高靜壓模塊蒸發(fā)冷凝冷水機組在地鐵的應用分析

王魯平，馬惠穎，孫云祥，徐 斌，何 楠，孟 鑫，段 玉，師 可

（1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；2.杭州市地鐵集團有限責任公司，杭州 310003）

1 研究背景

目前，國內地鐵地下車站大部分采用水冷式冷水機組+冷卻塔的冷源形式，需要在室外設置冷卻塔。由于地鐵車站一般設置在客流較多的商業(yè)或住宅區(qū)域，冷卻塔用地經常制約車站的建設進度，耗費較大的建設資金；在后期運營過程中，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)冷凝式冷水機組在地鐵車站中獲得越來越廣泛的應用[1]。

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

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

2 模塊機組的組成及特點

高靜壓模塊蒸發(fā)冷凝冷水機組(簡稱“模塊機組”)由集中控制柜、子機組(多臺)、內部水管及閥門、內部控制線纜構成，可以根據地鐵車站實際冷量需求，調整子機組運行臺數。集中控制柜通過控制線纜連接所有子機組(見圖1)，根據車站BAS系統(tǒng)指令或冷凍水回水溫度控制子機組的啟停和對應冷凍水管路的啟閉(見圖2)。

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

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

各子機組均有一套完整的制冷系統(tǒng)，包括壓縮機、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、蒸發(fā)冷凝式冷凝器、高靜壓風機等部件。壓縮機一般采用渦旋式壓縮機，單臺壓縮機額定制冷量一般約為80 kW，每個子機組含1～3臺渦旋壓縮機，子機組額定制冷量為80～240 kW。高靜壓風機的機外余壓可根據設計要求配置(一般為300 Pa)，以滿足機組在所有地下車站的排風要求。單臺子機組的尺寸一般不超過2 300 mm×2 000 mm×3 500 mm(長×寬×高)，運行質量一般不超4 000 kg。

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

3 與整體機組的對比分析

地鐵車站在建筑形式、負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，通過設置在車站兩端的新風道、排風道與室外進行通風換氣，新風道和排風道間一般有10 m左右的寬度用于設置冷水機房[4]；二是地鐵車站負荷具有顯著時變特性，不同時期(初期、近期和遠期)的負荷值差異較大且逐漸增加，同一天內負荷隨客流、室外氣溫有較大波動[5-7]。結合地鐵車站上述特征，下面從不同時期子機組臺數選擇、標準站的機房布置、制冷系統(tǒng)整體控制方案、機組冷卻循環(huán)水水質控制方案、機組效率及能耗等角度，分析模塊機組的適用性。

3.1 子機組的臺數選擇

由于初、近期客流及發(fā)車對數少，以及車站圍護結構蓄熱的影響，初、近期的車站晚高峰負荷一般小于遠期晚高峰負荷(設計負荷)的 60%。相比于整體式蒸發(fā)冷凝冷水機組(簡稱“整體機組”)，模塊機組單位制冷量對應的設備費用基本相同，額定工況下制冷量對應設備費約為1 200元/kW。因此，當模塊機組采取分期實施方案時，按設計負荷的60%實施，可降低40%的初投資。實際工程中，如果模塊機組按遠期配置，可通過調整子機組開啟臺數及時間，降低每臺子機組的運行時間，從而延長機組的使用壽命，降低機組的年折舊費用。

3.2 標準站的機房布置

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

圖3 模塊機組的機房尺寸及設備布置Figure 3 Machine room size and equipment layout of modular unit

圖4 整體機組的機房尺寸及設備布置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)冷凝式冷凝器排風機及風量控制、機組加減載控制、冷凍水流量控制、末端水閥開度控制。

3.3.1 排風機及風量控制

模塊機組自帶排風機一般為雙速風機，可根據制冷劑冷凝溫度由子機組控制風機轉速；整體機組外置排風機(一般為變頻)，通過制冷劑冷凝溫度控制風機轉速。從理論上分析，兩類機組均可以根據冷凝溫度合理控制風量，節(jié)約風機電耗。在實際使用中，由于外置排風機選型不合理，導致整體機組無法根據冷凝溫度計算確定合理的風機頻率，進而導致風機長時間處于固定頻率運行，難以有效地節(jié)約風機能耗。模塊機組自帶高靜壓風機，可由廠家直接設定風機轉速來切換對應的冷凝溫度，在使用過程中可有效降低風機能耗。

3.3.2 機組加減載控制

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

由于模塊機組含有多個子機組，所以可以根據車站實際負荷需求(由BAS或節(jié)能控制系統(tǒng)提供)進行子機組臺數控制，并根據子機組臺數設定冷凍水泵的運行頻率?？刂品桨讣斑壿嫼唵危瑢嵤╇y度遠小于整體機組，具體控制流程如下：節(jié)能控制系統(tǒng)或BAS預測下一時段的冷量需求→結合子機組制冷量及累計運行時間判斷下一時刻子機組(或壓縮機)的開啟臺數→根據子機組(或壓縮機)的運行臺數確定冷凍水泵的運行頻率→下一時刻開始時開啟對應子機組及電動蝶閥并調整冷凍水泵的運行頻率至設定頻率。其中，冷凍水泵的運行頻率由現(xiàn)場調試確定，并在控制系統(tǒng)(BAS或節(jié)能控制系統(tǒng))中設定。以2臺子機組為例，具體工況詳見表1。

表1 模塊機組控制模式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(在機組允許的流量范圍內)，多采用反饋控制。為避免冷凍水在蒸發(fā)器內部結冰而影響機組安全，整體機組允許的最小冷凍水量一般不低于50%。因此，整體機組的冷凍水流量控制存在滯后性(反饋控制導致)、冷凍水流量變化范圍小兩個問題。

模塊機組根據子機組(或壓縮機)的運行臺數設定冷凍水泵的運行頻率，從而控制冷凍水的流量。當子機組數量不少于4臺時，部分負荷下通過關閉不投入運行子機組的供(回)水水路及水閥，可使模塊機組的最小冷凍水流量低于設計工況的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施難度、水流量變化范圍兩個方面比較，模塊機組均優(yōu)于整體機組。

3.3.4 末端水閥控制策略

整體機組和模塊機組的末端水閥控制策略一致，均可通過設定送風溫度控制水閥開度。

3.4 冷卻循環(huán)水水質控制

整體機組和模塊機組的冷卻循環(huán)水水質控制方案一致，均采用補水軟化處理、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(電導率等參數)，對冷卻循環(huán)水進行自動排污，控制冷卻循環(huán)水的硬度在機組允許范圍內。

3.5 機組效率及能耗分析

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

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

3.6 兩類機組的綜合對比

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

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

4 結語

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