地铁车站直膨式空调冷却水系统变流量控制的节能分析*

李 峰 郑林涛

(1. 广州大学建筑节能研究院， 510006， 广州；2. 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室， 510640， 广州//第一作者，高级工程师)

对地铁车站公共区空调大系统而言，直膨式空调系统是一种经济、节能、管理方便的空调系统，其核心是采用冷媒直接膨胀蒸发冷却处理室内空气，压缩机组冷凝器采用的是水冷却方式。图1为其工作原理图。目前，直膨式空调系统在国内地铁车站已有成功应用案列。

空调冷却水系统变流量控制的节能效果并不像普通水泵变流量节能效果一样显而易见，冷却水变流量会导致压缩机组的能耗由于水量减少、冷凝温度上升而增加，且冷却塔的开式运行也减低了节能效果，因此对于空调冷却水系统变流量控制的节能效果存在不同意见「1-2」。通过工程实践和更全面的研究分析后发现，冷却水变流量控制节能是完全可行的，有足够的节能潜力「3-6」。

1 冷却水变流量系统节能研究

如图1所示，直膨式空调冷却水系统的能耗包括制冷压缩机组、冷却水泵和冷却塔风机的能耗。

地铁车站公共区空调系统设计是根据远期客流量，规划最大冷负荷，选择制冷压缩机组。在地铁车站空调设备运行的初期，空调设备容量有很大冗余，制冷压缩机组能耗主要受蒸发温度、冷凝温度(冷却水温、冷却水量)和实时冷负荷3个因素的影响，直膨式空调冷却水的变流量运行有很大的节能潜力。制冷压缩机组冷凝温度直接与室外湿球温度及冷却水控制策略有关，因此需要建立压缩机、水泵、冷却塔能耗功率数学模型，分别计算全年不同负荷率、不同湿球温度下、不同控制策略下的全年能耗。

图1 直膨式空调系统工作原理图

1.1 冷却水系统变流量控制策略

集中空调冷水机组冷却水系统变流量控制方式，通常采用定冷却水进出口水温差和定冷凝器出水温度2种控制策略。部分负荷情况下，采用定冷却水进出口水温差变流量控制方式，是在保证制冷压缩机组冷凝器换热效率的前提下，减少冷却水泵的能耗，节能收益主要来自压缩机组；控制冷凝器出水温不变是将收益交给水泵，压缩机组收益少。

1.2 冷却水系统变流量存在的问题

冷却水系统通过变频水泵改变水系统的流量，其水系统管网的H-L性能曲线与冷冻水系统的管网曲线有很大差异，水泵改变工况后，其工作点并不是相似工况点，见图2。

注:1,2代表管道性能曲线;3,4代表水泵性能曲线;H代表压力;L代表流量

图2 冷却水泵变频调节H-L性能曲线图

由图2可知,曲线2上的A点和B点为相似工况点，由于冷却塔的静水头H0存在，水泵变频前后的运行工况,即C点和B点的功率不能简单地按三次方的变化规律计算。

1.3 两种控制方法下冷却水系统全年能耗模拟

从水泵特性、制冷压缩机组能耗影响因素考虑，存在相应的约束条件：

约束条件1：冷却水量。通常压缩机组要求通过冷凝器的冷却水流速为1.1～3.5 m/s，并要求最小冷却水流量。

约束条件2：考虑到压缩机的压差及供油安全，冷凝温度不应过低。地铁车站公共区的设计温度较高，因此压缩机组的蒸发温度基本为9～10 ℃。冷凝温度不得低于25 ℃，冷凝温度越高，压缩机组的COP(制热能效比)越低，因此冷凝温度也不宜过高，冷凝温度一般较冷凝器出口温度高5 ℃。在冷凝器出口温度控制策略中，宜将出口温度控制在25～35 ℃。

约束条件3：广州地铁车站公共区的全年供冷天数一般为267 d，全新风运行时间为每年的1月1日—2月28日、11月27日—12月31日。

2 冷却水系统制冷压缩机能耗数学模型

采用某螺杆式压缩机，压缩机无级调节，其制冷能力即负荷只与制冷循环的冷凝温度TC、蒸发温度TE以及压缩机的能力容调x有关，其x值可在0到1范围内调节。当x=1时，压缩机在此状态下满载运行，其制冷量为Q0100，同一热力状态任意能力容调下的制冷量Q0=x·Q0100。

能力容调x=1时，压缩机的制冷能力Q0100以及压缩机的电功耗PC100是冷凝温度与蒸发温度的函数：Q0100=f(TE,TC)，PC100=g(TE,TC)。利用厂家实测数据，可以对这2个函数进行多项式拟合，拟合多项式为：

(1)

式中：

C1,C2,…,C10——拟合数据系数。

任意能力容调下的压缩机电功耗PC也可以通过类似Q0=x·Q0100的方法由PC100得到，拟合关系式为：

PC=(0.029 81+0.910 9x+0.477 9x2-0.669 06x3+0.346 59x4-0.096 15x5)PC100

(2)

地铁公共区设计温度一般为29～30 ℃，蒸发温度的取值一般比送风温度低6～8 ℃。地铁公共区空调系统送风温度一般为16～17 ℃，蒸发温度相对固定，取蒸发温度TE=9 ℃。根据PC100=g(TE,TC)可推论为PC100=g(TC)。因此拟合多项式为：

(3)

当制冷量为323 kW时,压缩机拟合多项式为:

(4)

限于篇幅,冷却水泵及冷却塔能耗模型省略。

3 地铁工程案列

以广州某地铁车站为例，该站为2层地下岛式车站，地下2层面积大约为10 740 m2，站台设置全封闭屏蔽门系统。

3.1 地铁车站大系统冷负荷计算

通过DeST软件建立地铁车站计算模型，根据设计资料，分别设置人员、设备、照明发热量及作息时间，从而计算全年逐时冷负荷，计算结果如图3所示。地铁车站公共区全年冷负荷对应的运行小时数见表1。

图3 地铁车站公共区全年逐时冷负荷

从表1可以看出，全年负荷率高于75%只占了很小的一部分，空调系统基本是在部分负荷工况下运行，对于应用直膨式空调系统的地铁车站空调而言，冷却水变流量控制是有显著收益的节能措施。

3.2 地铁车站公共区空调系统设备选型

根据计算的全年冷负荷进行设备选型，如表2所示。

表1 地铁车站公共区全年冷负荷对应的运行小时数统计表

表2 空调大系统的设备选型

3.3 不同冷却水变频控制方案节能分析

对冷却水系统采用2种变流量控制方案下的全年能耗进行模拟计算。

(1) 采用定冷却水进出口温差控制方案：冷却水量下限为水泵工频的50%、60%、70%，冷却水进出口温差分别为4 ℃、5 ℃、6 ℃，计算全年的冷却水系统运行能耗大小。如图4所示，节能率随着出口温差的增大和工频流量的降低而增大。

注：1,2,3——工频为70%，温差为4℃、5℃、6℃；4,5,6——工频为60%，温差为4℃、5℃、6℃；7,8,9——工频为50%，温差为4℃、5℃、6℃

图4 定冷却水进出口温差控制方法的节能率

(2) 采用定冷凝器出水温度控制方案：冷却水量下限为水泵工频的50%、60%、70%，冷凝器出水温度分别为29 ℃、31 ℃、33 ℃、35 ℃、37 ℃、39 ℃、41 ℃，计算全年的冷却水系统运行能耗大小。如图5所示，节能率随着出水温度的升高和工频流量的降低而增大。当出水温度达到37 ℃后，节能率趋于稳定。

图6横坐标表示冷负荷比(实际负荷/名义制冷量)，纵坐标表示能耗差(冷却水泵下限流量为工频50%，控制出水温度为37 ℃的能耗与控制进出口水温差为5 ℃能耗之差)。由图6可见，两种控制方案的全年能耗差值随冷负荷比增加而增加。当冷负荷比在0.6～1.0之间时，控制出水温度为37 ℃的系统耗能要比进出口水温差为5 ℃的系统能耗高，也就是说，在部分负荷的情况下，冷却水系统全年宜采用固定温差的控制方式。

注：a,b,c,d,e,f,g——工频为70%，出水温度分别为29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃；h,i,j,k,l,m,n——工频为60%，出水温度分别为29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃；o,p,q,r,s,t,u——工频为50%，出水温度分别为29℃、31℃、33℃、35℃、37℃、39℃、41℃

图5 定冷凝器出水温度控制方法的节能率

a) 全图

b) 局部放大图

图7横坐标表示冷负荷比，纵坐标表示压缩机的能耗功率差和水泵的能耗功率差(冷却水泵下限流量为工频50%，控制出水温度为37 ℃的能耗与控制进出口水温差为5 ℃的能耗之差)。从图7可以看出，对于压缩机，控制出水温度为37 ℃的耗能比进出口水温差为5 ℃的能耗小；但对于水泵，则相反。

a) 全图

b) 局部放大图

由图4及图6可知，当采用定冷却水进出口温差的控制方案时，全年能耗随着冷却水量下限值的降低而降低，随着进出口水温差的增大而降低；当采用定冷凝器出口温度的控制方案时，全年能耗随着定冷凝器出水温度的增大而降低，但达到37 ℃后，节能率趋于平缓，节能效果并不明显。当采用定冷却水进出口温差的控制方案时，应尽可能降低冷却水量下限值，同时加大进出口水温差；当采用定冷凝器出口温度方案时，应将出口温度定在37～41 ℃左右。

根据上述能耗模拟结果，当冷却水量下限值固定时，采用定冷却水进出口温差与采用定冷凝器出口温度为41 ℃时，全年的节能率基本是一样的。

从图5和图7可以看出，随着冷负荷比的增大，当冷却水泵下限流量为工频50%时，控制出水温度为37 ℃的能耗功率比控制进出口水温差为5 ℃的能耗功率略大，因此对比地铁站冷负荷特性，推荐采用控制进出口水温差位5 ℃的方案或者控制出水温度为37 ℃的方案。

影响冷却水系统变流量节能控制的因数有很多，本文选择了空调系统的冷负荷比和室外湿球温度这两个对冷却水系统变流量节能影响最大的因数。

图8、图9横坐标分别表示冷负荷比、室外湿球温度，纵坐标表示冷却水系统全年逐时总能耗功率，即两种控制方式下，冷却水系统冷却水泵下限流量为工频50%，控制出水温度为37 ℃的总能耗功率与控制进出口水温差为5 ℃的总能耗功率。由图8、图9可见，冷却水系统全年逐时总能耗随冷负荷和室外湿球温度的变化，全年云图散点分布区域位置基本相同。

图8 控制进出口水温差为5 ℃方案的全年逐时总能耗功率

图9 控制出水温度为37 ℃方案的全年逐时总能耗功率

4 结论

通过对地铁车站直膨式空调系统冷却水变流量与变频制冷系统优化控制研究，得出以下结论：

(1) 部分负荷情况下，定冷却水进回水温差变流量控制方案，是在保证压缩机组冷凝器换热效率的前提下，节约冷却水泵的能耗，节能收益主要来自制冷机；控制制冷机、定出口水温方案，是将收益交给水泵，制冷机收益少。

(2) 当流量下限为工频50%时，随冷负荷比的变化，两种方案的全年能耗差值随冷负荷比的增加而增加；当冷负荷比在0.6～1.0之间时，控制出口水温度为37 ℃的系统耗能要比控制冷却水进回水温差为5 ℃的系统能耗高，也就是说，在部分负荷的情况下，冷却水系统全年宜采用固定温差的控制方式。

(3) 对广州地铁典型岛式车站空调大系统而言，在50%下限流量的控制方式下，定冷却水进出口温差为6 ℃全年节能率最好，节能率11.6%；在冷却水系统固定冷凝器出水温度的控制方式下，在50%下限流量的控制方式下，当冷凝器出水温度37 ℃时，冷却水系统变流量的全年节能率最高，节能率为11.2%。