广州地铁车站冷水机组NPLV研究与实践

2021-05-12广州地铁设计研究院股份有限公司罗燕萍吴绍康

暖通空调 2021年4期

广州地铁设计研究院股份有限公司罗燕萍吴绍康

0 引言

根据《绿色高效制冷行动方案》的目标，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[1]。地铁车站作为交通功能的大型公共建筑，大多采用集中冷源的集中空调系统，冷水机组是主要的冷源型式，其能耗是集中空调系统能耗的主要组成部分。图1显示了广州地铁某站节能改造后全年能耗占比的统计情况，对于高效空调系统，冷水机组在制冷机房能耗中的占比超过了80%[2]。因此，合理选择冷水机组，提升冷水机组的运行能效，是实现上述目标的关键所在。

图1 广州某高效地铁车站能耗占比

GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效等级》中，增加了综合部分负荷性能系数(IPLV)作为能效等级的考核依据，对冷水机组的性能系数和IPLV的各级能效指标及能效限定值作了明确规定[3]，其中IPLV的计算参照了GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的计算方法[4]。受IPLV的计算方法和检测条件所限，IPLV只能用于评价单台冷水机组在名义工况下的综合部分负荷性能水平，不能用于评价单台冷水机组实际运行工况下的性能水平[4-5]。地下车站的空调负荷特性与一般地上公共建筑不同，其与车站客流量密切相关，负荷率变化主要受客流量变化的影响，受室外环境变化的影响较小，而客流量变化又分为初期、近期和远期的长周期变化及每天的早、晚高峰和平峰的短周期变化。目前地铁工程设计普遍采用IPLV作为选型依据，难以选到与本地区地铁负荷特征相匹配的机组，实际运行中造成能源浪费。

因此，本文首先分析地铁工程与一般公共建筑的负荷特性差异，在此基础上提出符合地铁工程特点的非标工况下综合部分负荷性能系数(NPLV)，初步探讨NPLV在地铁工程冷水机组选型中的价值。

1 地铁空调负荷特性分析

图2显示了广州地铁某典型地下车站2018年8月前6天的车站冷水主机负荷率及室外干球温度随时间的变化。在空调季，车站的负荷规律具有周期性。在每个周期(1个空调日)内冷水主机的负荷率均存在2个明显的峰值，对应的时刻分别为早、晚客流高峰时刻。室外气象参数的峰值一般在14：00—15：00左右，地铁车站的负荷峰值与室外气象参数的峰值不具有一致性，与王碧玲等人研究的典型办公建筑的负荷分布差别较大[6]。图3显示了广州地铁典型空调日运营期间的车站小时客流随时间的变化，08：00、18：00左右为客流早、晚高峰期，其他时段为平峰期。可以看到，客流的变化曲线与车站冷水主机的负荷变化规律是一致的[7]。因此，地铁车站空调负荷整体呈现早、晚2个驼峰的状态，负荷变化与室外温度的变化趋势不一致，而GB 50189—2015中IPLV所反映的空调水系统的冷量需求与冷却水温的变化是同步的。

图2 广州地铁典型车站冷水主机负荷率及室外干球温度随时间的变化

2 地铁行业的NPLV计算方法

2.1 源数据的选取

根据典型供冷车站的规模及其建筑特点，空调水系统一般采用一级泵变流量系统，配置2台相同冷量的冷水机组，水泵与机组一一对应。车站工艺控制一般采用台数与变流量相结合的方式；当车站总冷负荷小于等于单机冷负荷时，开启1台机组及其对应的水泵；当车站总冷负荷大于单机冷负荷时，开启2台机组及其对应的水泵。因此，系统负荷率与冷水机组负荷率并不相同，这也是IPLV不能反映多机组运行情况的原因。选取广州地铁某站，该站自控系统运行良好，全年运行数据记录完整，根据全年冷水机组的运行小时工况点，得到如图4所示的系统负荷率及单台冷水机组负荷率的分布，车站负荷率及单机负荷率与冷却水进水温度呈非线性关系和多对多的关系，其负荷分布特征与贾晶等人研究的其他类型的公共建筑负荷分布情况[8]显著不同。

由图4a、c可以看出，系统负荷率主要集中在35%～45%及70%～90%范围内，低负荷范围主要是夜间收车后空调小系统负荷及平峰时段的负荷，而高区范围主要是客流早、晚高峰时段。本计算案例所选车站的小系统选型冷负荷占冷水主机总额定制冷量的41.2%，统计数据与设计选型值基本一致。由图4b、d可以看出，冷水机组的负荷率主要分布在70%～90%范围内，在全年单机负荷率占比中，80%左右的负荷率占比最大。冷却水进水温度分布的区间主要在负荷率分布集中的区间，对于系统而言，平均冷却水进水温度主要分布在26 ℃及29 ℃左右，占比分别约为33%、30%；单台冷水机组负荷率分布中，平均冷却水进水温度主要分布在27.5 ℃左右，占比超过70%，在80%负荷率对应的平均冷却水进水温度分布最广。此外，需要说明的是，在有条件的情况下，应尽可能多地选取近期或远期不同年份、不同类型车站的冷水机组运行数据，扩大样本容量有利于提高所得NPLV的适用性。

2.2 负荷率的划分

国标GB 19577—2015中IPLV计算公式划分为100%、75%、50%及25% 4个负荷率，是全国统一的IPLV系数值；我国地域辽阔，不同气候分区的气象条件差异显著，不同类型工程亦不相同，全国统一的IPLV系数值对于各地区的具体项目无实际指导意义，IPLV的负荷率以25%为步长划分，跨度较大，导致IPLV用于评价冷水机组的部分负荷性能及其全年运行能耗往往偏离工程实际。因此，本文细化负荷率步长划分，步长越小，IPLV反映的部分负荷特性越贴近实际运行情况，但公式计算参数过多，不利于工程应用。考虑地铁工程大多以螺杆机为主，通常螺杆机在10%～100%负荷范围可实现无级调节，结合市面主要冷水机组厂家提供的机组负荷特性曲线及设计人员实际计算的便捷性，本文以10%作为负荷率划分的步长，将GB 19577—2015的IPLV计算公式中的负荷率由4个工况扩展为10个工况，即部分负荷率工况取10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，依次对应部分负荷工况点A、B、C、D、E、F、G、H、I和J。

2.3 平均冷却水进水温度的计算

NPLV中每一种工况所对应的平均冷却水进水温度为该工况所包含的全部基础数据点的算术平均值，且其所包含数据点的平均温度与工况所代表的负荷率值相等。如图5所示，以工况点D为例，单台冷水机组负荷率在35.41%～43.58%范围内的全部基础数据点的算术平均温度与工况点D所代表的40%单台冷水机组负荷率相等，该负荷率范围内所包含的数据点的冷却水进水温度的算术平均值即为该工况点对应的平均冷却水进水温度。需要特别说明的是，考虑实际工程冷水主机运行的特点，将95%及以上负荷率作为100%负荷率工况点J所包含的基础数据范围。经上述统计计算，得到工况点A～J的平均冷却水进水温度依次为24.46、24.98、24.64、22.69、24.96、25.83、27.21、27.83、27.64、26.75 ℃。

图5 不同工况的单台冷水机组运行状态散点分布图

NPLV及IPLV在不同工况下的平均冷却水进水温度对比如图6所示，IPLV随着负荷率的升高，制冷机的平均冷却水进水温度随之升高，在100%负荷率最高。NPLV在70%～90%负荷率时，平均冷却水进水温度最高，在40%负荷率时最低。NPLV与IPLV的不同工况点平均冷却水进水温度存在较大差异且随负荷率的变化趋势不同，原因是IPLV所反映的建筑负荷特性与地铁负荷特性不匹配，这与第1章及2.1节的分析是一致的。对于广州地铁工程而言，空调季较长，在远期负荷阶段，早晚高峰车站冷负荷主要集中在70%～90%，因此，该负荷分布范围对应的平均冷却水进水温度最高。单台冷水机组40%的负荷率对应的平均冷却水进水温度最低是由于主机运行在该负荷率时主要处于夜间大系统停运或过渡季，此时，室外空气的湿球温度较低，造成平均冷却水进水温度低。

图6 NPLV及IPLV在不同工况下的平均冷却水进水温度的对比

2.4 权重系数的计算

在第2.3节的统计基础上，计算工况点A～I各自包含的区段运行小时数占总运行小时数的比例，即为该工况点的权重系数，工况点A～J的权重系数计算值依次为：0.010、0.013、0.021、0.039、0.065、0.100、0.166、0.378、0.197、0.011。

广州地铁远期车站NPLV的计算公式如下：

NPLV=0.010A+0.013B+0.021C+

0.039D+0.065E+0.100F+0.166G

+0.378H+0.197I+0.011J

(1)

式中A为10%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度24.46 ℃；B为20%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度24.98 ℃；C为30%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度24.64 ℃；D为40%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度22.69 ℃；E为50%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度24.96 ℃；F为60%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度25.83 ℃；G为70%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度27.21 ℃；H为80%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度27.83 ℃；I为90%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度27.64 ℃；J为100%负荷率时的COP，平均冷却水进水温度26.75 ℃。

IPLV中50%及以下的负荷率权重系数比例为34%，而NPLV中仅占14.8%，NPLV中权重系数在70%～90%负荷分布范围占据了74.2%。GB 19577—2015中IPLV的负荷率分布与广州地区地铁工程的负荷率分布规律差异显著。

3 地铁车站近、远期NPLV对比分析

通过选取广州地区2017年开通线路某车站记录的全年运行数据，该站控制系统及数据记录完整，得到其全年负荷率分布，采用第2章方法，计算得到广州地区近期的NPLV计算公式。对比其权重系数，由图7可知：近期，冷水机组负荷率主要集中在60%以下，70%以上的负荷率运行时间全年占比较小，无满负荷运行情况；远期，负荷分布较广且存在满负荷情况；转换为冷水机组的负荷率，则近期主要集中在50%～60%，远期主要集中在70%～90%。广州地区车站冷水主机在初、远期的冷水机组负荷率差异较大，不同负荷率对应的平均冷却水进水温度不相同，对应的主机COP不同。因此，近、远期应采用不同权重系数的NPLV来衡量冷水机组的性能。对于新建及改造车站，主机选型时应注意所处的运营阶段。

图7 广州地区近、远期冷水主机NPLV不同工况权重系数对比

4 NPLV对制冷主机的选型影响

广州地区典型6A非换乘站单站设计冷量一般为1 300 kW左右，冷水机组配置2台，单台650 kW，在此冷量段，选取市场上同一品牌相同额定制冷量的定频螺杆冷水机组(a)、变频螺杆冷水机组(b)及磁悬浮离心冷水机组(c)，均为单机头小冷量机组，均满足名义工况一级能效的要求，机组的特性曲线如图8所示，各机组的主要性能参数如表1所示。机组a与机组b的名义工况COP分别为6.07、5.83，设计工况COP分别为5.67、5.46，IPLV分别为7.5、7.7。如果仅从国标能效等级角度考虑，机组a满负荷性能占优，机组b部分负荷性能稍占优，总体差别不大，考虑变频螺杆冷水机组成本相对较高，作为建设方，选择机组a经济上更合理。若考虑地区的地铁负荷特性，从NPLV的角度考虑，在近、远期，机组b的NPLV均相对机组a有较明显的部分负荷性能优势，结合初投资及投资回收期等经济性综合分析，选择机组b更加合适。图8c显示磁悬浮离心冷水机组COP随负荷率变化较大，反映在近、远期NPLV值的表现，即为两者相差较大，这再次表明，近、远期NPLV值的差异可以衡量机组负荷率在不同工况下的波动。机组c在名义工况与机组a、b相差不大，但在其他工况下的COP值均较高，因此，其IPLV及NPLV值均明显高于机组a、b，如果综合经济性分析可行，对于小冷量段，选择机组c是合理的。

表1 不同特性冷水机组的主要性能参数

由以上分析可知，在不考虑经济因素的条件下，机组c性能最优，机组b表现最稳定，且与理论参数最接近；以满足国标的COP或IPLV作为主机选型主要性能参数往往不能选到最合适的机组；IPLV与NPLV计算结果往往表现出NPLV普遍低于IPLV，设计人员在核算系统能效时应重点关注该差异。需要说明的是，本章分析所选用设备的性能参数不一定具有普适性，设计方案对比中应以具体备选设备的资料为准。