厦门地铁典型车站冷却塔运行方案优化分析

　　摘要：冷却塔是空调系统的重要组成部分，其运行方案会对系统运行能耗造成明显影响。过去的研究缺乏不同冷却塔运行方案长周期能耗分析和考虑地铁车站空调负荷与地上建筑差异性的针对性研究。选取厦门地铁典型车站，结合现场实测数据，建立了全年逐时能耗分析模型。模型的长期预测数据与实际能耗数据的对比验证结果表明：模型预测精度满足分析要求，计算误差为5.09%。利用分析模型对3种常见冷却塔运行方案的运行能耗进行了分析，得到了不同方案典型时刻及制冷季长周期的节能潜力。综合成本和效益，厦门地铁典型车站宜采用冷却塔台数灵活控制方案，冷却塔变频运行方案的经济性一般。

　　关键词：地铁车站;冷却塔;运行方案;能耗;效益;经济性

　　引言

　　随着城市的快速发展，地铁已逐渐成为一个城市重要的公共基础设施。截至2020年底，我国共有45个城市开通城市轨道交通，运营线路244条，总长度7969.7km[1]。我国已成为世界上城市轨道交通运营线路最长的国家。地铁运行能耗占运输总能耗的比例高达35%[2]，运行能耗费用占运营成本的比例达10%[1]，地铁运行能耗高已成为制约地铁发展的重要因素之一。

　　根据国内地铁运行能耗的相关统计分析，通风空调系统的能耗占地铁总能耗的比例通常为25%~35%，在湿热地区，这一比例甚至可达到40%左右[3]，如何降低地铁车站通风空调系统的运行能耗具有重要的研究意义。冷却塔为地铁通风空调系统中的重要组成部分，目前国内地铁车站一般采用一机对一塔且冷却塔风机定频运行方案，其运行方案的优化是过去普遍被忽略的环节。

　　在常规公共建筑中，冷却塔运行方案有多种，哪种运行方案最优，相关学者进行了大量相关的研究：刘加根等人研究了办公建筑冷却塔运行策略对能耗的影响[4];李方圆研究了主机和冷却塔综合能耗最低的冷却塔温度最优控制算法运行方案[5];高鹏等人研究了办公建筑冷却塔变频运行方案典型日节能效果[6];刘骁等人研究了医院冷却塔变频运行方案典型时刻的节能量[7]。过去的研究仍存在以下不足：

　　1)运行方案的节能特性对比多以典型时刻、典型日负荷情况进行分析，缺少长时间多负荷工况分析。2)研究对象以办公建筑、医院建筑等地上建筑为主，缺少针对地铁车站负荷特性的冷却塔运行方案研究。地铁车站的负荷特点与常规地上建筑有较大差异[8]，如夜间仍有小系统负荷、地下空间蓄热和受太阳辐射影响小等。3)侧重节能分析而普遍缺少经济性分析。从整个空调季的角度，地铁车站选取什么样的运行方案是一个非常值得研究的问题。

　　本文选取厦门地铁典型车站，根据现场实测空调负荷和设备性能参数，建立逐时能耗分析模型，以空调季长周期为时间尺度，分析不同冷却塔运行方案的节能和经济效益，为夏热冬暖地区地铁车站冷却塔运行方案的合理选择提供参考。该计算模型和分析思路也可为其他气候区地铁车站建筑乃至其他空调负荷具有特殊性的建筑的冷却塔运行方案选择和优化提供参考。

　　1空调系统及现场测试

　　本文分析对象为厦门地铁典型车站(地下岛式2层，非换乘站)，车站选用2台水冷螺杆式冷水机组负担车站大、小系统的冷负荷，同时配置2台冷却水泵和2台冷却塔。冷却塔运行策略并不影响冷水侧及空调末端能耗，非本文分析重点，不再赘述。

　　2空调负荷

　　空调季站台的温度通过建筑物自动控制系统(BAS)控制在27℃。笔者所在课题组在该车站现场布置冷水流量、供回水温度及室外温湿度传感器，根据传感器实时记录的数据计算得到夏季长周期逐时空调负荷及室外湿球温度。其中负荷最高日为8月26日，白天大部分时间稳定在600kW左右，夜间大部分时间稳定在200kW左右;室外湿球温度与空调负荷呈一定程度的相关性，但由于空调负荷还与小系统发热量、客流高峰(如“十一”假期)等相关，室外湿球温度的波动规律与空调负荷并不完全一致。

　　由于夜间小系统运行、接近过渡季时采用全新风运行及车站客流尚未达到远期等原因，负荷在500kW以下的时间占比达到了77.25%，超过500kW的时间仅占22.75%，即全年绝大部分时间仅需开启单台冷水机组。小于单台冷水机组50%负载率(265kW)的冷负荷时间占比为38.57%，这些时间冷水机组运行处于大马拉小车的状态。从负荷统计表可以看到，地铁车站空调负荷分布在一个比较宽的区间内，在不同的负荷工况下，不同的冷却塔运行方案，其表现可能会有较为明显的差异。

　　3逐时能耗分析模型

　　冷却塔频率控制、冷却水泵频率控制和冷水机组运行效率有较强的耦合关系。因此对冷却塔运行方案分析应综合考虑冷却塔、冷却水泵和冷水机组三者能耗。本文建立不同运行方案下冷却塔、冷却水泵和冷水机组耦合的逐时能耗分析模型。通过现场测试冷水机组的功率、冷水流量、冷水供回水温度，可以计算得到实测制冷量和实测COP。通过读取冷水机组蒸发温度、冷凝温度，可以计算得到实测ICOP。

　　利用实测COP和实测ICOP，可以计算出实测DCOP。同时记录多组测试工况的负载率数据及对应的实测DCOP，根据式(12)拟合得到DCOP的二次函数关系式的模型常数。针对本文研究对象的车站，拟合得到=0.1669，=-0.00183，=0.26133。

　　冷却塔出水温度直接影响冷凝温度，从而影响冷水机组效率。对于模拟工况，该参数不可直接获得，需要通过计算得到。冷却塔出水温度受到多因素影响，包括冷却塔风机频率、冷水机组负载率、冷水机组效率、室外湿球温度等，其计算是整个建模计算的核心。冷却塔出水温度无法通过单次简单计算得到，需要进行迭代计算。

　　对于某特定冷却塔运行频率、空调负荷、冷水出水温度设定值和室外湿球温度，具体迭代思路如下：1)根据冷却塔的运行频率，计算得到冷却塔风量;2)根据冷却水泵运行频率，计算得到冷却水量;3)根据冷却塔风量和冷却水量，计算得到冷却塔效率;4)根据室外湿球温度，设定一个初始的冷却塔进水温度，根据冷却塔效率计算得到冷却塔出水温度;5)根据冷却塔出水温度和冷凝器趋近温度，计算得到冷凝温度。

　　6)根据冷水机组出水温度设定值和蒸发器趋近温度，计算得到蒸发温度;7)根据冷凝温度和蒸发温度，计算得到冷水机组ICOP;8)根据空调负荷计算冷水机组负载率，进而计算得到冷水机组DCOP;9)根据冷水机组ICOP和DCOP，计算得到COP;10)根据空调负荷和COP，计算得到冷水机组能耗;11)根据冷却水系统热量平衡，计算出新的冷却塔进水温度;12)迭代计算，直至冷却塔进水温度不再变化。

　　4逐时能耗分析模型验证

　　本文运用逐时能耗分析模型对典型车站能耗数据进行计算分析，将逐时能耗分析模型的计算结果与车站现场实际运行能耗进行对比分析，验证能耗模型的准确性。该典型车站现场采用一机对一泵对一塔、冷却塔定频运行方案，冷却塔随冷水机组连锁启停。模型计算的冷却塔+冷却水泵+冷水机组的总能耗与实际运行能耗的计算误差为5.09%，其中冷却塔能耗计算误差为1.36%，冷却水泵能耗计算误差为2.10%，冷水机组能耗计算误差为5.84%。冷却塔、冷却水泵等定频设备能耗计算误差产生的主要原因为：

　　1)模拟过程中的开关机时间与实际人为操作的开关机时间存在略微差异;2)模拟过程中，根据负荷判断的冷水机组开启台数与实际的冷水机组开启台数存在差异;3)地铁车站电压波动和电表精度等对计算产生的影响。对比实际能耗，冷却塔、冷却水泵和冷水机组的总能耗和各分项能耗模型计算误差均较小，表明逐时能耗分析模型能够准确预测冷却塔不同运行方案的实际运行能耗水平。

　　5冷却塔方案效益分析

　　5.1冷却塔运行方案

　　本文主要考虑3种目前主流的冷却塔运行方案：方案1：一机对一泵对一塔，冷却塔与冷水机组一一对应，冷却塔随冷水机组连锁启停，冷却塔定频运行。方案2：一机对一泵对二塔，无论开启1台/2台冷水机组，冷却塔均全部开启，定频运行。方案3：一机对一泵对二塔，无论开启1台/2台冷水机组，冷却塔全开+变频控制运行，变频控制的策略为定冷却塔出水温度逼近度1.5℃。其他更细化的运行方案，也可以根据本文建立的计算模型进行分析。5.2投资成本差异冷却塔3种运行方案，从成本上来说，主要差异在是否设置风机变频控制系统。方案1和方案2控制简单，按无成本考虑。针对该典型车站，方案3的成本造价约为3.42万元。

　　选择一些典型工况，进一步分析冷却塔不同方案的优劣。可以看出：

　　1)从工况1和2可见，冷负荷小于单台冷水机组50%负载率(265kW)时，冷却塔实际散热量远小于单台塔的额定散热量，1台冷却塔即可满足散热要求，方案2和方案3的节能率均较低;2)从工况3~5可见，冷负荷处于单台冷水机组50%~90%负载率工况下，多开1台冷却塔和多台冷却塔变频可以提高散热能力，降低冷却水出水温度，提高冷水机组制冷性能，降低冷水机组能耗，方案2和方案3的节能率随负载率逐渐上升，在接近90%负载率时，节能率较高，此时方案2节能率为8.34%，方案3节能率为8.87%;3)从工况6~10可见，冷负荷大于单台冷水机组90%负载率工况下，3种方案均开启2台冷却塔，大部分情况下3种方案的运行能耗并无明显差别。冷却塔变频运行节能潜力在典型工况下高值可达到8.87%，与过去相关文章分析得到的冷却塔典型时刻节能潜力4.21%~13.23%[5,7]接近。

　　6结论

　　本文选取厦门地铁典型车站作为研究对象，跟踪了其长期的空调系统实际负荷和设备运行能耗情况。在实际测试数据的基础上，通过理论建模的方式，建立了一套逐时能耗分析模型，对不同冷却塔运行方案的长时间运行能耗进行了分析。从分析结果来看，模型的长期预测累计能耗数据与实际运行累计能耗数据的计算误差较小(5.09%)，能够较好地预测冷水机组及冷却水系统的运行能耗。根据地铁车站的实际负荷情况和设备能效情况，对3种主流冷却塔运行方案的运行效益和经济成本进行了分析，结果表明：

　　1)厦门地铁车站不同冷却塔运行方案典型时刻节能效益差距较大(可达8.9%)，但是从供冷季长周期看节能效益差别并不明显，在1.3%~3.8%;2)从供冷季长周期角度，不同运行方案的综合运行能耗大小为：方案3<方案2<方案1，方案3冷却塔变频运行的节能效益最大，但其投资回收期约为7.4a，经济性一般，方案2和方案1的经济性均较好，方案2的节能效益优于方案1，厦门地铁车站采用方案2冷却塔全开+定频相对合理;3)冷却塔运行方案的节能潜力分析应结合全年逐时负荷进行长周期分析。

　　4)伴随着精细化的运营管理，宜根据项目实际负荷特点和设备实际性能对冷却塔运行方案进行不断优化，由于标准地铁车站建筑结构、设备配置、空调系统方案均类似，该分析结果对于整个夏热冬暖地区的地下标准车站冷却塔运行方案的选择和优化有一定的参考意义;5)对于采用冷却水泵变频及冷却塔变频的车站，也可按照预设的控制策略，根据本文模型分析其运行节能潜力。该逐时能耗分析模型及分析思路，可以进一步用于分析国内其他地区和其他类型的地铁车站、甚至是非地铁车站类项目的冷却塔不同运行方案的运行效果，从而指导通风空调系统设计方案选取和实际运行方案制定和优化。

　　参考文献：

　　[1]中国城市轨道交通协会.城市轨道交通2020年度统计和分析报告[R].北京：中国城市轨道交通协会，2021：1-32.

　　[2]赵月想.城市轨道交通系统运营能耗研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2012：3.

　　[3]张金花，檀姊静，李亮，等.地铁通风空调系统设计优化方法研究[J].施工技术，2020，49(S1)：676-679.

　　[4]刘加根，严玢，余琼.冷却塔风机运行节能之模式与策略的分析[J].建筑科学，2009，25(2)：35-38，59.

　　[5]李方园.冷却塔风机的变频控制与节能降耗[J].风机技术，2007，49(2)：57-59.

　　作者：刘晓亮1☆杨卓2裴江林1李韶光2李晓锋3△

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