廈門地鐵典型車站冷卻塔運(yùn)行方案優(yōu)化分析

　　摘要：冷卻塔是空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行方案會對系統(tǒng)運(yùn)行能耗造成明顯影響。過去的研究缺乏不同冷卻塔運(yùn)行方案長周期能耗分析和考慮地鐵車站空調(diào)負(fù)荷與地上建筑差異性的針對性研究。選取廈門地鐵典型車站，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，建立了全年逐時能耗分析模型。模型的長期預(yù)測數(shù)據(jù)與實際能耗數(shù)據(jù)的對比驗證結(jié)果表明：模型預(yù)測精度滿足分析要求，計算誤差為5.09%。利用分析模型對3種常見冷卻塔運(yùn)行方案的運(yùn)行能耗進(jìn)行了分析，得到了不同方案典型時刻及制冷季長周期的節(jié)能潛力。綜合成本和效益，廈門地鐵典型車站宜采用冷卻塔臺數(shù)靈活控制方案，冷卻塔變頻運(yùn)行方案的經(jīng)濟(jì)性一般。

　　關(guān)鍵詞：地鐵車站;冷卻塔;運(yùn)行方案;能耗;效益;經(jīng)濟(jì)性

　　引言

　　隨著城市的快速發(fā)展，地鐵已逐漸成為一個城市重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施。截至2020年底，我國共有45個城市開通城市軌道交通，運(yùn)營線路244條，總長度7969.7km[1]。我國已成為世界上城市軌道交通運(yùn)營線路最長的國家。地鐵運(yùn)行能耗占運(yùn)輸總能耗的比例高達(dá)35%[2]，運(yùn)行能耗費(fèi)用占運(yùn)營成本的比例達(dá)10%[1]，地鐵運(yùn)行能耗高已成為制約地鐵發(fā)展的重要因素之一。

　　根據(jù)國內(nèi)地鐵運(yùn)行能耗的相關(guān)統(tǒng)計分析，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占地鐵總能耗的比例通常為25%~35%，在濕熱地區(qū)，這一比例甚至可達(dá)到40%左右[3]，如何降低地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗具有重要的研究意義。冷卻塔為地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的重要組成部分，目前國內(nèi)地鐵車站一般采用一機(jī)對一塔且冷卻塔風(fēng)機(jī)定頻運(yùn)行方案，其運(yùn)行方案的優(yōu)化是過去普遍被忽略的環(huán)節(jié)。

　　在常規(guī)公共建筑中，冷卻塔運(yùn)行方案有多種，哪種運(yùn)行方案最優(yōu)，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)的研究：劉加根等人研究了辦公建筑冷卻塔運(yùn)行策略對能耗的影響[4];李方圓研究了主機(jī)和冷卻塔綜合能耗最低的冷卻塔溫度最優(yōu)控制算法運(yùn)行方案[5];高鵬等人研究了辦公建筑冷卻塔變頻運(yùn)行方案典型日節(jié)能效果[6];劉驍?shù)热搜芯苛酸t(yī)院冷卻塔變頻運(yùn)行方案典型時刻的節(jié)能量[7]。過去的研究仍存在以下不足：

　　1)運(yùn)行方案的節(jié)能特性對比多以典型時刻、典型日負(fù)荷情況進(jìn)行分析，缺少長時間多負(fù)荷工況分析。2)研究對象以辦公建筑、醫(yī)院建筑等地上建筑為主，缺少針對地鐵車站負(fù)荷特性的冷卻塔運(yùn)行方案研究。地鐵車站的負(fù)荷特點(diǎn)與常規(guī)地上建筑有較大差異[8]，如夜間仍有小系統(tǒng)負(fù)荷、地下空間蓄熱和受太陽輻射影響小等。3)側(cè)重節(jié)能分析而普遍缺少經(jīng)濟(jì)性分析。從整個空調(diào)季的角度，地鐵車站選取什么樣的運(yùn)行方案是一個非常值得研究的問題。

　　本文選取廈門地鐵典型車站，根據(jù)現(xiàn)場實測空調(diào)負(fù)荷和設(shè)備性能參數(shù)，建立逐時能耗分析模型，以空調(diào)季長周期為時間尺度，分析不同冷卻塔運(yùn)行方案的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益，為夏熱冬暖地區(qū)地鐵車站冷卻塔運(yùn)行方案的合理選擇提供參考。該計算模型和分析思路也可為其他氣候區(qū)地鐵車站建筑乃至其他空調(diào)負(fù)荷具有特殊性的建筑的冷卻塔運(yùn)行方案選擇和優(yōu)化提供參考。

　　1空調(diào)系統(tǒng)及現(xiàn)場測試

　　本文分析對象為廈門地鐵典型車站(地下島式2層，非換乘站)，車站選用2臺水冷螺桿式冷水機(jī)組負(fù)擔(dān)車站大、小系統(tǒng)的冷負(fù)荷，同時配置2臺冷卻水泵和2臺冷卻塔。冷卻塔運(yùn)行策略并不影響冷水側(cè)及空調(diào)末端能耗，非本文分析重點(diǎn)，不再贅述。

　　2空調(diào)負(fù)荷

　　空調(diào)季站臺的溫度通過建筑物自動控制系統(tǒng)(BAS)控制在27℃。筆者所在課題組在該車站現(xiàn)場布置冷水流量、供回水溫度及室外溫濕度傳感器，根據(jù)傳感器實時記錄的數(shù)據(jù)計算得到夏季長周期逐時空調(diào)負(fù)荷及室外濕球溫度。其中負(fù)荷最高日為8月26日，白天大部分時間穩(wěn)定在600kW左右，夜間大部分時間穩(wěn)定在200kW左右;室外濕球溫度與空調(diào)負(fù)荷呈一定程度的相關(guān)性，但由于空調(diào)負(fù)荷還與小系統(tǒng)發(fā)熱量、客流高峰(如“十一”假期)等相關(guān)，室外濕球溫度的波動規(guī)律與空調(diào)負(fù)荷并不完全一致。

　　由于夜間小系統(tǒng)運(yùn)行、接近過渡季時采用全新風(fēng)運(yùn)行及車站客流尚未達(dá)到遠(yuǎn)期等原因，負(fù)荷在500kW以下的時間占比達(dá)到了77.25%，超過500kW的時間僅占22.75%，即全年絕大部分時間僅需開啟單臺冷水機(jī)組。小于單臺冷水機(jī)組50%負(fù)載率(265kW)的冷負(fù)荷時間占比為38.57%，這些時間冷水機(jī)組運(yùn)行處于大馬拉小車的狀態(tài)。從負(fù)荷統(tǒng)計表可以看到，地鐵車站空調(diào)負(fù)荷分布在一個比較寬的區(qū)間內(nèi)，在不同的負(fù)荷工況下，不同的冷卻塔運(yùn)行方案，其表現(xiàn)可能會有較為明顯的差異。

　　3逐時能耗分析模型

　　冷卻塔頻率控制、冷卻水泵頻率控制和冷水機(jī)組運(yùn)行效率有較強(qiáng)的耦合關(guān)系。因此對冷卻塔運(yùn)行方案分析應(yīng)綜合考慮冷卻塔、冷卻水泵和冷水機(jī)組三者能耗。本文建立不同運(yùn)行方案下冷卻塔、冷卻水泵和冷水機(jī)組耦合的逐時能耗分析模型。通過現(xiàn)場測試?yán)渌畽C(jī)組的功率、冷水流量、冷水供回水溫度，可以計算得到實測制冷量和實測COP。通過讀取冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，可以計算得到實測ICOP。

　　利用實測COP和實測ICOP，可以計算出實測DCOP。同時記錄多組測試工況的負(fù)載率數(shù)據(jù)及對應(yīng)的實測DCOP，根據(jù)式(12)擬合得到DCOP的二次函數(shù)關(guān)系式的模型常數(shù)。針對本文研究對象的車站，擬合得到=0.1669，=-0.00183，=0.26133。

　　冷卻塔出水溫度直接影響冷凝溫度，從而影響冷水機(jī)組效率。對于模擬工況，該參數(shù)不可直接獲得，需要通過計算得到。冷卻塔出水溫度受到多因素影響，包括冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率、冷水機(jī)組負(fù)載率、冷水機(jī)組效率、室外濕球溫度等，其計算是整個建模計算的核心。冷卻塔出水溫度無法通過單次簡單計算得到，需要進(jìn)行迭代計算。

　　對于某特定冷卻塔運(yùn)行頻率、空調(diào)負(fù)荷、冷水出水溫度設(shè)定值和室外濕球溫度，具體迭代思路如下：1)根據(jù)冷卻塔的運(yùn)行頻率，計算得到冷卻塔風(fēng)量;2)根據(jù)冷卻水泵運(yùn)行頻率，計算得到冷卻水量;3)根據(jù)冷卻塔風(fēng)量和冷卻水量，計算得到冷卻塔效率;4)根據(jù)室外濕球溫度，設(shè)定一個初始的冷卻塔進(jìn)水溫度，根據(jù)冷卻塔效率計算得到冷卻塔出水溫度;5)根據(jù)冷卻塔出水溫度和冷凝器趨近溫度，計算得到冷凝溫度。

　　6)根據(jù)冷水機(jī)組出水溫度設(shè)定值和蒸發(fā)器趨近溫度，計算得到蒸發(fā)溫度;7)根據(jù)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，計算得到冷水機(jī)組ICOP;8)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷計算冷水機(jī)組負(fù)載率，進(jìn)而計算得到冷水機(jī)組DCOP;9)根據(jù)冷水機(jī)組ICOP和DCOP，計算得到COP;10)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷和COP，計算得到冷水機(jī)組能耗;11)根據(jù)冷卻水系統(tǒng)熱量平衡，計算出新的冷卻塔進(jìn)水溫度;12)迭代計算，直至冷卻塔進(jìn)水溫度不再變化。

　　4逐時能耗分析模型驗證

　　本文運(yùn)用逐時能耗分析模型對典型車站能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，將逐時能耗分析模型的計算結(jié)果與車站現(xiàn)場實際運(yùn)行能耗進(jìn)行對比分析，驗證能耗模型的準(zhǔn)確性。該典型車站現(xiàn)場采用一機(jī)對一泵對一塔、冷卻塔定頻運(yùn)行方案，冷卻塔隨冷水機(jī)組連鎖啟停。模型計算的冷卻塔+冷卻水泵+冷水機(jī)組的總能耗與實際運(yùn)行能耗的計算誤差為5.09%，其中冷卻塔能耗計算誤差為1.36%，冷卻水泵能耗計算誤差為2.10%，冷水機(jī)組能耗計算誤差為5.84%。冷卻塔、冷卻水泵等定頻設(shè)備能耗計算誤差產(chǎn)生的主要原因為：

　　1)模擬過程中的開關(guān)機(jī)時間與實際人為操作的開關(guān)機(jī)時間存在略微差異;2)模擬過程中，根據(jù)負(fù)荷判斷的冷水機(jī)組開啟臺數(shù)與實際的冷水機(jī)組開啟臺數(shù)存在差異;3)地鐵車站電壓波動和電表精度等對計算產(chǎn)生的影響。對比實際能耗，冷卻塔、冷卻水泵和冷水機(jī)組的總能耗和各分項能耗模型計算誤差均較小，表明逐時能耗分析模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測冷卻塔不同運(yùn)行方案的實際運(yùn)行能耗水平。

　　5冷卻塔方案效益分析

　　5.1冷卻塔運(yùn)行方案

　　本文主要考慮3種目前主流的冷卻塔運(yùn)行方案：方案1：一機(jī)對一泵對一塔，冷卻塔與冷水機(jī)組一一對應(yīng)，冷卻塔隨冷水機(jī)組連鎖啟停，冷卻塔定頻運(yùn)行。方案2：一機(jī)對一泵對二塔，無論開啟1臺/2臺冷水機(jī)組，冷卻塔均全部開啟，定頻運(yùn)行。方案3：一機(jī)對一泵對二塔，無論開啟1臺/2臺冷水機(jī)組，冷卻塔全開+變頻控制運(yùn)行，變頻控制的策略為定冷卻塔出水溫度逼近度1.5℃。其他更細(xì)化的運(yùn)行方案，也可以根據(jù)本文建立的計算模型進(jìn)行分析。5.2投資成本差異冷卻塔3種運(yùn)行方案，從成本上來說，主要差異在是否設(shè)置風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)。方案1和方案2控制簡單，按無成本考慮。針對該典型車站，方案3的成本造價約為3.42萬元。

　　選擇一些典型工況，進(jìn)一步分析冷卻塔不同方案的優(yōu)劣�？梢钥闯觯�

　　1)從工況1和2可見，冷負(fù)荷小于單臺冷水機(jī)組50%負(fù)載率(265kW)時，冷卻塔實際散熱量遠(yuǎn)小于單臺塔的額定散熱量，1臺冷卻塔即可滿足散熱要求，方案2和方案3的節(jié)能率均較低;2)從工況3~5可見，冷負(fù)荷處于單臺冷水機(jī)組50%~90%負(fù)載率工況下，多開1臺冷卻塔和多臺冷卻塔變頻可以提高散熱能力，降低冷卻水出水溫度，提高冷水機(jī)組制冷性能，降低冷水機(jī)組能耗，方案2和方案3的節(jié)能率隨負(fù)載率逐漸上升，在接近90%負(fù)載率時，節(jié)能率較高，此時方案2節(jié)能率為8.34%，方案3節(jié)能率為8.87%;3)從工況6~10可見，冷負(fù)荷大于單臺冷水機(jī)組90%負(fù)載率工況下，3種方案均開啟2臺冷卻塔，大部分情況下3種方案的運(yùn)行能耗并無明顯差別。冷卻塔變頻運(yùn)行節(jié)能潛力在典型工況下高值可達(dá)到8.87%，與過去相關(guān)文章分析得到的冷卻塔典型時刻節(jié)能潛力4.21%~13.23%[5,7]接近。

　　6結(jié)論

　　本文選取廈門地鐵典型車站作為研究對象，跟蹤了其長期的空調(diào)系統(tǒng)實際負(fù)荷和設(shè)備運(yùn)行能耗情況。在實際測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過理論建模的方式，建立了一套逐時能耗分析模型，對不同冷卻塔運(yùn)行方案的長時間運(yùn)行能耗進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果來看，模型的長期預(yù)測累計能耗數(shù)據(jù)與實際運(yùn)行累計能耗數(shù)據(jù)的計算誤差較小(5.09%)，能夠較好地預(yù)測冷水機(jī)組及冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。根據(jù)地鐵車站的實際負(fù)荷情況和設(shè)備能效情況，對3種主流冷卻塔運(yùn)行方案的運(yùn)行效益和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

　　1)廈門地鐵車站不同冷卻塔運(yùn)行方案典型時刻節(jié)能效益差距較大(可達(dá)8.9%)，但是從供冷季長周期看節(jié)能效益差別并不明顯，在1.3%~3.8%;2)從供冷季長周期角度，不同運(yùn)行方案的綜合運(yùn)行能耗大小為：方案3<方案2<方案1，方案3冷卻塔變頻運(yùn)行的節(jié)能效益最大，但其投資回收期約為7.4a，經(jīng)濟(jì)性一般，方案2和方案1的經(jīng)濟(jì)性均較好，方案2的節(jié)能效益優(yōu)于方案1，廈門地鐵車站采用方案2冷卻塔全開+定頻相對合理;3)冷卻塔運(yùn)行方案的節(jié)能潛力分析應(yīng)結(jié)合全年逐時負(fù)荷進(jìn)行長周期分析。

　　4)伴隨著精細(xì)化的運(yùn)營管理，宜根據(jù)項目實際負(fù)荷特點(diǎn)和設(shè)備實際性能對冷卻塔運(yùn)行方案進(jìn)行不斷優(yōu)化，由于標(biāo)準(zhǔn)地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、空調(diào)系統(tǒng)方案均類似，該分析結(jié)果對于整個夏熱冬暖地區(qū)的地下標(biāo)準(zhǔn)車站冷卻塔運(yùn)行方案的選擇和優(yōu)化有一定的參考意義;5)對于采用冷卻水泵變頻及冷卻塔變頻的車站，也可按照預(yù)設(shè)的控制策略，根據(jù)本文模型分析其運(yùn)行節(jié)能潛力。該逐時能耗分析模型及分析思路，可以進(jìn)一步用于分析國內(nèi)其他地區(qū)和其他類型的地鐵車站、甚至是非地鐵車站類項目的冷卻塔不同運(yùn)行方案的運(yùn)行效果，從而指導(dǎo)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案選取和實際運(yùn)行方案制定和優(yōu)化。

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　　作者：劉曉亮1☆楊卓2裴江林1李韶光2李曉鋒3△

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