的设备均选择高效变频式，并采用风水联动系统，实现制冷机房和末端设备一体化控制。在地铁运营时，制冷系统智能运行，自动选择最高效的运行策略，相比常规地铁车站制冷系统的能效有大幅提升，制冷机房的EERS 能达到5.3 以上，制冷系统的耗电量显著减少，约节省能耗40%，对地铁车站制冷系统的能耗研究具有重要参考意义。