集成式高效空调制冷系统在地铁车站的应用研究

姬安

（浙江省交通规划设计研究院有限公司，杭州310006）

1 引言

制冷系统设计是城市轨道交通通风空调专业的核心设计内容，传统空调制冷系统硬件方面存在占地面积大，设计施工界面多，施工周期长，质量难以控制等问题，软件方面存在专业多、接口杂、能耗高、能效低，责任主体不明确等问题【1】。当前我国正处于大规模城市轨道交通建设时期，软硬件一体化技术水平越来越高，同时软硬件一体化也是智慧化的一个必然趋势。采用装配式冷冻站和高效节能控制系统不仅可以提高工程质量，缩短工期降低成本，也可以提高地铁车站空调系统的整体能耗水平，尤其对提高空调制冷系统的运维管理效果显著。目前，在杭州至海宁城际铁路工程中，全线地下车站空调制冷系统均采用装配式冷冻站和高效节能控制系统，本文结合该实际工程对其应用进行分析，可供相关工程参考。

2 传统的空调制冷系统存在的问题

2.1 能效低

目前，我国轨道交通车站制冷机房的建设只是在设计及设备采购阶段对部分设备的能效提出要求，普遍没有设定制冷机房能效目标，系统建成后的实际能效往往达不到GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》规定的最低限值要求，而且没有哪一方责任主体需要对系统能效负责。另一方面，由于目前安装能耗监测系统的工程不多，冷冻站运行的真实数据不能实时反馈，系统真实运行状态难以准确掌握，并不能及时、准确地找出系统低效运行的原因。这也是摆在运营部门面前的一道难题。

2.2 制冷机房建设程序烦琐，系统调试缺失

按目前的建设程序，设计周期短，精细化程度不够，设备优化布置不合理，占地面积大；设备采购分散，设备之间的匹配性不佳；施工周期长，现场施工变更多，协调管理难度大，材料浪费大；各阶段责任主体分散，存在不同程度的冲突，导致系统整体性能不佳，效果难以保证。目前，多数轨道交通车站制冷机房内的设备和系统都没有进行现场性能测试，传感器执行器运行状态没有校正，控制策略没有检验，很可能处于低效或错误的运行状态，从建成交付之日起就存在先天不足。

2.3 节能控制与运维管理水平不高

节能控制及设备管理由BAS系统负责，BAS作为一个“大而全”的综合性系统，难以对制冷机房的节能控制做到专业化、精细化。反馈控制时间滞后、效果差，不能实时适应环境的变化。没有分项计量系统，没有运行能耗目标和控制指标，控制系统的能效及运行管理水平无法评判。运维管理对人员的依赖性较大，主观性较强。

3 高效空调制冷系统的具体应用案例

3.1 杭州至海宁城际铁路工程海昌路站简介

杭州至海宁城际铁路工程海昌路站为标准2层地下岛式车站，采用分站供冷方式，冷源系统采用水冷螺杆机+冷却塔的方案，车站设置有2台冷水机组，2台冷冻水泵，2台冷却水泵，2台冷却塔及水处理装置。采用的节能控制技术有：独立控制，采用简易、独立单点控制。目前设备选型太大，负荷长期在30%以下，控制无调试，控制无反馈，控制无目标，设备布置分散，占地面积较大，全部现场安装，建设周期较长，运维人力成本高，稳定性较差。

3.2 优化建议

设备采用全变频、高能效产品：冷水机组主机、冷却水泵、冷却塔风机、冷冻水泵均选用变频产品，且具有良好的负荷性能。

机房系统集成，管网系统优化：采用装配式整体集成技术，整合机房所有设备，在工厂进行预制、加工、生产、测试，现场拼装、调试，采用系统集成设计技术，通过三维仿真和力学有限元分析，实现最优化布局。通过对电动调节阀、压差旁通阀等的优化选型，降低系统阻力，改善水力平衡，进而降低水泵的扬程及流量。

水系统优化：对于冷水机组，冷冻水出水温度越高，其能效比就越高，一般来说，每提高1℃，机组能效比提高3%左右。为提高制冷机房整体能效水平，建议提高冷冻水出水温度，并采用冷冻水大温差技术。将原设计7℃/12℃的冷冻水供回水温调整为9℃/16℃。

节能控制技术优化：综合采用基于预测负荷的按需主动控制、控制系统的自主学习与持续优化、基于整体高效的设备关联控制等控制系统和控制策略。在各种负荷条件下通过节能控制系统自动寻优找到一个系统效率最佳点，使整个系统能效比最高。同时，对各用能设备、各控制参数进行监测、分析及统计，为节能运行提供数据支持【2】。

3.3 原方案与优化方案的综合对比

1）原设计方案制冷机房：制冷机房主体设备分开多次采购，机电安装公司安装；责任主体分散，没考虑综合性能；采用简易、独立单点控制技术；设备布置分散，机房占地面积较大；设备基础采用混凝土结构，位置不可调整；现场材料保护条件有限，易造成材料污损；现场设备和管线就位安装，采购设备间断地进入施工现场、协调、安装、调试时间长，建设周期较长；系统运行较大程度上依赖操作人员轮巡、值守，人力成本高、稳定性差，系统可靠运行依靠操作人员责任心、技术能力。

2）高能效集成冷冻站：集成商开展二次深化设计和三维仿真，采用智能机电一体化系统产品，冷冻站及空调末端设备打包统一招标；单一责任主体，无相关单位人员扯皮情况发生，系统集成制造商对系统综合性能指标负责；根据轨道交通的负荷特点，采用关联预测控制技术；冷冻站整体最优布局，节省1/3以上的机房占地面积；设备基础采用钢结构底座，可调整位置；生产图纸指导工厂预制，可精确到毫米级，节省10%以上的材料耗费；通过工厂预制、模块运输、现场拼装，避免工程现场的交叉施工，降低业主的管理难度，缩短4/5现场建设周期；具有各类完备的单机保护以及系统整体保护功能，能够实现全自动无人值守运行；借助云平台和大数据专业分析，全面远程监控管理，可实现技术咨询、信息查询、报警提示、专家节能优化、服务质量考评。

4 技术经济分析

4.1 海昌路站原设计制冷机房能效比计算

根据原设计参数计算出的设计工况下制冷机房综合能效比为3.15（综合能效比定义：运行工况下，冷冻站供冷量与冷水机组机、冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔耗电量之比）。

4.2 高效集成冷冻站能效测算

通过选用全变频、高能效设备，机房系统集成、管网系统优化、水系统优化、节能控制技术优化等措施，建设高效集成式冷冻站。根据测算，可以使集成冷冻站综合能效比达到4.5以上。能效比提升幅度为40%以上。

4.3 高效集成冷冻站运行费用测算

能耗费用测算如表1所示。

表1能耗费用测算

经测算，高效集成冷冻站与原设计制冷机房相比，系统节能率达到30%，年均节省运行费用约14.5万元。海昌路站高效集成冷冻站建设费用估算为380万元，原设计制冷机房概算为320万元，高效集成冷冻站初投资较初步设计增加18.75%，投资回收期约为4a。

5 结语

综上所述，以集成式高效空调制冷系统的建设与能效保持为衡量标准，开展冷冻站全过程的技术研究，综合运用BIM、集成化、系统仿真、大数据等技术，实现冷冻站及空调末端全寿命周期的高效运行与精细化管理，从而降低轨道交通的运营成本，促进轨道交通可持续发展。目前，海昌路站机电设备正在施工安装阶段，待运营后还需进一步根据运行数据验证分析。