摘要：为了突破现有地铁车站冷水系统的设计惯性，我们通过标准化冷水机房管路，使用高能效的冷源和高效的末端，达到对中央空调系统舒适性、高效性和节能性的运行要求。根据对运行数据的分析，进行不同工况下的动态调节，最终实现冷水机房、冷量输送、空调末端的高效匹配性、增加整体运行效率。广州地铁21号线苏元站通过以上优化水系统设置，较常规冷水系统设置节省了约57万kW.h，较大幅度的降低了地铁车站运营能耗。
关键词：环控系统 能效提升 控制策略 标准化
一、技术原理和内容
（1）技术原理
复杂环境下地铁环控系统冷量供需匹配性的能效提升技术研究注重于冷量从生产，输送到消费的全价值链的高效运行，通过标准化冷水机房管路，使用高能效的冷源和高效的末端，减少了系统的长期运营成本。设置一套高效节能控制系统，与传统的冷站群控相比，该系统不仅仅是对设备的监测，更重要的是实现系统的协调高效运行。在高效设备的基础上，根据对运行数据的分析，进行不同工况下的动态调节，最终实现制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备间的最优运行效率。通过优化控制策略实现冷量消费端的高效换热，实现冷量生产端按最佳负载点运行，实现冷量输送链按最高能效点运行。实现变负荷工况下整个能源系统综合性能优化，可保障冷源系统在任何负荷条件下，都高效率地运行，最大限度地降低整个冷源系统的能耗，实现变频设备，冷却水设备和冷却塔设备的最佳匹配和协调运行，达到综合节能。
（2）关键技术、工艺流程
2.1 冷量生产端
选用在小负荷下具备高能效的水冷主机，达到更高的冷源生产效率。同时为了保证主机侧不给冷量输送带来过多的压阻，除了采用大温差小流量的三流程蒸发器之外，还要对蒸发器的管束及布置进行优化从而进一步减少主机侧蒸发器水阻。
2.2 冷量输送链端
将广州地铁集团有限公司的“一种组合式冷水系统”专利应用于此次技术研究中，该专利公开了一种组合式冷水系统，包括连接冷却水泵、冷水机组、冷冻水泵以及分集水器组的拼接构件，该系统的连接管路采用模块化设计，能现场快速完成组合和拼装，提高工作效率,同时降低了机房内水管阻力[1]。选用变频冷冻泵适应多变负荷工况，达到更低的冷冻水输送能耗；选用变频冷却泵，启用备用变频冷却泵在变频转速下达到原来使用工频冷却泵，不启用备用泵的流量，保证主机冷凝器的冷凝温度尽可能低，提高主机能效。在冷却塔的选用上要充分发挥冷却塔的散热面积优势，尽量在相同的散热负荷下开启全部冷却塔面积，借此可以用更低的风机转速（功率）达到同样的散热效果。同时冷却塔尽可能朝着更低的出水温度运行，以降低主机的冷凝温度为第一目标，采用冷却塔出水温度=逼近温度+湿球温度控制冷却塔风机转速（功率），使用适当的频率达到该室外工况下的极限出水温度。
2.3 冷量消费端
为了适应大温差小流量的冷冻水工况，空调末端均需厂家配合进行特殊设计，增大换热器的面积，增加管径达到更低水阻，水阻以满足≯3m为目标，同时由于管径的增加相应的换热器的翅片间距增加，达到9~12片/英寸，不仅风阻降低而且可以有更好的防积灰效果。根据实际情况，对于负荷波动比较大的空调末端，采用变频节能控制，通过负荷预测实现进一步节能降排。
2.4 系统控制端
轨道交通地下车站的负荷有较大的日波动和年波动，车站内的能源消耗需要在外界气候条件、人群密集度及空调区域温湿度变化等复杂环境下考虑环控系统的控制模式调节，达到冷源“合理供应”的理想状态，使地铁环控系统具有自适应的调节功能,精细化控制通风空调系统的模式设置，从而实现节能的目的。
采用模糊控制和大数据分析的控制策略，智能预测负荷需求，做到供给侧与需求侧实时匹配；将智能控制、BAS、智能低压融合为一个风水电大系统集成，减少各专业间不必要的接口界面和交叉，系统功能更加完善合理；智能控制系统通过通讯读取主机相关运行参数，并深入控制机组压缩机负荷，保证机组和整个系统均处在高效运行工况点，达到系统最大化节能；采用变风量和变水量相结合的控制策略，实现“风水联动”控制；冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔加装变频装置，实现变频节能，同时通过“主动寻优”控制策略，实现各系统间的解耦控制，保证整个冷站机房的能耗最低。
（3）主要技术参数及其与替代的主流技术对比
1、小负荷采用直流变频离心主机冷水主机，主流技术轨道交通一般采用螺杆式冷水机组。
2、大温差冷冻水9℃/17℃，冷凝水31℃/36℃，主流技术为冷冻水7℃/12℃、7℃/14℃；冷凝水32℃/37℃。
（4）基准情景
相比较常规城市轨道交通车站水系统供回水温度采用7℃/12℃、7℃/14℃，本次能效提升采用9℃/17℃供回水温度。为了准确的说明问题，现在选用供回水温度为7℃/12℃的水系统作为基准进行比较。供回水温差增加以后，冷冻水流量减少，蒸发器冷水侧的水流速变小，对于冷量不变，我们有：
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， (1)
流量变化前蒸发器的传热系数可以表示为：
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其中为蒸发器制冷剂侧对流换热热阻，为冷水侧对流换热热阻，我们可以认为蒸发器制冷剂侧的对流换热热阻基本保持不变，按整个蒸发器热阻的37.5%[2]考虑，则有：
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本次采用三流程低阻力蒸发器，比普通二流程冷水机组蒸发器换热面积增加30%，即,供回水温差与流速v成正比，因此有
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式中、分别为2种不同冷水供回水温温差（℃）。蒸发器中对流换热温差通过蒸发器中制冷剂的蒸发温度计算得到，如果按供回水温差7℃/12℃时，蒸发温度为5℃考虑，9℃/17℃时蒸发温度可以计算到为6.4℃。一般来说，制冷机蒸发温度升高时，能耗将减少，当蒸发温度提升1℃，制冷机能耗减少约3%，所以当供回水温差有8℃时，制冷机能耗将减少4.2%。
当供回水温差增加后，流量减少，水泵的功率也相应的减少，杨程与功率N与流量成二次方与三次方的关系[4]，即：
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因此，改大温差后，流量变为小温差的62.5%，扬程变为小温差的39%，功率为原来的24.4%，大大的减少了水泵的运行功耗。
（5）应用案例概况
本次案例为广州地铁二十一号线工程苏元站，车站位于科丰路与开创大道交汇处，呈东西向布置，东端是科学广场站，西端是水西站，车站中心里程YDK16+871.00。该站为换乘站，在节能工程中属于难度系数较高的工程，车站总长度315.4m，标准段宽23.8m，东端最宽处为33.8m，西端最宽处为28.5m，本站与六号线换乘站，两线形成“T”字型换乘。两线站厅层公共区联通，形成共用站厅。
苏元站大小系统的制冷负荷分别为1018.2kW和736.8kW，总冷负荷为1755kW，占总负荷的比例分别为58.01%和41.98%。大系统采用全空气一次回风系统，双端送风,负担整个车站的负荷。在车站两端的通风空调机房内各设置一套系统，分别负担公共区一半的空调负荷。同时根据各设备管理用房的不同使用功能要求,结合其实际建筑布局情况,本站共分设有19个小系统,其中A端共14个;B端共5个，其中空调小系统为7个。
( 6 ) 苏元站的节能方案确定如下：
1、采用三流程高效变频直驱离心冷水机组，较常规采用的螺杆冷水机组更高效，更能适应复杂的地下车站的负荷变化，采用高效的冷水机组，通过内部管束排布，降低了冷凝温度，换热效率增加了10%，综合性能系数提高了10.8%。
2、冷冻泵与冷却泵变频设置，9℃/17℃供回水温差较常规水系统降低了输送能耗，经计算，冷冻水泵定额功率降低了75%。
3、与常规冷却塔比较，本次增加了冷却塔采用一级变频电机，采用变流量布水盘和增加了大转速方案。
4、为了适应大温差方案的制冷、除湿要求，空调末端表冷器增加盘管排数、增加换热面积。
二、评价指标
（1）节能减碳能力
应用案例通过计算可以得到，机房全年制冷量为5082345KWh，全年耗电量为933024 KWh，全年平均SCOP为5.45。
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（3）技术先进性
1、通过冷水机房设备管路标准化、装配式化设计和安装，规范城市轨道交通车站中冷水机房规模、设备布置、管线布局，以最优的机房装配式集成方案降低冷媒运输损耗、缩短工程周期，提高安装精度，在城市轨道交通中属于领先水平。
2、根据高于常规供回水温差的水系统，匹配相对应的制冷机、水泵、冷却塔以及空调末端、形成了一套多位一体的综合系统创新节能技术，制冷机房综合能效达到5.0以上。
（4）技术可靠性
标准化冷水机组设计和装配式施工优化了机房管路，大温差减少了冷水输送能耗，同时采用高效变频主机，IPLV综合能效7.8；优化空调末端，即使在大温差下，也能满足除湿要求。
三、结论
城市轨道交通冷水机房的高效设计对整个车站的节能起着重要的作用，本次研究成果将影响其他线路的冷水机房的升级，在城市轨道交通节能设计方面起到示范作用。
参考文献
[1]王毅，罗定鑫等， 广州市城市轨道交通冷水机房标准化设计技术标准
[2]宣晨晨，祝健，李跃萍，建筑热能通风空调
[3] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣，传热学
[4]蔡增基 ，流体力学泵与风机