某地铁车站高效制冷机房设计方案研究

周爽

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

近年来，随着我国城市规模的不断扩大，城市轨道交通产业发展迅速，行业能耗巨大。通风空调系统能耗占地铁运行总能耗的30%，而在空调系统能耗中，约60%~80%的能耗消耗在制冷机房系统内。目前我国地铁车站制冷机房电冷源综合制冷性能系数（SCOP）为2.5~3.0左右，节能潜力大。在节能减排的时代背景下，提高地铁通风空调系统的效率，可以有效降低地铁运行能耗，节省运行费用，具有巨大的社会经济效益。为提高冷水机房综合制冷性能系数，减少地铁车站通风空调系统运行能耗，本文研究了在某地铁车站采用磁悬浮高效冷水机房的方案。

1 设备选型优化

1.1 采用磁悬浮冷水机组

冷水机组是制冷系统的核心设备，设计高效冷水机房首先要保证冷水机组的高效。本方案选用2台同容量的磁悬浮离心式冷水机组设置在车站大端冷水机房。磁悬浮离心式冷水机组利用磁悬浮轴承，通过磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触，避免了直接接触所带来的机械摩擦损耗。与传统冷水机组相比，磁悬浮冷水机组制冷量调节范围更广。传统离心机组通常采用动压轴承，为了维持最小油膜厚度，转子转速不能太低。而磁悬浮机组无增速齿轮，因此，部分负荷下的运行性能好，综合部分负荷性能系数（IPLV）高。综合部分负荷性能系数（IPLV）是基于机组部分负荷时的性能参数值，按机组在各种负荷条件下累积负荷百分比进行加权计算获得的表示空气调节用冷水机组部分负荷效率的单一数值。根据可查的实验结果表明，在相同的条件下，相较于螺杆机组，磁悬浮机组的综合部分负荷性能系数（IPLV）提升约42%，电机功耗降低约30%，设备能耗、电费降低约30%，节省运行费用约30%。

1.2 采用EC风机空调器

通风空调系统末端设备能耗约占系统总能耗的30%，提高末端设备的效率对于提高系统总能效具有重要意义。本方案大系统组合式空调机组、小系统空气处理机组风机段采用EC风机代替AC风机。EC风机指采用了EC电机的离心风机，EC电机为内置智能控制模块的直流无刷式免维护型电机，具有以下优势：①结构紧凑，配置简单：EC风机无皮带传动损耗及皮带更换费用，集成度高，无需变频器，接线及现场调试简单，安装、维护更加便捷。采用EC风机可使空调器风机段减少长度200mm；②高效节能：采用机翼型叶片，气流损失低，效率高，稳定性好；电机调速范围广；出风气流均匀，阻力损失小；无需强制冷却，利用气流降温，可延长电机寿命，同时减少强冷风扇耗电；③高可靠性：EC外转子电机因为风叶均匀受力于电机轴，轴承可免于维护；④备用性好：风机可以设定提速补偿损失风量，系统无需停机维护，可避免由于系统停运造成的损失。

采用EC风机的空气处理机组，在运行管理得当的情况下，能够节省可观的运行费用，同时可以增加管理维护的便利性。

1.3 冷冻水系统优化

车站冷冻水系统采用一次泵变流量闭式循环系统。冷冻水系统设置供、回水干管，将冷水机组制备出的冷冻水分别供给位于车站两端环控机房内的公共区组合式空调机组和设备管理用房空气处理机组。取消分、集水器，在冷冻水供、回水干管间设置电动压差旁通阀，通过调节阀的旁通作用，保证系统水量不小于单台冷水机组允许的最小流量。大系统、小系统回水管路上设置电动二通调节阀，通过电动二通调节阀改变流经大系统组合式空调器、小系统空调机组表冷器的水量来适应空调负荷的变化。在水系统最不利环路的供回水管间设置压差传感器，控制水泵变频，保证最不利环路的资用压差足以克服该环路水阻。

冷冻水供回水温度由传统的12℃/7℃调整为17℃/10℃，冷冻水温差由5℃提高到7℃，提高冷冻水供回水温差可以减小该系统循环流量，有效减少水泵与管路的初投资，降低系统输配能耗。

1.4 冷却水系统优化

冷却塔采用阻燃型超低噪声横流式冷却塔，冷却塔与冷水机组一一对应，管道采取干管制。冷却塔不设调节水池。冷却塔、冷却水泵与冷水机组一一对应，不设备用泵；冷却循环系统的水质稳定采用全程水处理装置，并预留化学药剂处理位置，系统水质控制指标参照《工业循环冷却水处理设计规范（GB 50050—2007）》。

冷却水供回水温度由传统的32℃/37℃调整优化为30.5℃/35.5℃，同时在冷却塔围栏上布置温湿度传感器检测室外气象参数，以降低为冷却塔实际运行逼近度（经过冷却塔冷却后的水温与环境湿球温度的差值），通过以上措施可有效节约冷却水系统运行能耗。

2 优化冷水机房布局

2.1 优化管路设计

冷水机房内设备、管路布置应符合工艺流程，便于安装，便于操作管理，并应预留设备检修空间。同时应使设备安装紧凑，充分利用空间。冷水机房内管路优化以降低管路阻力为原则，管路管径选择根据经济流速选取。管路连接应保证流向通畅，采用顺水弯头、顺水三通代替对应的直角管件。通过优化管路布置、精细管路水力计算，冷冻水泵选型参数扬程由29m降低为20m，冷却水泵选型参数扬程由27m降低为19m，这一措施可有效降低设备投资以及运行能耗，如图1所示。

图1 冷水机房设备及管路布置

2.2 采用冷水机房预制方案

采用冷水机房预制方案，采用工厂预制生产，现场模块拼装。对冷水机房内设备、管线进行三维设计，利用Revit软件建模，建模范围包括冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、水处理器以及机房内冷却水管、冷冻水管及其他附属管件。BIM设计可优化管路走向，进一步降低管路损失。优化后机房布局合理，结构紧凑，既节约空间又便于运营人员日常管理维护。通过对机房进行预制，可大大加快机房的施工速度，可将冷水机房施工周期由正常的15d左右缩短至48h。同时由于工厂化标准化生产，施工质量更有保障。在工厂对设备进行预调试，可缩短现场调试时间。

2.3 系统自动控制设计

空调冷冻水系统、冷却水系统均采用变流量系统。冷冻水泵、冷却水泵设置变频装置，根据车站冷负荷的变化变流量运行。车站设置风水联调智能控制系统，联合控制公共区大系统、管理房小系统和车站水系统，以实现节能运行、监控功能及连锁保护功能。空调水系统由风水联动智能控制系统控制，接受环境与设备监控系统（BAS系统）的命令，与环境与设备监控系统（BAS系统）互传数据。

每台冷水机组主机上冷冻、冷却管上各设置一个温度传感器，冷冻、冷却供水干管上设置一个流量传感器，用于监测每台主机的流量分配、运行效率，为控制每台主机运行在高效状态点提供数据支撑。大系统空调器供回水管路上设置温度、压力传感器，供水管上设置流量传感器，小系统空调器供回水管路间设置压差传感器，用于监测系统的运行数据，为环控系统的控制提供数据支撑。冷却塔围栏上布置温湿度传感器，用于检测室外的气象条件，确定冷却塔的控制参数。冷却塔的出水管设置温度传感器，用于在降低冷却塔出水温度的同时，合理控制冷却塔风机的频率。风机盘管支路设置平衡阀及相应的温度传感器，用于控制冷冻水分水平衡，为实现冷冻水供回水在设计温差下运行提供保障。

2.4 评价指标

电冷源综合制冷性能系数（SCOP）是设计工况下，电驱动的制冷系统的制冷量与制冷机、冷却水泵及冷却塔净输入能量之比，是衡量制冷系统的一项重要技术经济指标，电冷源综合制冷性能系数（SCOP）大，表示制冷系统能源利用效率高。计算公式为：

其中：Q-冷水机组制冷能力，kW；W-制冷机房耗电量，kW，为冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔等设备耗电量之和。

3 结语

在满足功能需求的前提下，降低地铁车站制冷机房内能耗，既可为企业带来可观的经济效益，也可相应国家节能减排号召，为城市的低碳出行、绿色出行提供有力保障。在设计实践中，设计人员需要根据与时俱进的发展要求，确保地铁空调系统运转良好，提高服务品质，实现对空调能耗问题的科学应对，从而节约资源，为轨道交通建设事业的发展注入活力。

通过优化冷水机房内设备的选型，优化冷冻、冷却水系统参数设置，精细化管道水力平衡设计，系统自动控制优化设计等一系列技术措施，地铁车站冷水机房电冷源综合制冷性能系数（SCOP）可由传统方案的5.0左右提高至6.5左右，可以达到十分显著的节能效果，达到行业领先水平。