某地铁车站通风空调水系统设备性能分析

周平

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州510010）

1 项目概述

本项目地铁站开通于2009年12月，车站主体面积约34556m2，为明挖三层T型两线换乘站。车站通风空调冷源采用一次泵系统分站供冷，两线共用制冷系统及机房，空调设计总冷量为2466kW。冷水机房置于负二层，主机采用2台额定制冷量为1286kW的定频螺杆冷水机组，冷冻水供回水温度为7/12℃，冷却水供回水温度为32/37℃。冷水机房内设置了3台冷冻水泵和3台冷却水泵，室外设置2台冷却塔，其中水泵为二用一备，水泵及冷却塔均为定频运行。项目实施前地铁运营部门频繁收到乘客关于车站温度偏高的投诉，继而委托第三方检测单位对车站公共区温度进行了检测，图1为2016年夏季某日全天测试的逐时温度分布情况。

图1 车站公共区全天温度

该城市地铁车站站厅公共区夏季空调设计温度为29℃，站台公共区为27℃。如图1所示，显然在测试当天温度值均高于设计温度。项目实施前，项目组对该地铁站通风空调系统进行了为期半个月的能效检测，以寻求问题的根源，主要检测对象为制冷主机、空调水泵、冷却塔等。

2 制冷主机能效检测与处理建议

2.1 制冷主机能效检测

测试期间某天20点41分，制冷主机运行数据：冷冻水进水温度10.9℃，出水温度8.1℃，冷冻水进出水温差2.8℃；冷却水进水温度28.4℃，出水温度32.4℃，冷却水进出温差4℃。由于本站水系统采用定流量变水温控制，当冷冻水进出水温差为2.8℃时，主机的负载率约为56%。根据地铁车站通风空调系统运行的规律可知，此时大系统和空调小系统均在运行，同时执行的是小新风空调工况。经对通风空调系统进行分析，本站大、小系统空调设计冷负荷的比值约为3∶2，记录时刻虽然已是晚高峰客流之后，但车站公共区的平均温度约为29.5℃，已经超过站厅设计温度29℃和站台设计温度27℃。经上述分析，制冷主机制冷量输出显然不足，图2为制冷机房全天制冷功率与电功率变化曲线。

由图2可知测试当天制冷机房全天最大的制冷能力约1300kW，约占额定制冷量53%，制冷主机的COP（制冷主机制冷量与耗电功率的比值）约为2.8～3.2。

图2 制冷机房全天制冷功率及电功率变化曲线

2.2 制冷主机处理建议

测试期间车站冷负荷已接近设计冷负荷，然而据测试结果来看，制冷机房的供冷能力即使是在峰值也仅达到设计能力的53%，显然不满足环境温度控制的需求。综合测试结果及分析来看，冷水机房供冷能力下降严重是车站环境温度不达标的主要原因之一。

为解决车站温度偏高的问题，建议对车站原定频螺杆制冷主机进行更换，以确保机房的制冷能力。结合地铁通风空调系统逐时冷负荷特性，系统大部分时段都是处于部分负荷运行的状态，因此建议新制冷主机采用部分负荷工况下COP较高的机组以满足节能要求。

3 冷却塔性能分析与处理建议

3.1 冷却塔性能分析

本站采用两台冷却塔，冷却塔布置在地面高风亭顶部，风亭位于城市交通干道旁，距离冷却塔约30m处为轻重餐饮混合的商业建筑群。本站采用的是横流式冷却塔，额定流量为345m3/h，额定电功率为11kW。经现场勘察与分析，发现冷却塔结垢问题、填料老化问题非常严重，散热性能下降严重。上述问题将在很大程度上影响制冷主机的COP，也大幅增加了冷却塔的清洗频率，通风空调系统运行不节能的同时也增加了运营的运维成本。

3.2 冷却塔处理建议

众所周知制冷循环为逆卡诺循环，制冷主机的冷却水供水温度将直接影响到逆卡诺循环制冷系数，而冷却水的供水温度与冷却塔的性能息息相关。换而言之，冷却塔的散热性能已直接影响制冷主机的能效，进而影响通风空调系统的能效。结合地铁运营部门反馈的维护频率，为提升环控系统的能效，建议更换两台冷却塔。

4 空调水泵性能分析与处理建议

4.1 空调水泵性能分析

本站水系统水泵均按两用一备设置，原设备参数如表1所示。

表1 水系统水泵均按两用一备设置参数

本站冷冻水泵和冷却水泵均采用定频运行，图3为测试期间某天的冷冻站设备用电占比情况。可知冷冻水泵和冷却水泵用电量占比接近30%，略高于常规车站的平均水平，具有一定的节能空间。

图3 冷冻站各设备用电占比情况

经对现场水系统管网进行水力计算，当冷冻水供回水温差为5℃时，冷冻水泵的选型扬程约为31.4m，略小于设备配置的35.7m扬程。当冷却水供回水温差为5℃时，冷却水泵的选型扬程约为23.1m，小于设备配置的28.6m扬程。显然空调水泵的扬程配置较实际需求偏大，因此有一定的节能空间。

4.2 空调水泵处理建议

空调冷冻水相比于传统的5℃供回水温差，适当加大供回水温差可有效降低空调水系统输送能耗。冷冻水温差改变前后水泵的流量Q（m3/s）、扬程ΔP（Pa）和功率N（kW）有如下关系：

本次改造中若将空调冷冻水供回水温差调整为7℃后，额定冷冻水流量减少至之前的70%左右，则扬程也将由之前的35.7m下降至20.1m。原空调水泵为定频水泵，冷冻泵直接计算效率为58%、冷却泵直接计算效率为68%，随着一次泵变流量系统在地铁车站中应用的普及，一次泵变流量系统所带来的节能效益越来越受到重视。从节约输送能耗的角度而言，建议对原空调水泵进行更换，同时选用新的高效变频水泵匹配改造后的运行工况。

5 结语

本项目实施过程对制冷主机、冷却塔及空调水泵进行优化和重新选型，目前车站通风空调系统已实现健康、节能运行。环境温度由改造前基本失控到可控，系统运行由手动运行到全自动运行。本项目在解决了温度问题的同时取得了非常好的节能效果，经第三方机构鉴定综合名义年节电率达到45%。