廈門地鐵典型車站冷卻塔運行方案優(yōu)化分析

　　摘要：冷卻塔是空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，其運行方案會對系統(tǒng)運行能耗造成明顯影響。過去的研究缺乏不同冷卻塔運行方案長周期能耗分析和考慮地鐵車站空調(diào)負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種常見冷卻塔運行方案的運行能耗進行了分析，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，冷卻塔變頻運行方案的經(jīng)濟性一般。

　　關(guān)鍵詞：地鐵車站;冷卻塔;運行方案;能耗;效益;經(jīng)濟性

　　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營線路最長的國家。地鐵運行能耗占運輸總能耗的比例高達35%[2]，運行能耗費用占運營成本的比例達10%[1]，地鐵運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)地鐵運行能耗的相關(guān)統(tǒng)計分析，通風空調(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)，這一比例甚至可達到40%左右[3]，如何降低地鐵車站通風空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗具有重要的研究意義。冷卻塔為地鐵通風空調(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對一塔且冷卻塔風機定頻運行方案，其運行方案的優(yōu)化是過去普遍被忽略的環(huán)節(jié)。

　　在常規(guī)公共建筑中，冷卻塔運行方案有多種，哪種運行方案最優(yōu)，相關(guān)學者進行了大量相關(guān)的研究：劉加根等人研究了辦公建筑冷卻塔運行策略對能耗的影響[4];李方圓研究了主機和冷卻塔綜合能耗最低的冷卻塔溫度最優(yōu)控制算法運行方案[5];高鵬等人研究了辦公建筑冷卻塔變頻運行方案典型日節(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)運行方案的節(jié)能特性對比多以典型時刻、典型日負荷情況進行分析，缺少長時間多負荷工況分析。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荷特性的冷卻塔運行方案研究。地鐵車站的負荷特點與常規(guī)地上建筑有較大差異[8]，如夜間仍有小系統(tǒng)負荷、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)濟性分析。從整個空調(diào)季的角度，地鐵車站選取什么樣的運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，分析不同冷卻塔運行方案的節(jié)能和經(jīng)濟效益，為夏熱冬暖地區(qū)地鐵車站冷卻塔運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)負荷具有特殊性的建筑的冷卻塔運行方案選擇和優(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組負擔車站大、小系統(tǒng)的冷負荷，同時配置2臺冷卻水泵和2臺冷卻塔。冷卻塔運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，不再贅述。

　　2空調(diào)負荷

　　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)負荷及室外濕球溫度。其中負荷最高日為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)負荷呈一定程度的相關(guān)性，但由于空調(diào)負荷還與小系統(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)負荷并不完全一致。

　　由于夜間小系統(tǒng)運行、接近過渡季時采用全新風運行及車站客流尚未達到遠期等原因，負荷在500kW以下的時間占比達到了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組。小于單臺冷水機組50%負載率(265kW)的冷負荷時間占比為38.57%，這些時間冷水機組運行處于大馬拉小車的狀態(tài)。從負荷統(tǒng)計表可以看到，地鐵車站空調(diào)負荷分布在一個比較寬的區(qū)間內(nèi)，在不同的負荷工況下，不同的冷卻塔運行方案，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組運行效率有較強的耦合關(guān)系。因此對冷卻塔運行方案分析應(yīng)綜合考慮冷卻塔、冷卻水泵和冷水機組三者能耗。本文建立不同運行方案下冷卻塔、冷卻水泵和冷水機組耦合的逐時能耗分析模型。通過現(xiàn)場測試冷水機組的功率、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，包括冷卻塔風機頻率、冷水機組負載率、冷水機組效率、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，需要進行迭代計算。

　　對于某特定冷卻塔運行頻率、空調(diào)負荷、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)冷卻塔的運行頻率，計算得到冷卻塔風量;2)根據(jù)冷卻水泵運行頻率，計算得到冷卻水量;3)根據(jù)冷卻塔風量和冷卻水量，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，計算得到冷水機組ICOP;8)根據(jù)空調(diào)負荷計算冷水機組負載率，進而計算得到冷水機組DCOP;9)根據(jù)冷水機組ICOP和DCOP，計算得到COP;10)根據(jù)空調(diào)負荷和COP，計算得到冷水機組能耗;11)根據(jù)冷卻水系統(tǒng)熱量平衡，計算出新的冷卻塔進水溫度;12)迭代計算，直至冷卻塔進水溫度不再變化。

　　4逐時能耗分析模型驗證

　　本文運用逐時能耗分析模型對典型車站能耗數(shù)據(jù)進行計算分析，將逐時能耗分析模型的計算結(jié)果與車站現(xiàn)場實際運行能耗進行對比分析，驗證能耗模型的準確性。該典型車站現(xiàn)場采用一機對一泵對一塔、冷卻塔定頻運行方案，冷卻塔隨冷水機組連鎖啟停。模型計算的冷卻塔+冷卻水泵+冷水機組的總能耗與實際運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)機時間與實際人為操作的開關(guān)機時間存在略微差異;2)模擬過程中，根據(jù)負荷判斷的冷水機組開啟臺數(shù)與實際的冷水機組開啟臺數(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確預(yù)測冷卻塔不同運行方案的實際運行能耗水平。

　　5冷卻塔方案效益分析

　　5.1冷卻塔運行方案

　　本文主要考慮3種目前主流的冷卻塔運行方案：方案1：一機對一泵對一塔，冷卻塔與冷水機組一一對應(yīng)，冷卻塔隨冷水機組連鎖啟停，冷卻塔定頻運行。方案2：一機對一泵對二塔，無論開啟1臺/2臺冷水機組，冷卻塔均全部開啟，定頻運行。方案3：一機對一泵對二塔，無論開啟1臺/2臺冷水機組，冷卻塔全開+變頻控制運行，變頻控制的策略為定冷卻塔出水溫度逼近度1.5℃。其他更細化的運行方案，也可以根據(jù)本文建立的計算模型進行分析。5.2投資成本差異冷卻塔3種運行方案，從成本上來說，主要差異在是否設(shè)置風機變頻控制系統(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，冷負荷小于單臺冷水機組50%負載率(265kW)時，冷卻塔實際散熱量遠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，冷負荷處于單臺冷水機組50%~90%負載率工況下，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，提高冷水機組制冷性能，降低冷水機組能耗，方案2和方案3的節(jié)能率隨負載率逐漸上升，在接近90%負載率時，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，冷負荷大于單臺冷水機組90%負載率工況下，3種方案均開啟2臺冷卻塔，大部分情況下3種方案的運行能耗并無明顯差別。冷卻塔變頻運行節(jié)能潛力在典型工況下高值可達到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)實際負荷和設(shè)備運行能耗情況。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，對不同冷卻塔運行方案的長時間運行能耗進行了分析。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)測冷水機組及冷卻水系統(tǒng)的運行能耗。根據(jù)地鐵車站的實際負荷情況和設(shè)備能效情況，對3種主流冷卻塔運行方案的運行效益和經(jīng)濟成本進行了分析，結(jié)果表明：

　　1)廈門地鐵車站不同冷卻塔運行方案典型時刻節(jié)能效益差距較大(可達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，不同運行方案的綜合運行能耗大小為：方案3<方案2<方案1，方案3冷卻塔變頻運行的節(jié)能效益最大，但其投資回收期約為7.4a，經(jīng)濟性一般，方案2和方案1的經(jīng)濟性均較好，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)冷卻塔運行方案的節(jié)能潛力分析應(yīng)結(jié)合全年逐時負荷進行長周期分析。

　　4)伴隨著精細化的運營管理，宜根據(jù)項目實際負荷特點和設(shè)備實際性能對冷卻塔運行方案進行不斷優(yōu)化，由于標準地鐵車站建筑結(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)的地下標準車站冷卻塔運行方案的選擇和優(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)本文模型分析其運行節(jié)能潛力。該逐時能耗分析模型及分析思路，可以進一步用于分析國內(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行方案的運行效果，從而指導(dǎo)通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案選取和實際運行方案制定和優(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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