集成冷站亟于城市轨道交通空调系统节能措施研究彭少柯--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

集成冷站亟于城市轨道交通空调系统节能措施研究彭少柯

发表时间：2020/9/3 来源：《基层建设》2020年第13期作者：彭少柯

[导读] 摘要:轨道交通传统螺杆机水冷方案的节能效果已不满足当前节能发展趋势，需要引进更加精细的空调控制系统以节约能耗、增加乘客舒适度、降低运营成本。

        佛山市铁路投资建设集团有限公司广东佛山 528000
        摘要:轨道交通传统螺杆机水冷方案的节能效果已不满足当前节能发展趋势，需要引进更加精细的空调控制系统以节约能耗、增加乘客舒适度、降低运营成本。集成冷站控制系统将空调水系统各设备进行优化，从设备选型、参数设置、联动控制在设计、施工、调试等方面进行融合，达到水系统最优，是当前已经运用并逐渐在各城市轨道交通进行推广运用，符合国家节能减排政策，也为空调全系统节能（风-水联动）的最终成熟与运用奠定基础。
        关键词：轨道交通；空调节能；水系统；集成冷站；趋势研究
        1绪论
        1. 1项目现状
        随着全球能源形势日趋严峻，政府对节能工作越来越重视，不仅制订颁布了有关的法律法规，同时各级地方政府根据中央的要求针对各行业特点对行业节能目标进行了细化和分解，并制定了相应的工作措施。城市轨道交通行业是我国正逐渐发展壮大的新兴行业，是城市大运量公共交通的主要方式，有关研究资料表明，同等运量条件下城市轨道交通比汽车能耗低3-4倍，因此城市轨道交通是一种节能型的公共交通方式。
        当前，能源短缺和环境污染问题已成为全球性的问题，城市轨道交通虽然已是绿色交通工具。市场调研显示，1条25公里左右的轨道交通运营线路，1年的耗电量约在1-2亿千瓦时，是各城市的用电大户。故而必须在规划、设计、建设以及运营等各环节做好节能研究、策划和管理工作，最大程度减少能源消耗。
        1.2 研究的背景及意义
        城市轨道交通相对于公交车、出租车而言具有运量大、时间快、消耗低等巨大优势。随着城市框架的不断拉大，各地均在大力发展轨道叫他那个缓解交通压力。“低碳经济”概念的提出使城市轨道交通能耗问题越来越受到重视，这也是建设集约型社会的必然要求。城市轨道交通系统节能是实现交通领域减排的工作重心，因此如何建设节能的轨道交通系统成为轨道交通系统前期建设与后期运营极为重要的研究课题。
        通风空调系统作为轨道交通运营的能耗大户，其节能措施的研究一直备受关注。近年来，从传统的单螺杆机到双螺杆变频机组，从传统冷却方式到直膨式蒸发冷凝方案，各种新的节能措施逐步成熟。本文将针对机房集成冷站的应用趋势及节能减排目标进行阐述，以冀为地铁建设可持续发展奠定的基础。
        1.3行业现状
        城市轨道交通系统是一个复杂的系统，由众多的小系统构成，包括：车辆系统、设备系统、信号系统、消防系统、供电系统、车站系统等，其中主要的能耗方式是电能和水资源。城市轨道交通能源管理与能耗标准研究现状节能的基础是定量化、精细化的能源管理。
        为实现城市轨道交通系统的节能，需要统筹考虑建设期和运营期的工程实施，技术标准和运营规模，以低资源消耗为目标，建设方与运营方应相互沟通、齐心协力把节能运营与节能建设衔接起来，最终实现城市轨道交通综合节能的目标。

        图表 1地铁运营能耗分布图
        2通风空调系统节能策划
        2.1 节能需求
        地铁通风空调和防排烟系统由隧道通风和防排烟系统、车站公共区通风空调和防排烟系统（简称车站大系统）、车站设备管理用房通风空调和防排烟系统（简称车站小系统）和空调水系统组成。空调水系统空调设备有冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等；还涉及膨胀水箱、分集水器、阀门（手动、电动）等附件；以及空调水管（及保温）、阀门、附件安装、调试。空调大系统和小系统涉及的空调设备有站厅、站台公共区使用的组合式空调器、设备管理区使用的空调箱、对应的回风机等；相应的空调风管、风阀附件、风口、保温等制作安装，以及空调风系统的风量平衡调试。空调自动控制系统的主要设备为各种温度、湿度、流量、压力传感器，作为数据采集及系统运行监控的依据；另根据空调负荷变化及工况调节需要设置各种变频设备，以及控制、调节阀门，如电动蝶阀、电动调节阀，电动风阀等。
        2.2运营期的节能减排需求
        国家推广落实节能减排的力度日益加大，而地铁通风空调能耗居高不下，长期占据整个地铁能耗的30%以上。尤其是华南地区冬暖夏热，空调季节长达八个月以上，相比其他地区，地铁通风空调节能压力与日俱增。我国目前常规运行的地铁站空调制冷机房年平均综合能效比为3～4，如现超高效制冷机房能效比5.5以上，将实现节能30%以上，整个地铁能耗节省10%以上。目前，传统通风空调系统节能主要存在以下问题：
        首先，设备选型不合理，单机容量偏大，常出现大马拉小车情况。地铁车站通风空调系统设备、系统容量按照远期（建成25年后）的负荷设计，实际近期负荷都在设备容量的三分之一以下。因此近期运行时靠自控调节，导致正常运行负荷远大于实际工作负荷。
        其次，设备调试过程粗糙，部分设备投入运营后工作不正常。部分地铁车站的冷水机组、空调机组、水泵、冷却塔及阀门在单机调试、综合联调过程中未进行现场性能测试。水管路上的温度、压力、流量传感器，室内的温湿度传感器、二氧化碳传感器运行状态没有进行校正，导致控制系统接收到的信息失准。空调送风系统的风平衡没有进行测试，风量失调情况严重，特别是最不利风口可能出现无风的情况。此外，屏蔽门的气密性没有验收测试。因此，即使自控策略是正确的，也几乎必然导致错误的结果！
        另外，部分线路、站点的空调冷源方案存在设计不合理、管网布置不合理等现象，极大增加了运输能耗。空调系统的五次换热过程下图所示，常规地铁空调系统未进行优化设计。

        空调系统五次换热过程
        最后，传统轨道交通通风空调控制系统由BAS主导，模式控制侧重实现功能，节能方面效果不理想，屡屡出现自动控制变成手动控制的情况。特别是缺乏节能减排下的通风空调系统性能验收，使得运营单位也并未重视传感器设置位置的合理性及采集数据的准确性，更不谈空调系统的实际运行效率。因而不能借助控制系统分析诊断设备的问题，减轻人工巡检设备的工作强度，更无法实时掌控统计系统实际能耗。
        2.3建设期项目管理的优化需求
        地铁空调系统由空调制冷水系统、空调风系统和空调控制系统组成，目前在专业管理（设计+设备）环节，传统通风空调系统由通风空调、低压、BAS三个专业共同参与，在设备选型、设计联络的横向沟通接口较多，遇到问题协调效率低下，不利于统一管理。在很少关心系统实际运行能效的情况下，很难证明所有通风空调甲供设备的实际参数表现与合同约定完全一致，导致设备项目管理方面及节能效果方面不能尽如人意。
        2.4行业发展的创新机会窗口
        广州、深圳、长沙、重庆、武汉等多个地铁公司在新线和已运营线路上的地铁通风空调节能探索和应用已走在前列。因此，外部的节能压力叠加行业节能技术的发展和成熟为我们在新线阶段采取节能措施提供了宝贵机会窗口。
        自动控制系统是在满足空调系统在满足功能需求的前提下，实现按需制冷（冷源系统），按需供冷（空调风系统），并实现两者的匹配，并结合室外气象参数、客流情况等因素制定不同的控制策略。
        2.5通风空调系统负责水系统节能控制方案
        空调系统节能需要以通风空调专业技术人员为主导，全程参与设计、深化设计、施工、空调系统调试、自控策略制定、控制系统调试及最终运行性能验收。节能控制系统应能够根据预测结果提前将冷水机房设备调整到最优工况下运行。应重点关注如何实现车站负荷变化的预测及如何将将冷水机房设备调整到最优工况下运行。
        水冷式冷水机组控制策略：冷水机组的加、减载由节能控制系统根据冷负荷的变化进行控制。当LD≤50%时，开启一台冷水机组，冷冻水泵变频运行；当50%＜LD＜100%时，开启两台冷水机组，冷冻水泵变频运行；当LD=100%时，冷冻水泵工频运行。通过机房COP值的寻优实现水冷式冷水机组的高效运行。
        （主机COP）

        空调水系统节能控制原理图
        节能控制系统应能够根据车站负荷变化情况，实时调整冷水机组及压缩机的加减载和负荷，通过主动寻优策略确保冷水机组负荷率在高效区运行。在过渡季节和夜间低负荷运行时，节能控制系统应能够采取各种有效措施避免单台冷水机组长期在低负荷率下长期运行，节能控制系统采取的措施不能以增加冷水机组的开关机次数为代价，过渡季节及夜间低负荷运行时，冷水机组的开关机频率应≤1次/小时。
        节能控制系统管理平台应能够实时记录每台冷水机组的COP、冷冻水工况、冷却水工况，并形成三维曲面图，根据长期数据积累主动寻优节能控制系统的控制算法，确保节能控制系统能够长期运行在高效区。
        节能控制系统应能够根据冷冻水供回水压差和温差，调节冷冻水泵频率，在满足最不利端的供水需求的前提下通过智能化控制策略优化冷冻泵的运行频率，确保冷冻水系统在经济区运行。节能控制系统对冷冻水泵的控制策略应以提高整个冷水机房COP为目标。
        压差旁通阀的自身具备压差控制开度的功能。节能控制仅控制其启用和停用。停用时压差旁通阀全关。系统按以下规则控制压差旁通装置的开度：a.当冷冻水泵的频率未达到下限（即冷冻泵频率>30Hz）时，压差旁通装置不启用自身调节功能，旁通阀保持全关。b.当冷冻水泵的运行频率达到下限（30Hz），且持续超过180秒时，启用压差旁通装置自身调节功能。
        节能控制系统应能够根据冷却水工况变化实时调整冷却水泵的频率，在冷水机组部分负荷和低负荷状态下，节能控制系统应能够根据室外湿球温度，充分利用早晚和夜间湿球温度相对较低的特点，采用不同的冷却水供回水温差，有效降低冷却水泵能耗。节能控制系统对冷却水泵的控制策略应以提高整个冷水机房COP为目标。
        节能控制系统应能够根据室外温湿度传感器计算出室外湿球温度，根据室外湿球温度自动调整冷却塔的散热效果，确保冷却水回水温度尽量接近室外湿球温度，冷却塔风机的变频控制策略应通过主动寻优算法，自动调整冷却塔频率使冷却水回水温度尽量接近室外湿球温度。节能控制系统对冷却塔的控制策略应以提高整个冷水机房COP为目标。
        节能控制系统对冷水机组、冷冻泵、冷却泵和冷却塔的控制应以提高整个冷水机房COP为目标，通过长期数据积累主动优化节能控制系统的控制算法，确保节能控制系统能够长期运行在高效区。
        在接口调整方面主要涉及如下改变：
        （1）在地铁建设的专业项目管理上，空调水系统节能控制由BAS及动力照明专业转移到通风空调专业。因此，水系统的水泵、冷却塔变频柜等均由通风空调专业自己提供。
        （2）通风空调专业设计进行相关设计计算，按照精细化设计的要求，从空调系统全生命周期内整体运行能耗的角度，考虑设备选型参数，合理提出变频设备、各类传感器、计量装置等需求，并协助承包商完成节能控制逻辑。
        动力照明专业设计常规设备的配电及变频器上游的供电回路。
        BAS专业软件按照空调冷源和风系统设置不同深度的接口：空调冷源系统，BAS只提供是否供冷的开关信号，所有冷源系统的数据采集，设备的开关、运行频率，介质温度及空调区域温度控制，阀门开度均由节能控制系统自主控制，但预留数据通信接口；为避免影响消防模式及与综合监控系统的接口，风机及风阀的开关仍由BAS控制，但风机的频率及电动调节阀开度由节能控制系统控制。
        通风空调专业按照精细化设计的要求进行相关设计计算，从空调系统全生命周期内整体运行能耗的角度进行全过程的系统设计，深化设计，考虑设备选型参数，合理提出变频设备，各类传感器、计量装置等需求，协助完成节能控制逻辑，通风空调专业设计作为唯一设计接口就整个通风空调系统的能耗设计对业主负责。
        动力照明专业不再为通风空调专业提供变频器，BAS专业不再为通风空调专业提供传感器及阀门， BAS专业按照空调冷源和风系统设置不同深度的接口；空调冷源系统，BAS只提供是否供冷的开关信号，所有冷源系统的数据采集，设备的开关，运行频率，介质温度及空调区域温度控制，阀门开度均由节能控制系统自主控制，但预留数据通信接口；为避免影响消防模式及与综合监控系统的接口，风机及风阀的开关依旧由BAS控制，但是风机的频率及电动调节阀开度由节能控制系统控制。
        2.6通风空调节能控制系统承包商选择和分析
        通风空调节能控制系统承包商应完成整个控制系统的优化选型、三维仿真、模块化设计、力学分析、节能控制、现场拼装、模块运输、工厂预制、系统调试等工作内容。
        通风空调节能控制系统承包商牵头，联合水泵、冷却塔、末端、变频风机、节能控制系统组成集成项目部，对设备选型、系统方案制定、设备生产验收、安装调试实行全过程管理。责任归一，避免纠纷。
        管路优化、缩减占用空间：通过结构优化设计和三维仿真设计，实现对冷冻站的整体最优布局，节省占地面积和材料耗费。依托BIM技术平台，在设计单位初步设计的基础上，开展二次深化设计、三维建模、三维仿真，对设备进行参数优化，对系统模块拆解，通过工厂预制、现场拼装而实现设计、安装、调试、运营的统一性及一致性。同时加快工期。智能化控制：实现无人值守自动运行，降低系统运行费用，维护、巡查难度，提高运行稳定性。通过数据分析和自动调节，使系统运行在正常工作点上，减少故障发生，保证系统持续稳定运行。

        某车站冷水机房工厂预制、模块运输、现场拼装效果图
        目前，全国各个地铁都在尝试将空调系统的节能控制交给专业的空调系统设备厂家或控制厂家去做，并且已有众多线路取得了较好的效果。其优势在于：
        （1）对节能控制系统相关设备、附件品牌性能熟悉。
        （2）对于各种供电柜机控制柜、以及节能控制系统柜的深化设计经验丰富。
        （3）节能控制软件的编制，系统调试的经验丰富。
        2.7典型车站通风空调系统预期节能目标
        地铁标准车站空调负荷一般约1200kW，对应选用2台螺杆式冷水机组，换乘站空调负荷2000~2400kW之间，一般选用3台螺杆式冷水机组。根据国家标准《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015），对应的名义工况下（冷却水30~35℃，冷冻水7~12℃）最低制冷性能系统为SCOP=4.4（不含冷冻水泵）。
        美国制冷空调协会的推荐标准中，针对于电制冷驱动的离心式冷水主机在全年运行工况下（冷冻水供水温度42℉（5.6℃），最高冷却水进水温度85℉（29.4℃））的“机房COP”（含主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔）划分如下：5.0以上为优秀，4.1~5.0为良好，3.5~4.1为合格，；3.5以下为不合格，需改进。
        根据以上对比及国内现行水平，结合目前地铁车站的空调系统设置情况，集成节能控制系统的优化效率水平必须使整个制冷系统在满足设计标准的前提下，冷水机房年平均COP优于4.8，且冷水机房设计工况下的COP优于4.2。
        3 通风空调系统节能研究方向
        3.1节能控制策略的优化探索
        制冷系统采用大温差高温冷冻水、低温冷却水设计优化，冷水机组出水温度再设定；关注输送能耗：设备阻力、管路阻力深度优化。通过对车站负荷逐时、逐日、逐月的计算可获得准确的制冷总负荷、最小制冷负荷，获得详细的车站日负荷变化规律和年负荷变化规律。剔除设计选型余量、为系统精细化设计、设备精细化选型及精确控制提供前提。
        采用冷量差异化配置超高效串联逆流冷水机组，创新大温差、出水温度可调、冷却塔变频调速、变流量及高度集成节能控制系统等多位一体的综合系统节能技术。在3号线或者后续新线的部分站点可尝试做超高效机房的科研项目。通过试点站的实施，可检验节能控制系统的稳定性，甄别不同技术解决方案间的优缺点。通过运营数据挖掘和能耗分析，进一步验证与优化节能控制策略。
        3.2运营智能性的优化探索
        通过数据和图表的可视化，实时监测能耗异常。报表管理，提高运营工作效率。通过数据分析，进行预防性维护管控。运用信息技术和通信技术手段自动感应、分析、整合地铁环控系统的各项关键信息，对包括系统设备采购、安装调试、运营维护、安全保障在内的环控系统全寿命周期做出智能化有效管控。其实质是利用先进的信息技术，实现环控系统的智慧式管理和运行，其核心是实现环控系统的长期高效稳定运行，进而为旅客提供更良好的服务，促进地铁的可持续发展。
        4结论
        综上所述，当前城市轨道交通亟于国内人均能源储量不足，能源使用增速，空调系统作为能耗大户，节能形势依然严峻。由于空调水系统控制的逐渐成熟，使得集成冷站方案成为当下优选。
        集成冷站减少了同BAS、低压等专业之间的接口协议、同时优化了系统内部的设备选型、联合控制等，融合优化了整个空调水系统，减少了设备在设计参数上的浪费。从空调水系统全生命周期分析，建设过程中控制柜、控制电源的增加低于空调水系统设备费用的10%，而运营过程中可减少空调系统约30%的电能，全生命周期内整体成本将大幅下降。
        节能是一个系统工程，与各系统紧密结合。节能系统的最优，从某一特定专业来讲，离不开新技术的应用，也需要各个专业的共同优化。本论文是对轨道交通空调水系统相对于传统模式的节能研究，适合当前形势，不是研究终点。进一步的研究与运用需要将风系统与水系统结合设计，达到空调全系统节能，亦即风-水联动控制模式。
        参考文献
        [1]《采暖通风与空调调节设计规范》GB50019-2003
        [2]《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012
        [3]《地铁设计规范》GB 50157-2018
        [4]《民用建筑暖通空调设计技术措施》第二版