廈門(mén)地鐵典型車(chē)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(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗造成明顯影響。過(guò)去的研究缺乏不同冷卻塔運(yùn)行方案長(zhǎng)周期能耗分析和考慮地鐵車(chē)站空調(diào)負(fù)荷與地上建筑差異性的針對(duì)性研究。選取廈門(mén)地鐵典型車(chē)站，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了全年逐時(shí)能耗分析模型。模型的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際能耗數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明：模型預(yù)測(cè)精度滿(mǎn)足分析要求，計(jì)算誤差為5.09%。利用分析模型對(duì)3種常見(jiàn)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(shí)刻及制冷季長(zhǎng)周期的節(jié)能潛力。綜合成本和效益，廈門(mén)地鐵典型車(chē)站宜采用冷卻塔臺(tái)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(chē)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(gè)城市重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施。截至2020年底，我國(guó)共有45個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路244條，總長(zhǎng)度7969.7km[1]。我國(guó)已成為世界上城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路最長(zhǎng)的國(guó)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(yíng)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(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)行能耗的相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(chē)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(guó)內(nèi)地鐵車(chē)站一般采用一機(jī)對(duì)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(guò)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(duì)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(shí)刻的節(jié)能量[7]。過(guò)去的研究仍存在以下不足：

　　1)運(yùn)行方案的節(jié)能特性對(duì)比多以典型時(shí)刻、典型日負(fù)荷情況進(jìn)行分析，缺少長(zhǎng)時(shí)間多負(fù)荷工況分析。2)研究對(duì)象以辦公建筑、醫(yī)院建筑等地上建筑為主，缺少針對(duì)地鐵車(chē)站負(fù)荷特性的冷卻塔運(yùn)行方案研究。地鐵車(chē)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(yáng)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(gè)空調(diào)季的角度，地鐵車(chē)站選取什么樣的運(yùn)行方案是一個(gè)非常值得研究的問(wèn)題。

　　本文選取廈門(mén)地鐵典型車(chē)站，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)空調(diào)負(fù)荷和設(shè)備性能參數(shù)，建立逐時(shí)能耗分析模型，以空調(diào)季長(zhǎng)周期為時(shí)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(chē)站冷卻塔運(yùn)行方案的合理選擇提供參考。該計(jì)算模型和分析思路也可為其他氣候區(qū)地鐵車(chē)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(chǎng)測(cè)試

　　本文分析對(duì)象為廈門(mén)地鐵典型車(chē)站(地下島式2層，非換乘站)，車(chē)站選用2臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組負(fù)擔(dān)車(chē)站大、小系統(tǒng)的冷負(fù)荷，同時(shí)配置2臺(tái)冷卻水泵和2臺(tái)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(tái)的溫度通過(guò)建筑物自動(dòng)控制系統(tǒng)(BAS)控制在27℃。筆者所在課題組在該車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算得到夏季長(zhǎng)周期逐時(shí)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(shí)間穩(wěn)定在600kW左右，夜間大部分時(shí)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(dòng)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(guò)渡季時(shí)采用全新風(fēng)運(yùn)行及車(chē)站客流尚未達(dá)到遠(yuǎn)期等原因，負(fù)荷在500kW以下的時(shí)間占比達(dá)到了77.25%，超過(guò)500kW的時(shí)間僅占22.75%，即全年絕大部分時(shí)間僅需開(kāi)啟單臺(tái)冷水機(jī)組。小于單臺(tái)冷水機(jī)組50%負(fù)載率(265kW)的冷負(fù)荷時(shí)間占比為38.57%，這些時(shí)間冷水機(jī)組運(yùn)行處于大馬拉小車(chē)的狀態(tài)。從負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表可以看到，地鐵車(chē)站空調(diào)負(fù)荷分布在一個(gè)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(huì)有較為明顯的差異。

　　3逐時(shí)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(duì)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(shí)能耗分析模型。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)渌畽C(jī)組的功率、冷水流量、冷水供回水溫度，可以計(jì)算得到實(shí)測(cè)制冷量和實(shí)測(cè)COP。通過(guò)讀取冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，可以計(jì)算得到實(shí)測(cè)ICOP。

　　利用實(shí)測(cè)COP和實(shí)測(cè)ICOP，可以計(jì)算出實(shí)測(cè)DCOP。同時(shí)記錄多組測(cè)試工況的負(fù)載率數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)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(duì)本文研究對(duì)象的車(chē)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(duì)于模擬工況，該參數(shù)不可直接獲得，需要通過(guò)計(jì)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(jì)算是整個(gè)建模計(jì)算的核心。冷卻塔出水溫度無(wú)法通過(guò)單次簡(jiǎn)單計(jì)算得到，需要進(jìn)行迭代計(jì)算。

　　對(duì)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(jì)算得到冷卻塔風(fēng)量;2)根據(jù)冷卻水泵運(yùn)行頻率，計(jì)算得到冷卻水量;3)根據(jù)冷卻塔風(fēng)量和冷卻水量，計(jì)算得到冷卻塔效率;4)根據(jù)室外濕球溫度，設(shè)定一個(gè)初始的冷卻塔進(jìn)水溫度，根據(jù)冷卻塔效率計(jì)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(jì)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(jì)算得到蒸發(fā)溫度;7)根據(jù)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，計(jì)算得到冷水機(jī)組ICOP;8)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算冷水機(jī)組負(fù)載率，進(jìn)而計(jì)算得到冷水機(jī)組DCOP;9)根據(jù)冷水機(jī)組ICOP和DCOP，計(jì)算得到COP;10)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷和COP，計(jì)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(jì)算出新的冷卻塔進(jìn)水溫度;12)迭代計(jì)算，直至冷卻塔進(jìn)水溫度不再變化。

　　4逐時(shí)能耗分析模型驗(yàn)證

　　本文運(yùn)用逐時(shí)能耗分析模型對(duì)典型車(chē)站能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，將逐時(shí)能耗分析模型的計(jì)算結(jié)果與車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行能耗進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證能耗模型的準(zhǔn)確性。該典型車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)采用一機(jī)對(duì)一泵對(duì)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(jì)算的冷卻塔+冷卻水泵+冷水機(jī)組的總能耗與實(shí)際運(yùn)行能耗的計(jì)算誤差為5.09%，其中冷卻塔能耗計(jì)算誤差為1.36%，冷卻水泵能耗計(jì)算誤差為2.10%，冷水機(jī)組能耗計(jì)算誤差為5.84%。冷卻塔、冷卻水泵等定頻設(shè)備能耗計(jì)算誤差產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?/p>

　　1)模擬過(guò)程中的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間與實(shí)際人為操作的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間存在略微差異;2)模擬過(guò)程中，根據(jù)負(fù)荷判斷的冷水機(jī)組開(kāi)啟臺(tái)數(shù)與實(shí)際的冷水機(jī)組開(kāi)啟臺(tái)數(shù)存在差異;3)地鐵車(chē)站電壓波動(dòng)和電表精度等對(duì)計(jì)算產(chǎn)生的影響。對(duì)比實(shí)際能耗，冷卻塔、冷卻水泵和冷水機(jī)組的總能耗和各分項(xiàng)能耗模型計(jì)算誤差均較小，表明逐時(shí)能耗分析模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冷卻塔不同運(yùn)行方案的實(shí)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(duì)一泵對(duì)一塔，冷卻塔與冷水機(jī)組一一對(duì)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(duì)一泵對(duì)二塔，無(wú)論開(kāi)啟1臺(tái)/2臺(tái)冷水機(jī)組，冷卻塔均全部開(kāi)啟，定頻運(yùn)行。方案3：一機(jī)對(duì)一泵對(duì)二塔，無(wú)論開(kāi)啟1臺(tái)/2臺(tái)冷水機(jī)組，冷卻塔全開(kāi)+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(jì)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(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單，按無(wú)成本考慮。針對(duì)該典型車(chē)站，方案3的成本造價(jià)約為3.42萬(wàn)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。可以看出：

　　1)從工況1和2可見(jiàn)，冷負(fù)荷小于單臺(tái)冷水機(jī)組50%負(fù)載率(265kW)時(shí)，冷卻塔實(shí)際散熱量遠(yuǎn)小于單臺(tái)塔的額定散熱量，1臺(tái)冷卻塔即可滿(mǎn)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(jiàn)，冷負(fù)荷處于單臺(tái)冷水機(jī)組50%~90%負(fù)載率工況下，多開(kāi)1臺(tái)冷卻塔和多臺(tái)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(shí)，節(jié)能率較高，此時(shí)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(jiàn)，冷負(fù)荷大于單臺(tái)冷水機(jī)組90%負(fù)載率工況下，3種方案均開(kāi)啟2臺(tái)冷卻塔，大部分情況下3種方案的運(yùn)行能耗并無(wú)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(guò)去相關(guān)文章分析得到的冷卻塔典型時(shí)刻節(jié)能潛力4.21%~13.23%[5,7]接近。

　　6結(jié)論

　　本文選取廈門(mén)地鐵典型車(chē)站作為研究對(duì)象，跟蹤了其長(zhǎng)期的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷和設(shè)備運(yùn)行能耗情況。在實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論建模的方式，建立了一套逐時(shí)能耗分析模型，對(duì)不同冷卻塔運(yùn)行方案的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能耗進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果來(lái)看，模型的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)累計(jì)能耗數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行累計(jì)能耗數(shù)據(jù)的計(jì)算誤差較小(5.09%)，能夠較好地預(yù)測(cè)冷水機(jī)組及冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。根據(jù)地鐵車(chē)站的實(shí)際負(fù)荷情況和設(shè)備能效情況，對(duì)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(mén)地鐵車(chē)站不同冷卻塔運(yùn)行方案典型時(shí)刻節(jié)能效益差距較大(可達(dá)8.9%)，但是從供冷季長(zhǎng)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(zhǎng)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(mén)地鐵車(chē)站采用方案2冷卻塔全開(kāi)+定頻相對(duì)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(shí)負(fù)荷進(jìn)行長(zhǎng)周期分析。

　　4)伴隨著精細(xì)化的運(yùn)營(yíng)管理，宜根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際負(fù)荷特點(diǎn)和設(shè)備實(shí)際性能對(duì)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(chē)站建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、空調(diào)系統(tǒng)方案均類(lèi)似，該分析結(jié)果對(duì)于整個(gè)夏熱冬暖地區(qū)的地下標(biāo)準(zhǔn)車(chē)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(duì)于采用冷卻水泵變頻及冷卻塔變頻的車(chē)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(shí)能耗分析模型及分析思路，可以進(jìn)一步用于分析國(guó)內(nèi)其他地區(qū)和其他類(lèi)型的地鐵車(chē)站、甚至是非地鐵車(chē)站類(lèi)項(xiàng)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(jì)方案選取和實(shí)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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