地铁车站冷水系统耗电输冷比分析

2021-07-21米青松

城市轨道交通研究 2021年7期

米青松

(中铁现代勘察设计院有限公司， 300301，天津∥工程师)

地铁通风空调系统能耗在地铁总能耗中的占比较大,降低通风空调系统的能耗已成为地铁节能的重要措施之一。与此同时，国内经过多年的城市轨道交通建设，地铁车站空调系统的设计、运营积累了丰富的经验。地铁车站空调系统的模式趋于成熟和固定，为总结分析系统规律和设计参数范围、研究空调系统的共性特征提供了条件。

地铁车站冷水系统循环水泵的运行能耗约占地铁车站空调系统运行能耗的15%[1]。冷水系统的输配节能是车站空调系统节能的重要部分。GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中对通风空调系统的冷热源、输配系统、末端系统提出了明确的节能标准。其中，输配系统的节能控制参数主要是空调冷水系统的耗电输冷比E。该标准要求冷水系统的输冷比计算值不能大于系统输冷比的节能判定值。

本文通过对典型地铁车站冷水系统循环阻力的总结分析，提出冷水系统循环水泵扬程的常规取值范围。在此基础上，研究典型车站冷水系统耗电输冷比常规计算结果，给出水泵选型一致的一次泵耗电输冷比计算简式和水泵扬程限值图，以方便设计人员在设计初期对地铁车站冷水系统循环阻力的限值进行预估。最后，提出地铁车站冷水系统满足节能标准耗电输冷比限值的控制措施。

1 冷水系统耗电输冷比的计算公式

冷水系统耗电输冷比E是冷水系统输送单位冷量所需要的能耗，其计算式如下：

E=0.003 096∑(GH/ηb)/Q≤A(B+α∑L)/ΔT[2]

(1)

式中：

G——每台运行水泵的设计流量，m3/h；

H——每台运行水泵对应的设计扬程，m(1 m水柱=10 kPa)；

ηb——每台运行水泵对应的设计工作点效率；

Q——车站设计冷负荷，kW；

A——与水泵流量有关的计算系数；

B——与机房及用户的水阻力有关的计算系数；

∑L——从机房出口至该系统最远用户供回水管道的总输送长度，m；

α——与ΣL有关的计算系数；

ΔT——规定的计算供回水温差，℃。

2 地铁车站空调冷水系统及循环阻力分析

如图1所示，典型地铁车站空调冷水系统为冷水机组定流量运行的一级泵变流量系统，末端空调机组设水路两通阀，通常配置2台水冷螺杆式冷水机组。本文首先对典型车站冷水系统的阻力进行分析，选取式(1)所需的各项参数，再对耗电输冷比进行计算分析。

注:实线为供水管;虚线为回水管;Δp为压差阀。

2.1 车站冷水系统的阻力分析

车站冷水系统阻力包括机房内阻力和末端侧阻力，以分水器及集水器为界。

2.1.1 冷水系统机房内阻力分析

基于实际运行情况，车站冷冻机房内冷水系统各阻力计算参数选用值如下：车站内分水器及集水器冷冻机房侧水循环沿程阻力通常为8～15 kPa，本文取10 kPa(即1 m水柱)；冷水机组蒸发器阻力不大于70 kPa，本文取70 kPa(即7 m水柱)；机房内管道局部阻力损失一般不小于30 kPa，本文取40 kPa(即4 m水柱)；冷冻水泵出水管侧的全自动水处理器阻力不大于30 kPa，本文取30 kPa(即3 m水柱)。由此，车站冷水系统机房内阻力合计为15 m水柱。

2.1.2 冷水系统末端侧阻力分析

地铁车站冷水系统末端侧管网主要包括由设备集中端1台组合式空调机组和3台小空调机组(分别服务于人员房间、弱电设备房间、变电所房间)组成的供回水管路，以及由设备非集中端1台组合式空调机组和1台小空调机组组成的供回水管路。各空调机组的阻力分别为：

1) 车站两端各设1台组合式空调机组，分别负担车站公共区的一半空调冷负荷。2台空调机组的选型相同，其机组制冷量一般为300～550 kW。典型地铁车站计算选型风量为75 000 m3/h，表冷器按6排管制冷量400 kW考虑，水阻力不大于50 kPa，组合式空调机组机外余压为600 Pa。

2) 设备集中端人员房间空调机组和非集中端小空调机组的制冷量一般为40～85 kW，典型车站计算选型表冷器制冷量为50 kW，表冷器水阻力约为30 kPa。

3) 弱电设备房间空调机组制冷量一般为210～320 kW，典型车站计算选型表冷器制冷量为250 kW，表冷器水阻力约为50 kPa。

4) 变电所房间空调机组制冷量一般为100～250 kW，典型车站计算选型表冷器制冷量为150 kW，表冷器水阻力约为50 kPa。

通过负荷和流量的估算，冷水系统末端侧管网阻力的计算结果如表1所示。

表1 冷水系统末端侧管网阻力计算单位：m水柱

由表1可知，车站冷水系统的最不利环路为设备非集中端组合式空调机组的供回水管路。冷水系统末端侧管网的最不利环路循环阻力为16.0 m水柱。

2.1.3 冷冻水泵扬程取值

由上文可知，典型车站冷水系统计算管道阻力为机房内阻力和末端侧阻力之和，计算值为31.00 m水柱。因此，在典型地铁车站E的计算中，G取123 m3/h；考虑1.15倍安全系数，H取35.65 m。

2.2 其余参数的选取

1) 一般的地铁地下线路，设备集中和客流集中的车站其空调冷负荷较大，非设备集中站和线路端头车站的空调冷负荷通常较小。冷水机组制冷量选型范围一般在500～800 kW之间。由此，典型地铁车站计算选择制冷量为650 kW的螺杆式冷水机组2台，则Q取1 300 kW。

2) 冷水系统的供水温度、回水温度分别为7 ℃、12 ℃，则ΔT为5 ℃。

3) 根据天津某地铁线招标后水泵选型设计文件，其车站水泵的综合效率普遍在0.7～0.8之间，故在典型地铁车站E的计算中，ηb取0.75。

4) 常规的地铁车站主体长度为180～300 m，冷冻机房到非设备集中端空调机房的距离一般为150 m～250 m，车站的冷冻机房到非设备集中端空调机房供回水管道的总长度ΣL一般为350 m～550 m,故在典型地铁车站E的计算中，ΣL取450 m。

5) 当60 m3/h

2.3 冷水系统E的计算

将上文得到的计算参数代入式(1)，可得到典型车站冷水系统E为0.027 847 806。由GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》可知，E的判定值为0.028 39488。因此，根据本文典型车站选取的计算参数，E的计算值小于判定值，满足节能设计标准的规定。但是，E的计算值与判定值较为接近，在设计过程中需要严格控制管道阻力和水泵设计效率，否则容易导致超标。

3 地铁车站冷水系统E值分析

地铁车站冷水系统的形式相对固定和简单。典型车站通常设置2台电动压缩螺杆式冷水机组，冷水循环系统设置2台选型相同的冷冻水泵。当冷水系统为循环水泵型号一致的一次泵系统时，G、Q的计算式为[3]：

G=KP/(1.163ΔT)

(2)

Q=nP

(3)

式中：

K—水泵流量附加系数；

P—单台水泵所负担的冷负荷，kW；

n—水泵台数。

考虑各地铁车站的实际设计情况，K取1.1，n取2。将式(2)、(3)式代入式(1)，E的计算式可进一步简化为：

E=0.000 585 658H/ηb

(4)

由式(4)可知,对于水泵选型一致的一次泵冷水系统，E只取决于循环水泵的扬程H和效率ηb。式(1)中的A、B、ΔT均为固定值，根据ΣL是否大于400 m，α有2种取值。因此，在计算得出不同水泵效率情况下，ΣL对应的水泵扬程限值图如图2所示。

图2 水泵扬程限值图

在冷水系统管道设计前，可通过查询图2，根据ΣL和ηb来确定满足输冷比要求最大的H值，从而有效减少冷水系统设计过程的反复调整次数。例如：如某车站ΣL为450 m、ηb选0.75时，查图2可得到H不应大于36 m。

考虑到ηb为水泵的综合效率，其值达到0.7～0.8，已属高效节能[4]。因此，通过节能设计标准推算得到的H对地铁车站冷水系统的循环水泵阻力选型影响较大。按目前水泵常用的设计效率，查图2可知，H不宜大于40 m。

一般情况下，地铁车站冷冻机房内阻力较为固定，其值一般为15 m水柱左右。由此，H取决于最不利环路的循环阻力。由上文可知，地铁车站冷水系统的最不利环路是通往设备非集中端组合式空调机组的供回水管路。对最不利管路压降进行估算(见表2)，循环水泵的选型压力为冷冻机房内阻力与最不利管路压降之后并附加安全余量,通常在29～44 m水柱之间。

在实际的设计过程中，H容易出现大于40 m的情况，需要通过冷水系统管路优化将H控制在40 m以内。由此可进行反向推算，由于冷冻机房和表冷器的水阻力为固定值，最不利环路的沿程阻力不宜大于10 m水柱。ΣL的常用取值450～500 m，比摩阻为200～220 Pa/m，因此建议地铁车站冷水系统最不利环路的比摩阻不宜大于200 Pa/m。