新型磁悬浮冷水机组在轨道交通中的应用和性能分析

杨才红

（杭州铁路设计院有限责任公司，浙江 杭州 310009）

1 前言

通过对比全国各地的城市轨道交通技术发展现状，轨道交通的耗能量巨大，其中环控系统内能耗占总能耗的30%，通过对环控系统的节能优化设计，提高环控系统平均能效比，使得节能有40%以上。与传统水冷螺杆式冷水机组相比，磁悬浮蒸发冷变频离心式冷水机组的耗电量降低43.7%。张运乾等提出了一种水冷磁悬浮变频离心式冷水机组的开发、机组设备的技术特征，且与制冷量相当的水冷螺杆式机组参照，磁悬浮蒸发冷变频离心式冷水机组节省运行费用约30%。本文通对比核算浙江某轨道交通蒸发冷凝模式，提出新型的磁悬浮变频离心式冷水机组应用于地铁设备，实现城市轨道交通环控系统全寿命高效运行。

2 新型磁悬浮变频离心式冷水机组性能分析

2.1 新型磁悬浮变频冷水机组原理

磁悬浮变频冷水机组工作时，冷却水由水泵送至冷凝管组上部喷嘴，均匀地喷淋在冷凝排管外表面，形成一层很薄的水膜，高温汽态制冷剂由冷凝排管组上部进入，被管外的冷却水吸收热量冷凝成液体从下部流出，吸收热量的水一部分蒸发为水蒸汽，其余落在下部集水盘内，供水泵循环使用，风机强迫空气以3～5m/s的速度掠过冷凝排管促使水膜蒸发，强化冷凝管外放热，并使吸热后的水滴在下落的进程中被空气冷却，蒸发的水蒸汽随从空气被风机排出，未被蒸发的水滴被脱水器阻挡住落回水盘。水盘中设浮球阀，自动补充冷却水量。

磁悬浮变频离心式冷水机组有其独特的经济器。磁悬浮变频离心压缩机，轴承采用磁悬浮轴承，轴在轴承之间呈悬浮状态旋转，无须润滑油润滑，使冷水机组系统更简洁，维护更方便的同时避免了润滑油对换热器换热效率的不良影响。磁悬浮变频离心式冷水机组采用永磁变频电机，通过改变电机的转速改变机组制冷量，实现负荷调节，在部分负荷时达到更高的性能系数，具有显著的节能效果。

图1 新型磁悬浮变频冷水机组原理

图2 新型磁悬浮变频冷水机组

2.2 机房效能比分析

冷源综合制冷性能系数中不包括冷冻水泵的功耗。从表1可以看出，根据设计工况下机房制冷设备参数计算出的两端机房能效比为3.38、3.35，除水泵耗功外综合制冷性能系数3.82、3.75，由此可以对比得出，在机组的高效平稳运行下,制冷量相近，输入功率越低，机房能效越高，设备使用更加节能高效化。以上两站的机房能效仅为一般效率机房，根据机房效能比，制冷主机房全年平均能效比低于3.5为需要改进，3.5～4.1为一般效率，4.1～5.0为高效机房，5.0以上为超高效机房。本着此观点提出对空调系统能效提升优化的建议。

表1 10号线示例车站制冷机房设备主要参数

表2 某型号磁悬浮变频离心式冷水机组输出参数如下

表3 示例车站采用磁悬浮冷水机组后环控系统运行费用对比

3 空调系统能效提升优化建议

设备选型优化：

以杭州10号线示例车站参数为对照，配置两台制冷量相近的磁悬浮变频离心式水机组，单台制冷量530kW，合计制冷量为1060kW。

磁悬浮变频离心式冷水机组根据车站的负荷波动进行冷量调节，将两个机组的优点充分发挥，达到节能环保的目的。

针对杭州10号线示例车站的制冷量需求和优化后的冷冻水供回水温度，冷却水进水温度为恒定为32℃时，采用经AHRI认证的选型软件选出制冷量和水温都一一匹配机组，IPLV为7.086，当处于高峰期两台机组齐开以满足需求，当在除高峰期外的时间可以使两台机组在不同负荷下运行以满足需求。

依照国家标准《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组》（GB T18430.1-2007 3.2.1章节的内容，综合部分负荷性能系数（IPLV）定义为制冷设备即冷水机组的部分负荷效率指标，反映冷水机组不同负荷需求时综合性能指标，机组在指定负荷下运行时间的加权因素获得，如式（1）。

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D（1）

式中，A为100%负荷时的性能系数COP（kW/kW）；B为75%负荷时的性能系数COP（kW/kW）；C为50%负荷时的性能系数COP（kW/kW）；D为25%负荷时的性能系数COP（kW/kW）。

4 经济效益分析

4.1 项目新增投资估算

杭州10号线示例车站采用磁悬浮变频离心式冷水机组，涉及对冷水机组、冷冻水泵、末端设备等的优化选型，并新增高效节能控制系统，将原车站BAS、低压的部分工程纳入节能控制系统中，主要增加的是磁悬浮变频离心式冷水机组及控制系统投资。杭州10号线某站投资比原投资增加额约为93万元。

4.2 节省电费估算

为简化计算，常规的环控系统年平均能效比按2.3计算，本项目环控系统年平均能效按4.333计算，对于杭州地区，空调季按9个月计算，每日空调系统按运行16h计算，平均负荷按40%考虑。电价按0.7416元/kWh（浙价资【2018】88号）计算。

杭州10号线某站全年供冷量耗电量=1092.8(车站装机总冷量)×9（运行月数）×30（每月天数）×16（全天运行小时数）×40%（平均负荷率）=188.4万kWh。

5 结语

（1）选用磁悬浮冷水机组以使得整个系统能效比最高且拥有自动排污技术，可以实现自清洁，不停机拆洗过滤网，以及阻垢装置。用磁悬浮变频离心式冷水机组机组，采用磁悬浮压缩机技术、直流变频控制技术、无油润滑等先进技术，产品能效比得以提高，机组可实现2%～100%负荷连续智能调节出水温度控制精度±0.1℃，温度波动小舒适性强，机组在部分负荷时的能耗有着非常显著的效果。

（2）对10号线某站制冷机房全年能效比的计算表明，选用磁悬浮冷水机组可满足环控系统全年平均能效比＞4.0满足优化设计目标。同时采取多项技术，使冷水机组在全寿命周期均保持高效运行。

（3）磁悬浮离心式变频机组节能高效，运行费用低，安装简单施工费用低，维保费用低，主要运行安全稳定，抗喘震。