地铁车站环控设备能效随运行年限演化特性研究*

上海理工大学 王丽慧 张 杉 高仁义上海世茂股份有限公司 刘 畅上海市建筑科学研究院(集团)有限公司 张 嫄上海地铁第一运营有限公司 龚 伟上海申通地铁集团有限公司 宋 洁 郑 懿 邹学成

0 引言

地铁车站空调季环控设备的能耗约占车站总能耗一半以上，因此环控设备不同运行年限的能效对车站节能运行和可持续发展意义重大。

目前部分学者开展了一些对地铁车站环控系统冷水机组、冷却塔和水泵等单体设备性能影响因素的相关研究。Ghassem等人研究了冷水机组冷凝器中水雾系统的喷雾方向对冷水机组性能系数COP的影响，喷嘴轴线与进入气流方向夹角为90°时的COP比无夹角时的COP增大10.6%[1]。Rahmati等人通过对机械通风湿式冷却塔冷却水温度、空气流量、水流量的实测发现，较低的水流量和较高的热水温度、填料级数、空气流量可获得较大的冷却效率系数(湿式冷却塔的冷却极限值)[2]。黄伟坚通过2个水泵改造项目发现，减小冷却水泵管径，可使不同水泵的效率提高8.4%～11.8%[3]。陈治调研了上海地铁2号线世纪公园站空调系统的运行现状，发现地铁车站夏季空调系统的冷水机组在运行平稳后基本处在70%～86%的负荷状态，车站环控系统能效比长期处在3.0～3.4之间[4]。王颖提出了大温差(冷水进/出口温度10 ℃/17 ℃)和高出水温度的设计方案，选用串联逆流双机头子母配方式的高效冷水机组，同时配备高效变频水泵和冷却塔，制冷机房全年平均能效比超过5.5[5]。以上研究为本研究提供了重要参考，但是未见针对地铁环控各设备和系统能效随运行年限演化特性的研究报道。

本文聚焦地铁单体设备性能随运行年限的演化特性，在上海地铁车站中按照初期、中期、远期3个不同运行年限采用分层抽样方法选取了有代表性的18个地铁车站，实测其冷水机组、冷却塔、水泵等车站环控单体设备及水系统的能效特性，并采用格鲁布斯法保证了实测数据的有效性与科学性，进而分析得到不同运行年限下单体设备和冷源系统的能效演化特性。研究成果可为上海及其他大中城市不同运行年限下地铁车站环控新产品的准入、设备及系统能耗问题快速诊断、地铁环控运行维护及设备大修更换提供参考与评估技术标准。

1 研究方法

1.1 实测车站样本的选取

本文将上海119个岛式地铁车站依据设备运行年限分为初期(运行1～4 a)、中期(运行5～8 a)和远期(运行9～12 a)3类，并根据分层抽样样本量90%的置信度且相对允许误差不超过15%，选取30个车站进行实地考察。根据车站规模相似、客流量相似等条件，最终确定将上海地铁4、8、10、12、13号线中的18个车站的环控设备和系统作为测试对象，其中初期、中期和远期车站数目分别为7、4、7个。对实测数据采用格鲁布斯检验法[6]进行坏值剔除。保证分层抽样样本实测数据的可靠性，从而确保这18个车站地铁环控设备与系统的相关测试结果准确且能够代表上海地铁车站环控系统的普遍规律。

1.2 车站环控典型设备及系统的能效评价指标

选取冷水机组、冷却塔和水泵等单体设备及水系统为研究对象，分别确定其能效评价指标。

1.2.1冷水机组能效评价指标及其计算方法

分别选用冷量衰减度α、COP[7]和COP衰减度β作为冷水机组能效评价指标，其定义式分别为

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中Q1为选型计算冷量，kW；Q2为冷水机组实测换算后冷量，kW；Q为冷水机组的制冷量，kW；N为冷水机组的能耗，kW；COP1为出厂品牌选型计算COP；COP2为冷水机组实测换算后COP。

根据相关研究[8]，将所有冷水机组的实测参数换算为各运行年限车站冷水机组在同一冷水和冷却水出水温度及近似范围内水流量下的铭牌数值，以保证所有冷水机组换算后的COP在同一条件下进行比较。

1.2.2冷却塔能效评价指标及其计算方法

选用冷却塔热力性能η[9]、热力性能衰减度αL和风机单位风量耗电比a1作为冷却塔能效评价指标，其定义式分别为

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中 Δta为标准设计工况(进水温度37 ℃)下的水温降，℃；η1为冷却塔出厂热力性能；Δt为测定的水温降，℃；t1为测定的进水温度，℃；τ为测定的空气湿球温度，℃；ta为设计进水温度，37 ℃；N1为电动机实测耗电功率，kW；QL为冷却塔循环水流量，m3/h。

1.2.3水泵能效评价指标及其计算方法

选用水泵效率ηs[10]作为冷水泵和冷却水泵能效的评价指标，其定义式为

(8)

式中V为水泵平均水流量，m3/h；ρ为水的平均密度，kg/m3，可根据水温由物性参数表查取；g为自由落体加速度，9.8 m/s2；ΔH为水泵进出口平均压头，m；P为水泵平均输入功率，kW。

1.2.4环控系统能效评价指标及其计算方法

选用冷源系统能效比EER[11]作为冷源系统能效评价指标，其定义式为

(9)

式中Q0为冷源系统供冷量，kW；Ni为冷源系统各设备(包括冷水机组、冷却塔和水泵)输入功率，kW。

1.3 实测方案

地铁车站环控系统水系统各单体设备实测参数如表1所示。冷水和冷却水温度由螺杆式冷水机组的面板或智能柜读取，同时与水管上的水银温度计显示读数相互验证；冷水和冷却水的流量用超声波流量计现场实测获得，测试位置选在水管距弯头阀门等附件约10倍以上管径的直管段，且保证测试管段表面暴露光滑，现场流量实测结果与管道自带流量计显示流量相互校验。

表1 各单体设备实测参数

冷却塔和水泵的相关测试依据相关测试标准进行[10]，所有设备的功率可在地铁车站环控电控室的电控柜上读取，同时用钳形功率表在环控电控柜后方相关线路上测试获得，两者相互验证。

水系统各设备实测工况均选取夏季室外温度超过32 ℃的工况进行，且实测前设定冷水机组出水温度为7 ℃。选择冷水机组、冷却塔和水泵稳定运行工况的时间段进行实测，工况需集中监测60 min，每隔5～10 min读取1次数据，并保证设备相关数据同时读取。表2给出了现场测试仪器精度等信息。

表2 冷水机组参数测试仪器仪表精度

2 结果与讨论

2.1 单体设备能效年度演化特性

2.1.1冷水机组能效演变特征分析

18个车站均配备有2台螺杆式冷水机组，单台机组额定冷量在504～691 kW之间，平均额定冷量为631 kW。图1～3分别给出了不同运行年限车站冷水机组冷量衰减度、COP和COP衰减度的测试结果。

图1 冷水机组冷量衰减度随不同运行年限演化趋势

冷水机组负荷率平均值在初期、中期和远期分别为68.80%、76.69%和77.75%，呈现随运行年限不断上升的趋势。由图1可知，平均冷量衰减度在运行年限初期(1～4 a)、中期(5～8 a)和远期(9～12 a)分别为10.94%、5.36%和14.17%，呈现中期较小、远期和初期较大的趋势，且远期冷水机组冷量衰减率最大。由图2可知，冷水机组COP在初期、中期和远期分别为3.78、4.64和3.92，呈现中期较高、初期和远期较低的趋势，且初期冷水机组COP最小。由图3可知，冷水机组平均COP衰减度在初期、中期和远期分别为18.46%、12.02%和23.00%，呈现远期最大、初期和中期偏小的趋势，且中期冷水机组COP衰减度最小。

图2 冷水机组COP随不同运行年限演化趋势

图3 冷水机组COP衰减度随不同运行年限演化趋势

冷水机组在运行初期负荷率偏低，是造成上述初期冷水机组的冷量衰减率较大、COP偏低、且COP衰减度较大的根本原因。目前地铁车站冷水机组容量多依据远期最不利工况(即车站冷负荷最大时期)选定，故设备容量较大，初期负荷率相对较低，导致冷水机组在“大马拉小车”的工况下运行，机组能效较差。

而在运行中期，车站因围护结构岩土体温度升高和乘客数量增加等原因使车站空调季负荷率提升，且运行年限适中，机组运行状态较好。因此，运行中期车站冷水机组能效状况较好，具体表现为机组冷量衰减度较低、COP较高且COP衰减度较小。

虽然远期地铁车站的空调负荷率仍然较高，但是随运行年限继续增长，冷水机组内部压缩机等机械部件磨损渐多、冷凝器和蒸发器等换热设备换热效率逐渐下降，导致机组可提供冷量相对于出厂时的额定冷量下降较多。因此，远期冷水机组能效不断下降，具体表现为机组冷量衰减率较高、COP偏低和COP衰减度较大。

2.1.2冷却塔热力性能演化趋势分析

18个车站均配备有1～2台闭式冷却塔，所有冷却塔的额定热力性能均为130.273%。图4～6分别给出了不同运行年限地铁车站冷却塔热力性能、热力性能衰减度和风机单位风量耗电比的测试结果。

图4 冷却塔热力性能随不同运行年限演化趋势

由图4可知，冷却塔平均热力性能在初期、中期和远期分别为81.46%、117.73%和72.70%，呈现中期较大、初期和远期较小的趋势，且远期冷却塔热力性能最小。由图5可知，冷却塔平均热力性能衰减度在初期、中期和远期分别为37.47%、9.63%和44.19%，呈现中期较小、初期和远期较大的趋势，且远期冷却塔热力性能衰减度最大。由图6可知，冷却塔平均风机单位风量耗电比在初期、中期和远期分别为0.037 0、0.043 4、0.061 2 kW/(m3/h)，初期和中期相差不大，但远期风机单位风量耗电比相对初期增大65.4%，相差明显。

图5 冷却塔热力性能衰减度随不同运行年限演化趋势

图6 冷却塔风机单位风量耗电比随不同运行年限演化趋势

造成上述初期冷却塔的热力性能偏低、热力性能衰减度偏高的根本原因在于初期冷水机组负荷率较低，冷量需求低导致了机组冷凝器侧冷却水供回水温差较小，造成冷却塔出力不足。而在运行中期，冷水机组在较高能效比下运行，机组因负荷率高对冷却塔冷却水温降需求大，且此时冷却塔自身填料热湿交换效果好，冷却塔出力高、冷却性能好，冷却塔热力性能较高、热力衰减度较小。在运行远期，由于冷却塔本身填料老化、喷淋不均等累积问题较多，运行环境较恶劣，冷却塔冷却性能受到影响，不能很好地满足热湿交换的需求，具体表现为热力性能较低、热力性能衰减度较大。

由于不同时期冷却塔风机都会进行定期保养，如调整相关皮带松紧度等，因此在运行初期和中期风机单位风量耗电比相差不大，但在运行远期风机单位风量耗电比增加较多。

2.1.3水泵性能年演化趋势分析

18个车站冷水泵的额定功率在15～37 kW之间，平均值为21 kW；冷却水泵的额定功率在15～30 kW之间，平均值为21 kW。图7、8分别给出了不同时期地铁车站冷水泵和冷却水泵效率的测试结果。

图7 不同时期冷水泵效率实测结果

由图7可知，冷水泵平均效率在初期、中期和远期分别为1.12、0.91和0.82。由图8可知，冷却水泵平均效率在初期、中期和远期分别为0.96、1.21和0.79。综合来看，冷却水泵效率和冷水泵效率均在0.85[9]的标准参考限定值上下波动，与运行年限不存在明显的线性变化关系。这主要是因为水泵为非换热设备，其能效状况多，且与泵体的定期清理、电动机的定期保养等有关。

图8 不同时期冷却水泵效率实测结果

2.2 冷源系统能效年度演化特性分析

采用冷源系统能效比EER来评估不同运行年限冷源系统(包括冷水机组、冷却塔、冷却水泵和冷水泵)的能效，如图9所示。

图9 冷源系统能效比随不同运行年限演化趋势

由图9可知，冷源系统平均EER在初期、中期和远期分别为3.07、4.06和3.08，呈现中期较高、初期和远期较低的趋势。从实测角度分析，冷水机组出力就是整个冷源系统的出力，而整个冷源系统能耗以冷水机组为主，因此出现了与冷水机组一致的变化规律。造成运行初期冷源系统EER较低的主要原因是初期车站负荷率低，冷却塔和冷水机组均处在“大马拉小车”的低能效状态下运行。而在运行中期，车站负荷率较高，冷水机组和冷却塔在较高能效状态下运行，因此冷源系统能效比EER也较高。在运行远期，冷水机组和冷却塔等换热设备热湿交换效率均有所下降，从而引起冷源系统整体能效比下降。

3 结论

1) 实测车站冷水机组平均冷量衰减度在运行初期、中期和远期分别为10.94%、5.36%和14.17%，呈现中期较小、远期和初期较大的趋势；冷水机组COP在运行初期、中期和远期分别为3.78、4.64和3.92，呈现中期较高、初期和远期较低的趋势；冷水机组平均COP衰减度在运行初期、中期和远期分别为18.46%、12.02%和23.00%，呈现远期最大、初期和中期偏小的趋势。

2) 实测车站冷却塔平均热力性能在运行初期、中期和远期分别为81.46%、117.73%和72.70%，呈现中期较大、初期和远期较小的趋势；冷却塔平均热力性能衰减度在运行初期、中期和远期分别为37.47%、9.63%和44.19%，呈现中期较小、初期和远期较大的趋势；而冷却塔风机单位风量耗电比在运行初期和中期差别不大，但在运行远期相对初期增大65.4%，差异明显。

3) 实测车站中冷却水泵效率和冷水泵效率均在0.85的标准参考限定值上下波动，与运行年限不存在明显线性变化关系。

4) 实测车站中冷源系统平均EER在运行初期、中期和远期分别为3.07、4.06和3.08，呈现中期较高、初期和远期较低的趋势。

上述对不同运行年限的冷水机组、冷却塔、冷却水泵、冷水泵和冷源系统能效演化参数的研究成果，可为不同运行年限设备和系统的运行提供技术参考。在地铁环控系统的运行初期，可作为设备准入的技术参考标准；同时为中期运行设备的故障诊断提供冷源设备与系统能效的参考依据；而对于远期运行的设备，则可将上述设备和设备系统的能效参数作为设备大修或更换的参照。