上海地鐵某車站空調系統高效制冷機房改造實測分析

宋 潔 鄭 懿 張萬毅

1.上海申通地鐵集團有限公司

2.同濟大學

0 引言

城市軌道交通能耗已引起社會的關注，截至2021 年，我國共有50 個城市保有軌道交通方式，總線路長達9 000 km 以上[1-2］?！笆濉逼陂g，新增線路長度4 300 km，創歷史新高。軌道交通的能耗問題逐漸引起關注[3-4］，而軌道交通車站空調系統能耗占比最高，約為50%～70%。因此，為實現“雙碳”目標，軌道交通車站空調系統和制冷系統的高效化建設和改造勢在必行。

以上海典型地下軌道交通標準站的制冷系統能效提升改造案例，探索地鐵車站空調提升能效的主要途徑。

1 制冷機房改造情況

項目位于上海，屬于夏熱冬冷地區，為軌道交通地下標準站。該項目自2004 年12 月開通運營，共有4個出入口，項目總建筑面積約5 800 m2，是上海日均客流量前十的站點，具有研究的典型性。

項目原空調系統制冷主機使用已達15年，效率大幅度下降。通過對其空調系統進行升級改造，使用高效空調系統關鍵技術，達到打造高效地鐵車站的目標。

項目空調系統原理圖如圖1所示。原有2臺螺桿式冷水機組，配置2 臺冷凍水泵、2 臺冷卻泵、2 臺冷卻塔，且無高效群控系統。本次改造將螺桿式冷水機組替換為水冷磁懸浮變頻離心式冷水機組，水泵全部更換為變頻水泵，并搭建車站智能空調群控系統測試平臺，設備參數如表1所示。

表1 空調機組銘牌參數

圖1 改造站空調系統圖

2 制冷機房改造效果

項目2021 年改造完成，2022 年為第一個完整制冷季。為分析改造后的情況，從兩個維度進行效果分析，一是項目改造后制冷機房變頻與定頻工況運行的差異，二是項目的實際運行制冷機房能效比和節能效果。

2.1 變頻與定頻工況對比

為充分評估系統能效提升效果與關鍵影響因素，采用第三方現場連續檢測的方式，對系統工頻與變頻模式下的能耗和能效進行檢測。

選取室外空氣溫度相近的兩天，在同一時段進行工頻、變頻的測試。機組、水泵、冷卻塔開啟數量相同，末端（空調箱）開啟情況相同。工頻測試時，機組統一設定冷水出水溫度為8 ℃，水泵工頻運行；變頻測試時，機組的出水溫度、水泵頻率等依據系統需求自動調節。

測試期間，空調系統正常運行，站廳的溫度在26.4～28.5 ℃之間，滿足規范要求；站臺的溫度在25.9～29.1 ℃之間，滿足車站關于站內溫度的要求。

工頻和變頻工況下的制冷量基本一致，可以認為兩個工況下，供冷效果基本一致，但是變頻工況下，機房總功率較少，能耗較定頻工況降低約15%，能效提升約14.3%?？梢钥吹?，兩種工況下由于主機COP 類似、冷卻塔功率相同，造成能效差異的主要原因為水泵功率（對應于水泵頻率），如表2所示。

表2 現場檢測變頻與定頻工況的差異

2.2 制冷季運行能效與節能量評估

該地鐵站自2022 年6 月2 日開始正常運行，其間空調機組開啟全新風模式，連續監測數據至9 月22 日，共計3 個多月。其間制冷機房運行平均能效比為5.16，達到高效制冷機房水平。

圖2 所示變頻工況下制冷機房系統各設備能耗占比?？梢钥吹狡渲兄鳈C能耗占比最大，為73.6%，冷凍水泵和冷卻水泵能耗占比分別為9.14%和12.31%。高效制冷機房案例冷水主機能耗占比可達80%以上，而冷凍泵及冷卻泵能耗占比應該在8%以下，可見當前系統運行仍有能效優化空間。

圖2 變頻工況下制冷機房系統各設備能耗占比

由于該地鐵車站為既有線路，此前并未針對空調制冷機房做詳細分項計量，因此為了探究改造節能效果，采用同類別站點橫向對比的方式進行節能量評估。圖3 是兩個未改造的對比站和該案例中改造站近年來各月份動力照明用電對比。由于該既有線未做能耗分項計量，因此環控系統用電和照明用電、電梯用電一起合并為動力照明用電進行能耗統計。由圖3 可知，空調季因為開啟制冷系統，動照總用電要遠超非空調季用電。這也說明如進行制冷系統節能改造，節能空間也是巨大的。

圖3 2017-2022年三個標準站動力照明用電量

圖3 無法用于觀察制冷系統節能改造前后對動照總用電的影響，為了對比不同站空調季用電量逐年相對變化，現以2020 年空調季為動照總用電基準年，計算各年份空調季動力照明總用電量相對系數。如圖4 所示，2022 年空調季對比站1 和對比站2動照總用電與2020 年相當，而改造站總用電則相對2020 年發生明顯下降。由于動照總用電中電梯用電和照明用電量隨時間變化較小，因此，改造站2022 年動照總用電相對2020 年的降低，主要由制冷系統節能改造貢獻，經計算空調季總節能量約為30萬kWh，節能效果顯著。

圖4 5-10月三個站動照總用電對比（以2020年用電為基準）

3 能效提升分析

空調系統制冷機房的能效可以從很多方面進行優化提升，比如選擇高效設備、應用變頻技術、基于能效模型計算控制參數等。為了了解當前制冷機房在能效提升方面的制約和繼續優化的空間，分別針對冷水機組負載率、冷機出水溫度、水泵進出水溫差三組實際運行數據進行分析。

3.1 冷機負載率分析

一臺冷水機組的負載率一般指其瞬時制冷量與額定制冷量的比值，反映了冷水機組當前的出力多少。不同類型的冷水機組其負載率對COP 的影響是直接而顯著的，根據文獻，螺桿機的高效區在其負載率40%～90%、離心機在60%～70%[5］，該案例所采用的磁懸浮冷水機組“負載率-COP”特性與上述兩種機組不同，一般隨負載率的增加而COP降低，因此大負載率情況下冷水機組的能效比較低。

圖5 所示整個空調季兩臺冷水機組的負載率分布直方圖，可以看出兩臺冷機負載率分布整體類似，大部分負載率均超過70%，這無疑對冷水機組的能效造成了負面影響，進而阻礙了制冷機房能效的改善提升。一個制冷系統改造過程中，冷機容量的確定不僅需要考慮末端負荷，同時也受到冷機供配電配置制約。在供配電配置沒有改善的前提下，很難用冷機選型將空調季負載率控制在高效區，這也對后續上海地鐵車站制冷機房高效化改造工作提供了重要參考。

圖5 冷機空調季負載率

3.2 冷機出水溫度分析

對于典型的用于空調制冷的逆卡諾循環，提升蒸發溫度與降低冷凝溫度都可以提升循環能效比。當前高效制冷機房技術突破了冷機7 ℃供水/12 ℃回水的傳統設置，嘗試在末端負荷較低和除濕壓力不大的情況下，在合適范圍內對冷水機組供水溫度進行調節以提升冷機能效比。

在室外條件相近的條件下，可通過調整冷凍水出水溫度探究其對制冷機房能效比的影響。圖6給出了改造站冷水機組在不同冷凍水出水溫度設置下制冷機房的能效比，可以看到在相近的冷卻水出塔平均溫度下，冷水機組冷凍水出水溫度從8.63 ℃上升到10.14 ℃，制冷機房的能效比也從5.5 增長到了6.1。說明對于磁懸浮冷水機組而言，適當提升冷凍水出水溫度有利于顯著提高機組和制冷機房的能效比。

圖6 不同冷凍水出水溫度設置下冷源系統運行效率

圖7 展示了某一運行時間段（對應于6 月2 日至6 月11 日）兩臺冷機出水溫度變化情況，其中陡峭升起的尖峰為冷機停止運行期間水溫，可以看到兩臺冷機出水溫度基本穩定在約7.5 ℃之間。從圖中還可以看出，1 號冷水機組冷凝器進水溫度在部分時間段較低，反映了較低的室外濕球溫度和制冷系統負荷，但冷機出水溫度未隨之適當調升以提高系統能效。所以當前運行策略在改變出水溫度以提升制冷機房能效方面仍有繼續優化空間。

圖7 冷機蒸發器出水溫度（℃）

3.3 水泵進出水溫差分析

在同樣的時間段內，1 號冷機的冷凍泵和冷卻泵的進出水溫差變化如圖8 所示。在此期間前幾日、冷凍水泵、冷卻水泵均定頻運行，頻率約為36 Hz，此時冷凍水溫差和冷卻水溫差在3～5 ℃之間波動，未體現變頻節能策略的應用。爾后幾日則轉變為冷凍水泵接近30 Hz 運行、冷凍水溫差保持在約5 ℃，而冷卻泵高頻運行、冷卻水溫差保持在4 ℃左右，前者若設置5 ℃溫差控制，后者因保持4 ℃溫差導致冷卻水泵頻率較高能耗較高，最終可能使得制冷機房能效降低。所以當前制冷機房水泵變頻策略未保持一致也沒完全體現節能特性。

圖8 制冷機房冷凍泵與冷卻泵進出水溫差

由于水泵額定功率在制冷機房中占比較高（該案例中冷凍水泵、冷卻水泵合計占比27.1%），而水泵變頻帶來的能耗降低又較為可觀，如理論上當水泵從50 Hz 降為40 Hz 時可使能耗降低50%，由此帶來的制冷機房能效提升顯著。以往成功的高效制冷機房案例中冷凍、冷卻水泵運行能耗占比往往在16%以下，這既是較優變頻策略的應用結果，也是管路和阻力優化帶來的效益。因此在制冷機房高效化改造中，應統籌水泵配置及變頻對制冷機房能效的影響趨勢，因地制宜優化管路阻力和變頻策略，以使制冷機房高效運行。

4 結論

對上海某地鐵車站制冷機房高效化改造的具體情況、改造效果、能效提升進行了詳細的分析和研究，改造中選擇了高效磁懸浮冷水機組，應用了變頻技術來優化水泵的運行，改造后2022 年空調季制冷機房平均能效比達到5.16，年節電量約為30萬kWh，節能效果顯著。

為了進一步提升能效比，對制冷機房運行數據進行了對比分析，并得出如下結論：負載率的優化對冷水機組能效具有直接而顯著的影響，但對于改造項目來說還需考慮冷機配電問題。通過調整冷機出水溫度和優化水泵變頻策略，能進一步提高制冷機房的能效，這需要更加有效的節能控制策略。

通過改造措施和效果分析：選擇高效設備、應用變頻技術和合理調整控制參數，是制冷機房能效提升的重要手段；綜合考慮節能和穩定性的平衡，將是制冷機房能效提升和高效化改造的關鍵。這些研究結果為地鐵車站制冷機房高效化改造和能效提升提供了具體的改造方案和實踐指導，對于實現低碳、高效的能源利用具有重要意義。