上海典型地铁车站环控系统能耗特点分析及运行诊断

上海建科节能技术有限公司 邓光蔚 钱 程 张 丹

0 引言

在地铁用能体系中，列车牵引、车站动力照明是最主要的2个用能分项。其中，车站动力照明能耗中，通风空调系统(环控系统)能耗所占比例最大。国内一些研究指出，北方地区列车牵引、环控系统能耗分别占地铁总能耗的1/2和1/3，而南方地区环控系统能耗占地铁总能耗的1/2左右[1-2]。例如，北方某城市轨道交通各项用能占比为：牵引供电45%，通风空调30%。胡杭杰等人对2016年杭州地铁2、4号线的全年耗电数据分析得到：牵引用电量占总用电量的40%～50%，通风空调系统用电量占总用电量的25%～35%[3]。

从运行节能角度出发，由于列车牵引能耗主要取决于列车自重、行车速度等客观因素，节能主要方式取决于列车编组方式和刹车能量回收等，节能潜力较小；环控系统中的能耗则是轨道交通系统主要的节能潜力所在。

本文选取上海市5座典型地铁车站，通过调研及现场测试，对地铁车站用能特点及运行现状进行分析，为地铁车站节能研究提供参考案例。

1 轨道交通地下车站基本信息

1.1 建筑基本信息

选取5座典型车站，为保证样本案例的一致性，所选车站均为非换乘的地下车站，车站面积6 000～16 000 m2，均采用了屏蔽门系统，站台形式包括岛式和复合式。车站基本信息见表1。

表1 车站基本信息

1.2 空调设备信息

所调研的5座车站中，A、B、C站大小系统冷源共用，均配备2台螺杆式冷水机组，单台制冷量464～580 kW不等，对应配备2台冷水泵、2台冷却水泵和2台冷却塔；D、E站大小系统冷源分开，配备3台螺杆式冷水机组，两大一小，大机组制冷量为755 kW或504 kW，小机组制冷量为534 kW或411 kW，配备3台冷水泵、3台冷却水泵和2台冷却塔。样本车站配备的空调箱参数相近，大系统空调箱风量为45 000 m3/h或40 000 m3/h，小系统空调箱风量为29 000 m3/h或18 000 m3/h。具体空调设备信息见表2～6。

表2 冷源设备参数

表3 冷水泵参数

表4 冷却水泵参数

表5 冷却塔参数

2 制冷站主要运行模式

调研车站的制冷站运行模式根据室外温度情况进行调整。对于大系统(指承担车站站台、站厅、走道等大部分空间冷负荷的系统)，运行模式根据室外温度分为3种模式；对于小系统(指专门承担车控室、配电室、办公室等空间冷负荷的系统)，运行模式根据室外温度分为2种。具体开启情况见表7。

表6 空调箱参数

表7 制冷站运行模式

3 现场调研测试方法

研究分析需对车站环控系统主要设备的关键参数(包括功率、流量、温度等)进行实测，主要参数、测试方法及说明如表8所示。

表8 主要测试参数及测试方法

4 车站能耗拆分

样本车站能耗数据见表9。车站全年总能耗为129万～235万kW·h，单位建筑面积年能耗为152.2～211.2 kW·h/m2。其中，环控系统全年能耗为57.4万～115.2万kW·h，单位建筑面积能耗为76.2～93.3 kW·h/m2，环控系统能耗占车站总能耗的41.7%～50.6%，平均为45.5%。

表9 车站能耗数据

基于车站已有分项电表监测数据、现场三相四线功率计实测数据对环控系统能耗进行拆分，结果见表10。数据显示，环控系统中，冷水机组能耗占比最大，达到52.8%～62.0%。

表10 车站空调能耗拆分比例 %

5 车站制冷站运行测试及问题诊断

笔者于2019年夏季典型工况对样本车站的制冷站主要设备进行了现场测试，详细测试数据及计算结果见表11。针对测试结果，各设备运行诊断及分析如下。

表11 制冷站运行参数

5.1 冷水机组性能系数普遍偏低

5个样本车站中，除D站大系统冷水机组达到额定COP外，其余车站机组实际运行COP均远低于额定值，如图1所示。结合测试数据分析，导致COP偏低的主要原因包括：

图1 实测与额定COP比较

1) 冷水机组运行负载率偏低。由于样本车站冷水机组投入运行年限较长，单台机组出力衰减，高温工况下无法独立负担末端负荷，需同时开启2台或3台机组，导致单台机组负载率偏低，基本为44%～60%。

2) 冷凝器脏堵导致趋近温差较大。测试车站普遍存在冷凝器换热效果差的现象，冷凝器趋近温差最低为1.8 ℃，最高达到6.5 ℃，导致冷凝温度偏高，冷水机组性能下降。初步推测可能原因包括：冷凝器表面结垢，热阻增大，换热性能下降；压缩机回油不佳，油进入冷凝器，影响换热效果；制冷剂充灌量不足，影响冷凝器换热效果。

3) 冷却水进水温度偏高。由于冷却塔效率低下，样本车站在室外干球温度32～35 ℃、湿球温度25～29 ℃时，冷水机组冷却水进水温度达到35～38 ℃，进一步加剧了冷凝温度上升的问题，导致冷水机组COP下降。

4) 样本车站中，A、B、C站为大小系统共用冷源，D、E站为大小系统冷源独立运行。测试数据显示，D、E站系统中，除了D站小系统性能偏低外，其余3个运行组合的运行效率明显优于A、B、C站。

影响冷水机组COP的因素较多，大小系统冷源独立设置的车站，冷源运行的负载率普遍更高，有利于机组发挥更好的性能。因此在外部条件相似的前提下，大小系统冷源独立设置的系统运行效率普遍更高。

5.2 输配系统大流量小温差现象普遍，变频系统未投入运行

测试数据显示，样本车站冷水供回水温差为2.1～4.0 ℃，大部分集中在3.0 ℃附近，处于大流量小温差运行，导致输配能源浪费。此外，A、B、C站均已对冷水泵、冷却水泵进行了变频改造，但实际运行中，水泵仍然按照工频状态运行。主要原因是变频系统在后期工程应用中并未得到有效的调试，实际控制效果不理想，水力工况不稳定，影响了使用效果，最终被运维人员弃用。

5.3 冷却塔效率偏低

样本车站测试数据显示，冷却塔效率仅为0.25～0.48。冷却塔出口水温相比同时刻室外湿球温度的逼近度达到6.8～12.8 ℃。冷却塔效率偏低、冷却水出口温度偏高是样本车站的共性问题。

通过现场调研发现，由于安放位置受限制，地铁车站冷却塔普遍位于地面隐蔽角落，通风不畅、气流短路、落叶堵塞、填料老化等问题较为普遍，严重影响冷却塔的实际应用效果。冷却塔的低效运行同时也导致冷却塔出水温度偏高，直接影响冷水机组的运行效率，对制冷站运行能效影响较大。

5.4 空调系统综合效率评估

综合制冷站整体供冷量及设备能耗(包含冷水机组、冷水泵、冷却水泵、冷却塔能耗)，制冷站综合效率SCOP如表12所示。数据显示，由于上述运行问题的影响，样本车站SCOP整体偏低，除D站大系统的SCOP相对较高(达到3.23)外，其余车站的SCOP仅为1.37～2.51。

表12 空调系统SCOP

6 结论

基于对上海市5座典型轨道交通非换乘地下车站的测试及调研数据，仅针对样本车站进行讨论，主要结论包括：

1) 轨道交通非换乘地下车站年用电量为129万～235万kW·h，单位建筑面积年能耗为152.2～211.2 kW·h/m2。

2) 环控系统能耗占车站总能耗的比例为41.7%～50.6%，环控系统全年能耗为57.4万～115.2万kW·h，单位建筑面积能耗为76.2～93.3 kW·h/m2。

3) 环控系统中，冷水机组能耗占比最大，普遍比例为52.8%～62.0%。

4) 车站制冷站运行问题较多，普遍存在冷水机组COP偏低、输配能耗偏高、冷却塔效率偏低、综合能效偏低等问题。应加强日常维护保养工作，并在适当时机对关键设备进行节能改造。