地铁车站高效空调系统的研究与应用

黄建辉

（深圳地铁运营集团有限公司，广东深圳 518040）

1 前言

地铁作为一种现代化的交通运输工具，具有安全、快捷、舒适、运量大等特点，在分担城市内交通客流、有效缓解路面交通拥挤、促进站城一体化发展方面发挥了重大作用。截至2021年底，国内包括北京、上海、广州、深圳、成都等50 座城市已开通运营城市轨道交通线路283 条，总里程达到9 206.8 km，其中地铁运营线路7 209.7 km[1]。

随着地铁建设规模扩大，能耗问题日益突出。2019年6月13日，国家发改委联合多部门发布《绿色高效制冷行动方案》的通知，明确提出提升绿色高效制冷产品供给，推进节能改造、节能减排等目标的实现。方案总体要求，到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷总体能效水平提升25%以上，绿色高效产品制冷产品市场占有率提高40%以上[2]。

至2021年底，深圳地铁运营线路11 条（不含4 号线和龙华有轨电车），车站总数265 座，总运营里程388 km。根据统计，2021年深圳地铁总电耗约16 亿 kW·h，其中牵引、通风空调、其他（电梯、照明等）能耗占比分别为51.8%、30.7%、17.5%。

在地铁建设中，通风空调系统（简称“环控系统”）为整个地铁空间设备用房和乘车环境提供所需环境（温度、湿度）条件，同时也是高耗能系统。图1是一典型地下车站全年环控系统运行能耗的分布图，其中冷水机组和风机（包含空调柜内风机、空调回排风机、普通送排风机等）的能耗占比较大。因此，通过高效节能的工艺设计对主要耗能设备及其控制系统进行优化，是地铁环控系统的节能重点。

图1 典型车站环控系统能耗分布图

2 环控系统现状与存在的问题

2.1 已开通线路测试

通过科研立项，深圳地铁于2016年委托相关科研单位对深圳地铁1 号、2 号线部分站点进行空调冷源系统能耗测试。本次测试站点包括1 号、2 号线共9 个地下站（2004年—2011年期间先后开通），冷源设置均为大小系统冷源共用，冷却塔均为地面形式。

2.2 测试结果

现场测试得到典型工况下环控系统分项能耗。其中，小系统风机仅包括与空调制冷相关的风机（空调机组及其回排风机、新风机组），不包括纯通风用的送、排风机。

结合冷水机组、水泵、冷却塔、风机等设备的功率测试，计算出各站环控系统的关键指标。其中冷水机组制冷性能系数（COP）为2.3～5.2，冷源能效比（EERr）为2.5～3.9，空调系统能效比（EERs）为1.9～2.4。

测试结果表明，9 座车站空调冷源运行效率普遍较低，经分析存在的典型问题如下。

（1）由于冷水机组按照远期尖峰负荷进行设计选型，额定容量较大，而实际运行中的负荷率往往较低，“大马拉小车”，导致冷水机组COP 偏低。尤其是对于大、小系统共用冷源的车站，夜间小系统运行时仍需开启一台冷水机组，其负荷率、效率更低。

（2）冷水机组的蒸发器、冷凝器换热效果不佳，导致趋近温差偏高，进而蒸发温度偏低、冷凝温度偏高，使得内部制冷效率偏低。而两器换热效果差的常见原因有：蒸发器、冷凝器长期缺乏清洗；压缩机回油不佳，油进入冷凝器、蒸发器，影响换热效果；制冷剂充灌量不足，影响两器换热效果。

（3）冷却塔效率偏低，导致冷却水降温效果差，进而导致冷凝温度偏高、冷却效果较差。冷却塔效率低的常见原因有：冷却水分布不均，并联的冷却塔中某台塔风机关闭但仍有冷却水旁通，冷却塔填料积垢导致换热面积减少，冷却塔气流组织不佳导致风机出口的热湿空气部分回流。

（4）水系统方面，部分车站制冷机房内压力表因安装不当、缺乏维保而读数失真；许多水泵选型不合理，实际工作点明显偏离额定工况点，导致水泵效率较低。

（5）多台冷水机组并联时，系统群控效果不佳，常见问题有：负荷降低时仍保持多台冷水机组同时运行，导致COP 偏低；部分车站的水泵与冷水机组为先并联后串联，当2 台冷水机组中只开启单台机组时，停运机组未关闭对应冷冻水阀门，导致混流，冷站供水温度升高，为不影响末端降温除湿效果，则冷水机组出水温度需进一步降低，最终降低冷水机组效率；多条支路之间水力不平衡，导致各支路冷冻水温差异较大，进而出现掺混损失等现象。

3 高效空调系统技术要求

鉴于传统的中央空调系统设计选型粗放、空调专业与配电及综合监控设计存在脱节、精细化系统调试严重缺失等问题导致系统能耗偏高的现状，高效空调系统的研究与应用势在必行。

高效空调系统旨在利用先进的信息技术，对受控对象按系统进行逐一控制分析，通过系统集中监控软件、数据分析与节能控制软件使受控系统整合优化，达到最佳运行效果，实现地下车站通风空调系统的智能化管理和运行，达到节能减排的目的。

3.1 系统构成

高效空调系统包含高效通风空调设备及高效空调控制系统2 部分。

高效通风空调设备：包含冷水机组（双一级能效）、冷水泵（变频）、冷却水泵（变频）、冷却塔（变频）、自动反冲洗装置、冷凝器胶球自动在线清洗装置，大系统组合式空调机组（变频）、回排风机（变频）、小新风机（变频），柜式风机盘管机组（变频）、风机盘管机组，空调小系统回排风机（变频）等。

高效空调控制系统（简称“智能环控系统”）包括：空调水系统、空调大系统、空调小系统的配电及智能监控，主要包含集中控制柜、节能控制柜（含水系统节能控制柜、大系统节能控制柜、小系统节能控制柜）、数据采集柜、智能手操箱、各类传感器（风系统温湿度传感器、风系统风量传感器、CO2浓度传感器、粉尘检测仪PM2.5、室外气象监测站、水系统温度传感器、电磁流量传感器、水系统压力传感器等）、集中显示屏及配套电脑、动态平衡电动调节阀、压差旁通装置、温度巡检仪、云盒子等设备，配置架构详见图2。

图2 高效空调系统配置架构图

3.2 设计要求

为确保空调系统的高效运行，需在设计阶段进行精细化和深化设计，主要包括：

（1）线路总包设计院需编制、完善环控系统设计导则；

（2）统一各站点冷水机组、水泵、冷却塔之间的匹配系数；

（3）精准计算制冷负荷、风管及水管阻力，冷水机组及配套设备安全系数不宜太大。

3.3 主要设备性能要求

主要设备应满足以下相关要求。

3.3.1 冷水机组

冷水机组在名义工况下的COP 和综合部分负荷性能系数（IPLV）应达到国家标准GB 19577-2015《冷水机组能效限定值及能源效率等级》[3]中“表1能源效率等级指标（一）”中1 级水平，见表1。

表1 冷水机组能效指标

3.3.2 冷却塔

方形横流式冷却塔能效达到GB/T 7190.1-2018《机械通风冷却塔第1 部分：中小型开式冷却塔》[4]标准工况Ⅰ中2 级能效。冷却能力不应小于95.0%，冷却塔喷嘴喷雾压力水阻不大于2 mH2O。

3.3.3 空调水泵

电机在工频下的效率应满足GB 18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》[5]中1 级能效的要求，电机工频运行需提供国家认可的第三方检测机构出具的1 级能效检验报告。电机具有较高的功率因数和效率，满载功率因数不小于0.8，满载效率不低于90%。变频水泵采用的电机能满足在30～50 Hz 频率范围内连续变频运行的要求。

3.3.4 空气处理设备

组合式空调机组送风机采用变频运行，应能保证其在25～50 Hz 范围内高效、稳定运行；工频运行时，机组内总阻力损失不应大于400 Pa（初阻力）；机组风机可采用多台同型号直流无刷电机驱动的风机（EC 风机）并联组合以满足风量要求，且每台风机之间轴心距和风机中心与箱体内表面之间的距离均不得低于1.6 倍叶轮直径。

3.4 能效指标

针对高效空调系统要达到的节能目标，需明确3 个公式：

目前已有针对SCOP 值的明确规范规定，但该规定包括的耗能设备不齐全。因此，高效空调系统拟实现的能效指标采用更为全面的COP机房及TCOP 指标作为评价指标，其中核心设备功率指实际耗电量，并要求中标的总包单位予以实现。经综合考虑设备能效、自控能力、运营水准，具体指标确定如下：

冷水机组选型冷量不大于1 163 kW 的车站：COP机房≥5.0，TCOP ≥3.0；冷水机组选型冷量大于1 163 kW 的车站：COP机房≥5.2，TCOP ≥3.0。

3.5 节能检验方法

3.5.1 节能检验条件

3.5.2 节能检验要求

委托国家级第三方检测机构进行1 个完整的空调制冷季的节能检验（费用由中标总包单位负责并包含在合同总价内）。若检验结果无法满足合同要求则顺延1 个空调制冷季，并由总包单位重新委托国家级第三方检测机构进行节能检验，建设单位采用飞行检验方式。合格的检验结论作为最终验收证书的必要条件，否则按违约条款进行处理。

第三方检验报告主要的测试和评价范围包括：

（1）传感器、仪表计量和标定准确性的审核需由国家级第三方检测机构提供现场标定证书；

（2）为确定节能数据处理过程的有效性，需由国家级第三方检测机构提供现场标定文件或认可文件；

（3）测试方法符合国家标准、规范的要求。

4 高效空调系统实施方案

4.1 试点改造

借鉴广州地铁车陂南站空调系统改造经验，经综合考虑，确定将深圳地铁9 号线南山书城站作为高效空调系统改造示范站，以获取在专业设计、设备采购、安装调试、运营维护等方面的数据与经验，为整线推广提供决策依据。

1） 医师未按照抗菌药物临床应用管理规定开具抗菌药物，主要表现在抗菌药物使用指征不明确及无指征联合用药。

4.1.1 南山书城站基本资料

南山书城站于2019年建成，为独立供冷车站，大系统设计冷负荷706 kW，小系统设计冷负荷574 kW，总冷负荷1 280 kW。冷水机房设置在B 端站厅层，共设置2 台制冷量为689 kW 的冷水机组机组，采用一次泵变流量系统。系统供回水温按5℃（7～12℃）温差设计，水路采用异程式，设置2 台冷冻水泵。（流量130 m3/h，扬程28 m），2 台冷却水泵（流量153 m3/h，扬程30 m）和2 台冷却塔（处理水量186 m3/h），冷冻、冷却水泵变频。

4.1.2 改造内容

（1）优化系统设计，重新校核、变更各系统的水力计算和设备选型。根据冷却水系统阻力精细化计算结果，更换冷却泵2 台（扬程从原设计选型的30 m，优化后变为24 m，相应水泵电机功率从18.5 kW 变化为15 kW）。原设计的冷却塔采用2 台定频电机，更换为永磁同步变频电机，采用直联方式，减少风机皮带轮的维护工作量，提高运行效率和稳定性。

（2）改造节能控制系统。增加各类电柜（箱）5 个（网关1 电箱、网关3 电箱、交换机电箱、节能系统控制柜、临时4G 外网引入设备柜），各类传感器40 个，变频器、室外气象站1 套，对空调系统的运行状况进行全面的检测和控制。

4.1.3 改造效果

经过多轮调试，对整个车站的能效调试达到表2的结果。

表2 深圳地铁南山书城站机房全年综合能效

4.2 推广应用

南山书城站高效冷水机房的示范成果为深圳地铁四期新线高效空调系统的建设提供了宝贵的数据。经相关论证与审批程序，深圳地铁四期工程12 号、13 号、14号、16 号线均统一设置高效空调系统（部分与既有线路换乘站点除外）。除13 号线外，其他线路已于2022年10月至12月陆续开通运行。

根据系统配置参数和调试情况，4 条整线共计91 座车站，预计年耗电量总计为3.15 亿kW·h，而采用传统空调系统的预计年总耗电量为4.6 亿kW·h，节能率为31.5%。按综合电价0.82 元/（kW·h）计算，每年节省电费约1.2 亿元，节能减排和经济效果非常显著。

线路情况及测算数据详见表3。

表3 深圳地铁四期线路高效空调系统统计

根据全寿命周期成本核算，节省的运行费用可在5年内回收全部初投资（包含运营维护成本的降低费用）。

5 结语

为实现地铁空调系统高效运行，需在分析和研究既有系统各项性能指标的基础上，积极落实更加科学有效的节能控制措施和管理手段，以提升空调系统整体运行水平。主要举措包括以下5 个方面。

（1）优化招标模式。将高效通风空调设备与智能控制系统的供货、深化设计、调试、测试集成打包招标，并将COP 机房和TCOP 作为能效评估指标，统一纳入设备合同。该举措有利于解决以往建设过程中责任不清、评估指标不明的问题。

（2）注重深化设计。中标单位及联合体需重点落实水管及风管减阻设计、精准完成阻力计算与设备参数配置、优化风水联动控制策略等工作。

（3）确保安装与调试质量满足合同要求。特别是确保传感器安装位置、风水联动控制、水泵变频控制及电动水阀开度控制等细节须满足要求。

（4）注重运营管理，保证冷水机组、水泵、冷却塔、末端换热设备的维护保养水准并确保设备在最优工况点运行。这是降低空调系统运行能耗的关键。

（5）能效的定量评估与合同条款约束是实现高效运行目标的必要措施。