水蓄冷技术在地铁车站节能中的应用_朱蒙.pdf

节能技术与应用58节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023水蓄冷技术在地铁车站节能中的应用朱蒙1，2 陈磊3（1.河北和腾城乡规划设计有限责任公司，河北 石家庄 050000；2.河北省城乡规划设计研究院，河北 石家庄 050000；3.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）摘要：以天津某地铁车站为研究对象，分析其远期设计工况下的冷负荷变化特点。车站白天与夜间的冷负荷相差较大，夜间工况大部分时间下单台制冷机组负荷率小于25%，其运行效率与最佳工况相差45%，整个空调期制冷机组近1/3的时间处于低负荷率工况运行，冷源系统配置不合理。因此，结合消防水池进行蓄冷，确保制冷机组始终在较高效率下运行。水蓄冷系统在整个空调期的节能率为6.0%，有效解决了冷源系统配置不合理的问题。新建车站采用水蓄冷系统，可以减小制冷机组装机容量27.8%，较常规系统节能7.6%，减少碳排放13.9 t/a。关键词：地铁车站；水蓄冷技术；制冷机组；负荷率中图分类号：TU831.3 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）05-0058-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.015引言随着城市地铁的快速建设和发展，地铁耗电量占城市总耗电量的比重日益增大。其中，地铁通风空调系统耗电量约占地铁总耗电量的30%50%，其节能潜力巨大且节能方法较多1-2。地铁运营时间为白天，夜间地铁停止运行时，地铁站公共区通风空调系统关闭，设备及管理用房通风空调系统处于部分负荷运行状态。因此，地铁站白天与夜间的冷负荷差值较大，而制冷机组的选型难以确保其在两种工况下高效运行，导致夜间制冷机组严重偏离最佳工况，能效偏低。蓄冷技术可以将负荷转移至低谷时段，节省运行费用；还可以保持制冷机组满负荷运行，提高机组运行效率。结合消防水池采用水蓄冷技术，对地铁站冷源系统进行改造和优化，控制制冷机组运行时段，为地铁站冷源系统的合理设计及高效运行提供参考。1地铁站冷负荷变化及其影响因素分析地铁站公共区通风空调系统（大系统）冷负荷主要由7部分组成：客流的散热、散湿；通风空调系统的新风负荷；公共区照明设备的散热；电梯、售票机、通信等设备的散热；车站维护结构的散热、散湿；车站出入口通道的新风渗透负荷；车站隧道通风引起的其他负荷。行业内对大系统冷负荷的研究较为深入，并形成了成熟的计算模式3-4。地铁站设备及管理用房通风空调系统（小系统）房间冷负荷受设备发热量、通风空调系统新风量、工作人员数量、照明设备发热量、壁面的散热和散湿等因素影响5。客流和通风空调系统新风构成冷负荷两大因素6。其中，新风量变化是为了满足客流最小新风量的需求，一定限度上随着客流数量的增加而增加。以天津某地铁站为例，站厅公共区面积为3 111 m2，站台公共区面积为1 763 m2。地铁运行远期客流数量变化情况如图1所示。空调采用屏蔽门系统制式，车站远期设计工况夏季典型日冷负荷如图2所示。地铁站冷负荷变化规律与同时在站的客流数量变化趋势一致，客流数量变化是引起地铁站冷负荷变化的主要因素。2冷源系统配置合理性分析该地铁站最大冷负荷为1 260 kW，出现在客流早高图1地铁运行远期客流数量变化情况图2车站远期设计工况夏季典型日冷负荷作者简介：朱蒙（1989），男，硕士，工程师，研究方向为暖通空调设计与系统节能。收稿日期：2022-10-25引用本文：朱蒙，陈磊.水蓄冷技术在地铁车站节能中的应用 J.节能，2023，42（5）：58-60.节能技术与应用59NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION峰，为了满足空调系统最大冷负荷需求，其冷源设置2台制冷量为630 kW的螺杆式水冷冷水机组。地铁站白天运行时，大、小系统正常工作，总冷负荷均处于850 kW以上，在开启双台制冷机组的状态下，负荷率大于67%。地铁站夜间运行时，仅小系统工作，大部分设备房间、变电所房间的电气设备处于部分负荷运行状态，人员房间除去值班室全部处于无人状态。因此，通风空调系统夜间工况下供冷量相对较小。仅开启单台制冷机组的状态下，负荷率仅为25%左右。该站制冷机组采用冷冻水一次泵变流量系统，室外空气参数不变的情况下，制冷机组负荷率与性能系数（COP）的关系如图3所示。由图3可知，制冷机组满负荷运行时效率最佳，机组负荷率小于50%时，运行严重偏离设计工况，COP急剧下降。制冷机组夜间运行COP约3.35，与最佳工况（COP为6.08）相差45%，导致该时段制冷机组运行能效偏低。根据天津逐时气象参数7和该地铁站逐时客流数据，计算空调期的车站小时冷负荷。冷负荷大于630 kW时开启两台制冷机组，冷负荷不大于630 kW时开启一台制冷机组，统计单位时间的机组负荷率，并将负荷率分为四段，分析每段负荷率下的机组运行时长和所占比例，制冷机组各负荷率下的运行时长如图4所示。由图 4 可知，制冷机组 30.0%的时间负荷率低于25%。58.9%的时间负荷率处于50%75%，3.3%的时间负荷率处于 25%50%，7.7%的时间负荷率处于 75%100%。因为夜间工况下仅有部分小系统运行，冷负荷偏低，开启一台制冷机组的情况下，绝大部分时段负荷率仍不超过25%；白天工况下大、小系统均正常运行，开启两台制冷机组的情况下，绝大部分时段负荷率超过50%，但满负荷运行时间较短，仅有小部分时间室外空气温度较高时负荷率超过75%。制冷机组每天近1/3的时间处于低负荷率工况运行，偏离最佳工况，导致整个空调期夜间工况下能效偏低，冷源系统配置不合理。3基于水蓄冷技术的冷源系统为了解决冷源系统配置不合理的问题，可以在制冷机房增设一台小容量制冷机组，以满足地铁站通风空调系统夜间运行需求。但从建筑方案的角度分析，在空间严重受限的地下制冷机房增设一台冗余制冷机组，土建投资较大，建设方案不尽合理，未很好地解决该问题。地铁站设计初期，市政水源不能满足消防给水设计流量或仅有单路供水水源时，需要设置消防水池，部分地铁站为了满足建筑消防要求，配套设置消防水池。地铁地下车站室内消火栓设计流量不应小于20 L/s，火灾延续时间为2 h8，按该条件计算消防水池容量为144 m3。实施峰谷分时电价政策地区，部分民用建筑为了节约制冷机组运行费用，结合消防水池设置水蓄冷系统，并取得了较好的经济收益9。在地铁站中应用水蓄冷系统可以提高制冷主机能效10。结合地铁站冷负荷变化特点，对于配置消防水池的地铁站采用水蓄冷空调系统，即制冷机组夜间边制冷边供冷，将制取的多余冷量储存在经保温处理后的消防水池，制取冷量满足整个夜间冷负荷需求后，关停制冷机组，仅开启释冷水泵利用消防水池内的冷冻水进行供冷。地铁站一般为地下两层或地下三层，高度较低，为了减少换热次数，降低对机组蒸发温度的影响，优先采用直接式水蓄冷系统。水蓄冷空调系统原理如图5所示。4水蓄冷系统能耗分析对地铁站进行全年冷负荷分析，空调期为每年5月15日9月15日，根据空调期车站小时冷负荷，统计每日冷负荷。原系统空调期每日冷负荷变化如图6所示。图3制冷机组负荷率与性能系数（COP）的关系图4制冷机组各负荷率下的运行时长图5水蓄冷空调系统原理图6原系统空调期日冷负荷变化节能技术与应用60节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023根据制冷机组部分负荷率下COP值，得出空调期原系统制冷机组总耗电量为31.6万kWh。该地铁站消防水池有效体积容量为144 m3，避免制冷机组蒸发压力过度降低导致COP下降过大，消防水池内蓄冷水温度取6，即制冷机组制取的冷冻水温度在蓄冷工况下较正常制冷工况低 1，取消防水池的完善度为88%，体积利用率为95%，有效蓄冷量为1 120 kWh，蓄冷系统空调期制冷机组总耗电量为29.7万kWh。原系统与水蓄冷系统空调期日耗电量变化情况如图7所示。水蓄冷系统较原系统节能6.0%，有效解决了通风空调系统夜间工况下冷源系统配置不合理的问题，使制冷机组更多时段处于高效运行状态。按照生态环境部关于做好2022年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知环办气候函2022111号，电网碳排放因子取值为0.581 kg CO2，水蓄冷系统较原系统减少碳排放11.0 t/a。5新建车站冷源优化对于配置有消防水池的新建车站，在设计初期可以考虑采用水蓄冷系统。利用夜间蓄冷对白天高峰期冷负荷进行削峰，制冷机组转入白天运行工况前，将消防水池蓄满冷量，待高峰期释冷，高峰期制冷机组和消防水池同时对地铁站通风空调系统供冷，以此减小制冷机组装机容量。为了方便横向对比，假设新建车站冷负荷与上述既有车站相同，在满足全天空调冷负荷的前提下，以制冷机组装机容量最小为原则，选择两台容量为455 kW的制冷机组，可以减小装机容量27.8%，典型日制冷机组直接供冷、蓄冷以及释冷情况如图8所示。在满足全天空调冷负荷的前提下，制冷机组于6：00启动，一直高效运行至24：00，同理可计算新建车站水蓄冷系统年耗电量为 29.2 万 kWh，较常规系统节能7.6%，减少碳排放13.9 t/a。节能性分析基于地铁站远期设计工况进行，在地铁站运营初期和近期，客流量、发车对数小于远期，导致车站近期冷负荷与远期具有较大差距。因此，初期和近期冷源系统夜间工况负荷率更低，采用水蓄冷技术的节能率更显著。如果在实行峰谷分时电价政策的地区采用该系统，可以大幅降低运行费用。6结语（1）客流数量变化是引起地铁站冷负荷变化的主要因素，车站白天工况与夜间工况的冷负荷差值较大，导致制冷机组1/3的运行时间处于低效运行状态，常规冷源系统配置不合理。地铁站冷源系统配置不仅需要考虑总冷负荷，还需兼顾部分负荷下制冷机组的运行状况。（2）以天津某地铁站为例，结合水蓄冷技术对冷源系统进行改造，能够有效解决冷源系统配置不合理的问题，水蓄冷系统较原系统节能6.0%，减少碳排放11.0 t/a。（3）若新建地铁采用水蓄冷技术，制冷机组装机容量较常规系统可减小27.8%。在合理的蓄冷和释冷策略下，保持制冷机组持续高效运行，可较常规系统节能7.5%，减少碳排放13.9 t/a。参考文献1 王前进，翟晓强，王晓保，等.国内地铁车站空调系统研究进展 J.建筑科学，2012，28（8）：97-103.2 高波，李先庭，韩宗伟，等.地铁通风空调系统节能的新进展 J.暖通空调，2011，41（8）：21-26.3 吴炜，彭金龙，刘伊江，等.地铁屏蔽门系统车站公共区空调设计探讨J.制冷与空调，2010，10（6）：94-101.4 杨樱.利用变频风机进行地铁环控空调通风的节能运行方案研究D.天津：天津大学，2006.5 朱培根，丁大勇，许玲.地铁小系统空调负荷动态模拟与分析 J.暖通空调，2008，38（11）：21-24.6 李峰，杨延萍，许穗民.冷水梯级利用空调系统应用于广州地铁的节能分析 J.暖通空调，2014（1）：83-87.7 中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集 M.北京：中国建筑工业出版社，2005.8 GB 509742014，消防给水及消火栓系统技术规范 S.9 张永铨.我国蓄冷技术的发展 J.暖通空调，2010，40（6）：2-5.10 胡自林.水蓄冷空调在深圳地铁可行性应用研究 J.城市轨道交通研究，2014，17（9）：35-37，43.图7原系统与水蓄冷系统空调期日耗电量变化情况图8典型日制冷机组直接供冷、蓄冷以及释冷情况