城市轨道交通车站空调系统冷冻水供回水温度方案研究

余珏，梁颖君

（1. 广州地铁设计研究院股份有限公司，广州，510000，2. 广东省汉维科技限公司，广州，510000）

城市轨道交通系统是指服务于城市客运交通，通常以电力为动力，轮轨运行方式为特征的车辆或列车与轨道等各种相关设施的总和。由于其具有运能大、速度快、安全准时、成本低、节约能源、乘坐舒适方便以及能缓解地面交通拥挤和有利于环境保护等优点，受到广大人民群众的喜受，且发展迅速。城市轨道交通由于受到城市周边环境的制约，其车站通常设置于地下，环境封闭，再叠加客流大、人员密集等特点，对室内空气环境要求较高。另地下车站的通风空调系统需兼顾乘客的舒适性与保障车站设备运行所需的工艺环境条件的功能，与常规的民用的舒适性空调或单纯的工艺性空调亦有着显著的不同。

图1 地下车站站厅公共区

城轨空调系统由空调风系统、空调水系统两部分组成。风系统在车站两端分别设置一套相对独立的全空气系统，每套系统设组合式空调器、回排风机、排烟风机、小新风机各一台以及相关风阀，负责一半公共区的通风空调与消防排烟（如图2）。目前，空调风系统其系统配置与设计参数基本能匹配地铁车站的各项功能及节能运行的需求。但空调水系统设备配置、设计参数基本参照常规舒适性空调系统的水系统设计，尤其是其冷冻水的供回水温度方案难以匹配车站内空调热湿环境参数与空调风系统的实际运行需求。同时，由于水温受限，其系统难以实现更高层次的节能运行。因此，十分有必要对冷冻水的供回水温度方案进行重新的优化设计与调整，进一步提高地铁车站的舒适性，降低空调能耗。

图2 地下车站站厅公共区通风空调原理图

1 现有冷冻水的供回水温度方案存在问题

1.1 难以匹配车站内环境参数

常规的舒适性空调主要是为了保障室内人员长期驻留的室内空气品质，其参数标准相对较高，其设计温度约24 ℃～26 ℃。而城市轨道交通的地下车站的环境与办公室及地面建筑的情况不同。乘客从地面通过出入口通道，依次经过集散厅、站台、进入列车车厢，为了给乘客提供一种过渡性环境条件，各区域间的温差不宜太大。对不同区域应有不同的环境控制标准，使乘客的途经区域实现温度的逐渐变化，户外与车站之间必须有合适的温差，车站通风空调大系统需为乘客提供了“过渡性舒适”的乘车环境。为了保证“过渡性舒适”的乘车环境，车站内温湿度较舒适性空调高，且不同区域不同。从表1可以看出。城市轨道交通的室内空气计算参数与常规舒适性空调相差较大，如果一味的采用同一供回水温度，难以保证室内空气温湿度保持在设计范围之内，且节能效果较差。

表1 城轨车站空调与舒适性空调设计参数对比表

1.2 组合式空调器出风参数难以保证

由于国内各大组合式空调器生产商目前产品均为标准产品。其产品均针对市场需求最大的舒适性或工艺性空调进行开发，极少专门针对兼顾舒适性与工艺性的地铁空调开发产品。再加上地铁空调设计师较少关注空调器的内部设计，而直接选用与常规空调同样的7 ℃～12 ℃供回水温度方案，导致地铁公共区的空调参数大多偏离设计值。由式1可以看出，组合式空调器表冷器的所需换热效率系数在进出风温差与进水温度相同的情况下，进风温度越低则所需效率系数越高。而常规空调系统由于进风温度较城轨空调低，因此所需换热面积更大。当应用于此类空调于地铁时，将导致城轨空调出风温度偏低，制冷量加大，进而导致室内温度较设计温度更低。

ε1：所需的换热效率系数；

t1：空气进风温度

t2：空气出风温度

tw1：冷冻水进水温度

为验证理论计算的准确性，选取一台风量为50000 m3/h的组合式空调器，利用其仿真选型软件，计算在冷冻水供回水温度同为7 ℃～12 ℃的情况下的各项参数，并进行比较分析，结果如表2。由表2可知，常规空调系统的设计所需负荷及出风温度与空调器所提供的参数相匹配。但该空调器应用于城轨空调时，其设备所提供参数与设计所需参数偏差较大。将导致空调器出风温度偏低，进而导致车站内温度偏低，无法实现“过渡性”舒适的需求。

表2 城轨车站空调与常规空调空调器参数对比表

1.3 冷水机组能效难以进一步提升

在冷水机组的制冷循环中，蒸发温度主要对应冷冻水供、回水温度的平均温度值。所谓蒸发温度指的就是制冷剂在蒸发器里面蒸发时的温度，同时它也是制冷剂与蒸发压力相对应的饱和温度，其变化对于制冷效率的影响非常的大。基本上蒸发温度每升高1 ℃，同样冷量的输出其功率减少4 %左右。因此，在条件允许的情况下，适当的提高系统的蒸发温度，对于提高冷库制冷系统的效率效果相当明显。图3为国内某知名品牌冷水机组进水水温与能效比关系图。从图3可以看出，进水水温（冷冻水供水温度）越高，冷水机组的能效比越高，节能效果越显著。

图3 冷水机组进水温度与能效比关系图

2 存在误解

目前，通风空调行业内有一种观点认为，冷冻水的供水温度决定了空调器及系统的除湿能力。较高的供水温度无法保证室内的相对湿度。城市轨道交通通风空调设计师秉持此观点的不在少数，部分设计师甚至采取刻意加大空调器的制冷能力来提高系统的除湿能力。实际上决定末端机组室内平衡相对湿度的直接参数是室内热湿负荷，风量和送风相对湿度，仅此而已。水温影响室内平衡空气状态点的含湿量，但是并不影响其相对湿度，原因是当水温升高时，干球温度随着含湿量升高，相互抵消了相对湿度的递增。对于空调器而言，其除湿能力主要受制于其析湿系数。由式2可以看出，空调器析湿系数由空调器的进、出风焓值及进、出风温度决定。因此，可以得出空调器除湿能力与冷冻水温度无关的结论。

h1：空调器进风焓值

h2：空调器出风焓值

cp： 空调比热

t1：空调器进风温度

t2：空调器出风温度

3 优化方案及工程实例验证

3.1 理论计算

综合本文1、2两部分所述，目前城市轨道交通地下车站冷冻水7 ℃～12 ℃供回水温度方案并不适合于实际需求。为了保证车站的室内空气参数，提高空调系统能效，确保系统的节能低碳运行，有必要提升冷冻水的供回水温度。

现以城市轨道交通最常见的6B编组的地下车站为例，其通风空调计算值如表3所示。并以国内某知名品牌组合式空调器（风量53210 m3/h，4排管）选型计算软件进行核算，以得出最优的冷冻水供回水温度。

表3 地下车站通风空调设计参数

由表4模拟计算结果可知：系统采用常规7 ℃供水时，空调器出风温度、制冷量较选型值明显偏大，制冷量更是超过选型制冷量接近50 %。同时，随着冷冻水供水温度的提升，出风温度、制冷量偏差逐步减小。当供水温度由7 ℃提升至11 ℃时，水温偏差降低了2.3 ℃，制冷量偏差率降低了40 %之多。当出水冷冻水进水温度提升至11 ℃（供回水温差5 ℃）时，实际出风温度仅较计算出风温度低0.2 ℃，实际制冷量与计算制冷量偏差仅4.6 %，完全满足设计要求。

表4 不同冷冻水供水温度下通风空调实际参数

综上所述，对于选用各品牌标准组合式空调器的城市轨道交通地下车站空调系统，采用11 ℃～16 ℃的空调供回水温度方案，可保证空调实际出风温度与计算出风温度差值、实际制冷量与计算制冷量偏差最小，进而可确保室内各项室内空气参数与设计值基本保持一致。同时，由于冷水机组进水温度提高，蒸发温度出相应得到提升，进而使冷水机组能效得到了较大提升。

3.2 工程实例验证

以华东某城市一座标准地下车站为实例，对空调系统采用11～16 ℃的空调供回水温度方案进行实际效果验证。该站水系统采用两台某国际知名品牌定频螺杆式冷水机组（165 RT；579.6 kW；电功率105.4 kW；COP=5.5（GB19577-2004一级能效））。2台冷冻水泵、2台冷却水泵、2台横流冷却塔。冷水机组与冷冻、冷却水泵及冷却塔一一对应。公共区与设备区空调系统合用冷源。公共区通风空调系统采用全空调一次回风系统，室内计算参数详见表。采用两台国内知名品牌组合式空调器（风量：55000 m3/h），两台回排风机。

对于本系统采用11 ℃～16 ℃的空调供回水温度方案运行，其夏季某日实际运行参数如下图所示。

由图4可以看出，通过空调节能控制系统的控制，保证冷冻水供水温度基本稳定在11 ℃、供回水温差5 ℃左右。

图4 冷冻水供回水温度变化图

由图5～6可以看出，当冷冻水供回水温度稳定在11～16 ℃时，空调器送风温度与公共区温湿度虽因负荷未完全达到计算负荷，而导致湿度稍有偏低，但整体偏差较小，室内温湿度控制在内允许偏差范围内。尤其是室内相对湿度基本未超过70%的设计值，效果较好。

图5 空调器送风温度变化图

图6 站厅公共区温湿度变化图

当冷水机组进水温度提升至11 ℃后，蒸发温度也得到了较大的提升，进而使机组COP值得到了较大程度的提高（如图7）。冷水机组在运行的绝大多数时段内，能效比均高于5.5的标称值，平均能效比达到6.02，节能效果十分显著。

图7 冷水机组COP值变化图

由于冷水机组能耗占冷水机房（含冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔）能耗80～85 %左右，因此，随着冷水机组能效的提升，整个冷水机房的能效也得到了较大幅度的提升（如图8）。在运行时段内，冷水机房平均能效达到5.14，远超国内冷水机房2.5～3.5左右的平均值。

图8 冷水机房COP值变化图

经华东某标准地下车站通风空调系统实际运行数据显示，11 ℃～16 ℃的冷冻水供回水方案未出现除湿能力不足的不利情况，与实际情况较为匹配。在有效保证地下车站公共的的温湿度需求的同时，极大的提升制冷系统的能效水平，节能效果十分显著。

4 结论

1）由于城市轨道交通的空调系统主要功能为乘客保证“过渡性舒适”的乘车环境，其室内空气计算参数与常规舒适性空调相差较大，如果采用同一供回水温度，存在组合式空调器出风参数及室内环境参数难以保证，冷水机组及系统难以提升的问题。

2）冷冻水的供回水温度与空调器及系统的除湿能力无关，提升供水温度不会导致室内相对湿度提高。

3）通过模拟仿真计算及工程实际验证：城市轨道交通地下车站空调系统采用11 ℃～16 ℃的空调供回水温度方案，可保证空调实际出风温度与计算出风温度差值、实际制冷量与计算制冷量偏差最小，进而可确保室内各项室内空气参数与设计值基本保持一致。同时，冷水机组及系统能效提升明显，具有显著的节能效果。