某城市地铁车站采用冰蓄冷系统分析

贺利工

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥高级工程师）

某城市地铁车站采用冰蓄冷系统分析

贺利工

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥高级工程师）

以某城市地铁地下站为例，从水系统的流程、与用户的连接方式、系统配置等方面分析了车站采用冰蓄冷的方案。采用该地下站的冷负荷数据，对车站冰蓄冷系统和常规制冷系统方案进行了技术经济比较，得到结论：由于该城市峰谷电价差超过3.5倍，采用冰蓄冷是可行的，但优势不突出。冰蓄冷方式利用电价差达到总费用最小，省钱但不省电。

地铁车站；冰蓄冷；技术经济比较

Author's addressGuangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

1 车站概况及综合条件

某城市地铁线路呈南北走向，穿越城市发展区及规划新区。根据该线的客流、设置屏蔽门情况、车站规模，以及当地气候等条件，初步分析计算，该地下车站单站冷负荷在900～1 400 k W范围内。

常规情况下，地铁车站空调系统采用冷水机组制冷。根据车站大小系统的负荷情况、运行时间、调节要求及节能效果等要求，该车站配置了2台冷水机组，单台机组制冷量约在420～700 k W。空调制冷水系统冷冻水循环侧，利用比例积分二通阀调节空调末端，实现变流量调节。冷水机利用供回水主管上的旁通管路和阀门实现定流量运行。冷冻、冷却水泵为定速泵，采用进出水5℃温差设计。大系统设置了大型组合式空调器，小系统设置了柜式空调机及风机盘管，负荷点的数量较小；系统设备运行时段集中且有规律，供冷水力平衡的要求较低。该城市用电实施峰谷差价，电价及时间段见表1。由表1可知，丰水期的电价最便宜，低谷段与高峰段的单价比为1∶3.53；枯水期的电价最高，低谷段与高峰段的单价比上升到1∶3.63。可见，鼓励错峰用电对调整电网均衡有利。对空调系统来讲，是鼓励采用蓄能空调（水蓄冷及冰蓄冷）。这为蓄冷技术在地铁的应用提供了可实施的条件。

表1 某城市实施峰谷电价及时间段

2 车站采用冰蓄冷方案分析

2.1 系统方式

在蓄冰空调系统中，水系统的流程有两种：并联流程和串联流程［1］。

并联系统流程中制冷机与蓄冰槽处于并联位置，当最大负荷时可以联合供冷。并联流程适用于溶液温差为5～6℃的系统（即制冷机组与蓄冷装置运行于相同的进出口溶液温度条件）。并联流程不适用于温差大于6℃的系统，因为其要求的溶液循环量较少，对制冷机蒸发器的传热效果有影响；在释冷供冷时，溶液泵的运行功率较小，适合于全量蓄冷运行策略，出口温度控制困难。

串联流程系统中制冷机与蓄冰槽处于串联位置，以1台泵维持系统内的乙二醇溶液循环，供应空调所需的冷量。串联配置的蓄冷系统，无论是满负荷或部分负荷运行方式，都能保持恒定的供冷温度；系统运行稳定，且较易实现自动控制。串联流程对较大的供回液温差的系统（如温差大于8℃）较有利，尤其是大温差及分量蓄冷运行策略时，其溶液泵的电功率相应减少，更适宜于低温空调的供冷。

根据地铁车站用户数量少、经济适用的原则及系统流程的特点，推荐采用串联流程。

按制冷机组与蓄冷装置相对位置的不同，串联流程可分为制冷机位于上游或下游的流程配置。制冷机组为空气调节系统制取冷量，其能耗通常约占系统总能耗的50%以上，是节能的重点设备。制冷机组在白天用电高峰期作空调负荷运行，应尽量提高出液温度，以减少用电量，节省运行费用。制冷机位于蓄冷装置上游的串联配置正好达到这一效果。

2.2 冰蓄冷系统流程中与用户的连接方式

冰蓄冷系统与用户连接的方式有直接连接和间接连接。

采用直接连接方式时，整个系统充满了乙二醇溶液，使得溶液的传热性能及阻力损失均比冷冻水差；而且乙二醇溶液量大，系统泄漏引起的危害也比水严重，因此要求有较高的维护管理水平。其优点是不需要增加热交换器及循环水泵等设备，系统较简单，总投资较省。直接连接方式一般用于小型的蓄冷供冷系统。

间接连接方式是借助热交换器来分开溶液循环系统和冷水循环系统。其优点是：乙二醇溶液用量仅限于蓄冷供冷站内的水力系统部分，溶液用量比直接连接方式要少得多；用户系统不存在乙二醇溶液泄漏的隐患，尤其能隔断水系统的静压以保护制冷机组及蓄冷装置。间接连接方式的缺点是：需要增加热交换器及循环水泵等设备，投资增加；经过热交换器的传热和受热介质存在温差，最终反映在系统能耗的增加。

由于直接连接方式对管路系统、密闭性等的要求高，本文选择采用间接连接方式。

2.3 车站蓄冷空调方案的选择

2.3.1 车站负荷

根据典型车站的冷负荷计算，负荷曲线见图1。地铁系统运行时间长，仅有6 h（23：00—5：00）的非运营时间可以执行充冷工况，且夜间为大系统充冷的同时还要为设备及管理用房区昼夜服务的房间供冷，故车站的空调系统必须同时满足充冷及供冷的要求。这种工况是不利的：夜间为大系统充冷时，制冷机在制冰工况运行，其能效比和效率比较低；此时再为小系统供冷，其经济性差。当夜间供冷量相对充冷量较大时，应设置单独供冷工况的制冷机（又称基载制冷机）。

图1 车站日负荷变化示意图

2.3.2 典型车站冰蓄冷系统配置

典型车站的计算数据显示，小系统的负荷约占整个车站冷负荷的18.2%。小系统负荷主要由发热量大的电气用房组成，其在一天内的变化幅度通常不大，因此设置基载制冷机比较合适。设置基载制冷机的串联流程见图2。

图2 设置基载制冷机的串联流程

不设置基载制冷机的串联流程（含充冷供冷工况）在夜间充冷供冷时，需通过三通阀释放一部分0℃以下的低温乙二醇溶液进入小系统的板式换热器，通过设置的小系统泵给车站小系统供冷。低温的乙二醇溶液与水交换时，若控制不良则容易造成水侧结冰，损坏小系统板式换热器，故需要设置温度传感器及电动控制阀门来监视、控制，以避免危害事件发生。应根据每个车站的形式、小系统负荷及日变化率，通过技术经济比较，因地制宜地配置合适的系统。本文按设置基载制冷机的方式进行经济比较。小系统的负荷绝对值不大，选择制冷机的形式多为活塞式、涡旋式或小螺杆机。分析比较采用分量蓄冷、串联主机优先上游方案。

3 典型车站经济比较

根据该城市峰谷电价的差别，对负荷为1 255 k W（含大系统和小系统）的典型车站进行水系统常规制冷与冰蓄冷供冷方案比较。

冰蓄冷系统典型日运行情况见表2、图3。由于地铁运行时间较长，蓄冷的时间只有6 h，根据电价及选用的2台双工况机组的实际情况，采用高峰时段只运行一台制冷机分量供冷加融冰运行的模式，可得到最优的性价比。冰蓄冷与常规制冷经济性数据指标比较见表3。初投资冰蓄冷系统比常规系统多84万元，每年通过削峰填谷可节约15.8万元，静态回收期为5年。

表2 冰蓄冷系统典型日运行情况表

图3 冰蓄冷系统典型日运行图

表3 冰蓄冷与常规制冷经济比较

4 结论

通过对典型车站进行常规供冷及冰蓄冷方式的比较，在峰谷电价为3.5倍的情况下，冰蓄冷与常规系统相比有5年的静态回收期，采用是可行的，但优势不突出。冰蓄冷方式利用电价差达到总费用最小，是典型的“省钱不省电”，在选用时应充分论证。

［1］ 陈沛霖，岳孝方.空调与制冷技术手册［M］.2版.上海：同济大学出版社，1999.

Analysis of Ice Storage System Adopted at Metro Stations

He Ligong

A metro station is taken as an example to analyze the ice storage system from aspects of the water flow system，connection with users and allocation of devices.The cooling load data of a typical metro station is used to make a technical and economic comparison between ice storage system and the normal refrigeration system，and a conclusion is drawn.Because the peak time electric price is 3.5 times higher than the valley time price，the adoption of ice storage system is technically feasible.Though the electric bill could be the lowest by adopting the ice storage system，money is saved but not the electricity.

metro station；ice storage；technical and economic comparison

TU 831.6：U 231.4

10.16037/j.1007-869x.2015.01.024

2013-04-09）