地铁车站空调水系统节能优化方案研究

地铁车站空调水系统节能优化方案研究

摘要：地铁空调水系统是车站通风空调系统的一个重要分支，能耗占比较大，

而且系统较为复杂。本文简单介绍了目前常见的地铁空调水系统，从冷源方案优化、设备优化、控制优化等方面分析，提出了对常见空调水系统节能优化设计的

若干建议。

关键词：地铁空调水系统；节能；变频控制；集中冷源；控制策略

1、概述

随着地铁工程的快速发展，合理化的地铁系统设计显得尤为重要。地铁通风

空调系统作为地铁内部的呼吸系统，为车站内部提供了一个舒适可靠的热湿环境。空调水系统作为地铁通风空调系统的重要组成部分，为车站通风空调系统提供冷源。其中冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备耗电量较大。以夏热冬

冷地区、屏蔽门系统制式、典型6节编组、30对/h行车密度的轨道交通工程为例，地铁空调水系统耗电量占整个地铁通风空调系统耗电量的30%-40%[1]。地铁

车站的特点是人员流动性大，一般早晚高峰时段的人流量比平常时段高出近一倍。再加上外部气象条件的变化，必然会引起地铁空调负荷的不断变化和波动，地铁

空调负荷的变化幅度常常在40％～50%。设备装机容量要满足远期高峰时期要求，设备冗余较大。因此车站空调水系统节能优化尤为重要。冷却塔通常布置在地面上，占地面积较大，也影响地面规划、景观，因此对于冷却塔的布置优化也是考

虑的重点。

典型车站空调水系统由冷冻水系统、冷却水系统构成。冷冻水系统包括水冷

螺杆式冷水机组、冷冻水泵、分/集水器、组合式空调机组、风机盘管、水处理设备、各类阀门仪表及管道；冷却水系统包括冷却水泵、冷却塔、定压装置、各类

阀门仪表及管道。

常规车站一般分站设置冷源，在每个车站独立空调水系统。图1-1为典型车

站空调水系统原理图。按照全站远期冷负荷，设置若干台水冷螺杆式冷水机组，

冷冻\冷却水泵与冷水机组一一对应，同时考虑水泵间互为备用。常见的定压装置包括定压罐、膨胀水箱。定压罐设置在冷水机房内，膨胀水箱则设置于地面冷却

塔处。

图1-1 典型车站空调水系统原理图

下面将从冷源方案优化、设备优化、控制优化等方面对车站空调水系统优化

进行分析探讨：

2、冷源方案优化

常规地铁车站采用分站供冷方式配置冷源，为了减少大型冷却塔的设置对周

围环境的影响，满足城市规划要求。近年在成都、长沙等城市的地铁线路中采用

了集中供冷设计方案[2-4]。

集中供冷设计方案分为集中冷却、集中冷冻。将地铁全线划分为几个区段，

每个区段设置一个集中冷站。集中冷却是冷却塔、冷却水泵集中设置，冷水机组、冷冻水泵分散设置；集中冷冻是冷却塔、冷却水泵、冷水机组、冷冻水泵集中设置。

有学者[5]对集中冷冻、集中冷却、分散供冷三种方式进行对比分析，在初投

资方面：分散供冷方式＜集中冷冻方式＜集中冷却方式；运行费用方面：分散供

冷方式＜集中冷冻方式＜集中冷却方式。因此从初投资、运行费用及寿命周期总

费用现值方面，分散供冷方式优于集中冷冻方式，但是差距不大。因此当地面条

件限制较大时，可考虑集中冷冻方式。集中冷冻方式的冷源设备集中布置、且设

备数量少，因此设备维护成本较低。

集中冷冻方式供冷管路较长，一般在1000-3000m，水泵能耗大，管路损失大。冷冻水温差对集中冷冻方式的初投资和运行费用有较大影响。冷冻水系统能耗随

着供回水温差的增大而减小，当温差在8-9℃时，能耗值趋于最小[6]。

对于换乘车站，由于两线车站相距较近，可以考虑冷源集中设置，采取集中

冷冻方案，在初投资方面：集中冷冻方式＜分散供冷方式；运行费用方面：集中

冷冻方式＜分散供冷方式。而且由于供冷管路长度一般在300m内，管路损失相

对不大。

3、设备优化

3.1 水泵优化方案

常规车站空调水系统，无论是冷冻水系统还是冷却水系统均为定流量系统。

水泵的流量及扬程是按照最不利条件配置。根据地铁车站的负荷特点，空调水系

统多处于部分负荷甚至低负荷下运行。若不采取措施，在部分负荷下水系统会出

现大流量小温差的情况，水泵出力维持到高点，冷水机组效率较低，不利于系统

的高效运行。

为了使空调水系统供冷量与实际车站需冷量趋于一致，从而节约冷量输配能

耗和冷源运行能耗，采用一次泵变流量系统，对冷冻水泵进行变频控制。水泵变

频通常有两种控制方式：冷冻水温差控制方式、冷冻水压差控制方式。

冷冻水温差控制方式是在供回水总管上安装温度传感器，部分负荷时，保持

供回水温差不变，冷冻水流量与负荷呈线性正比，通过控制冷冻水流量匹配车站

所需冷量。当空调负荷减少时，需要冷冻水流量减小，根据，水泵的功率是流量

的三次方，从而降低水泵输送能耗。

例如，某地下车站站全站冷负荷为1206kW,冷冻水流量为114m3/h，扬程为

32mH2O，水泵效率取70%。

空调季设定为6月15日到9月15日，每天空调白天运行时间为早上7点到

晚上9点。一年空调季白天运行时间总计1288h。当系统负荷率为100%时，冷冻

水泵耗电量为19320kWh;当系统负荷率为60%时，冷冻水泵耗电量为4173.12kWh，节能率为78.4%。

图3.1-1 不同负荷率对应的水泵耗电量

冷冻水压差控制方式分为供、回水总管压差控制和最不利管路压差控制。

供、回水管压差控制是在分、集水器间设置压差旁通阀，在分、集水器间布

置压力探头，供、回水总管压差作为变频控制器的采样输入信号。当系统处于部

分负荷下，电动二通阀开度减小，引起供、回水管总管压差变化。实测供、回水

管总管压差比预设压差大，变频器动作，减小水泵转速。冷冻水压差控制方式中

冷冻水泵不满足三次方定律[7]，水泵功率与流量的一次方呈正比，当流量减少时，水泵功率减少程度较小，节能潜力较小。

最不利管路压差控制是在最不利末端供、回水管道上布置压力探头，通过改

变冷冻水泵转速，保证最不利末端供、回水管压差恒定。根据,当系统处于部分负

荷下，电动二通阀开度减小，末端阻力增大，最不利管路的流量增加，因此变频

器控制降低水泵转速。

冷水机组在部分负荷时冷却水系统流量对其效率影响非常大。仅通过对冷却

水泵进行变频改造，节能效果不佳，而且对机组的运行影响较大。冷却水流量需