潘雷剛 張世勇 翟宇昕 常晟 張浩 邵嘉興 王海波

1 同方泰德國際科技（北京）有限公司

2 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程大大加快，交通出行需求激增，地鐵的城市骨干交通作用越來越明顯。但隨之而來能耗總量和強(qiáng)度也在迅猛增長，能源成本支出占運(yùn)營成本比重不斷加大。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵系統(tǒng)中的耗能大戶，其運(yùn)行能耗約占總能耗的50%～60%，而空調(diào)水系統(tǒng)能耗約占空調(diào)系統(tǒng)能耗的65%[1]。因而提高空調(diào)水系統(tǒng)的運(yùn)行能效對(duì)于減少地鐵運(yùn)行能耗尤為重要。

冷卻塔作為冷水機(jī)組冷凝側(cè)的散熱設(shè)備，對(duì)于空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行性能至關(guān)重要[2]。加強(qiáng)冷卻塔的運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)冷卻塔的高效節(jié)能運(yùn)行對(duì)整個(gè)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能具有重要意義[3]。

本文通過具體案例，探討冷卻塔運(yùn)行對(duì)冷水系統(tǒng)冷卻側(cè)的影響，并通過冷卻塔節(jié)能改造實(shí)際案例，分析通過冷卻塔控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)冷水系統(tǒng)能效提升。

1 案例現(xiàn)狀分析

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

本次調(diào)研車站為北京地鐵某線路 20 個(gè)地下車站，選取調(diào)研車站冷卻塔均為兩臺(tái)低噪聲橫流式冷卻塔，冷卻水通過母管送至地面后分為兩個(gè)分支由兩個(gè)冷卻塔分別進(jìn)行冷卻。每臺(tái)冷卻塔進(jìn)水相互獨(dú)立，出水通過各自集水盤匯總通過母管下塔。其原理如圖 1所示：

圖1 冷卻塔系統(tǒng)管路流程圖

車站均采用“ 一機(jī)對(duì)一泵對(duì)一塔”的開啟形式，冷卻塔開啟臺(tái)數(shù)隨冷水機(jī)組開啟臺(tái)數(shù)的變化而變化，當(dāng)冷水機(jī)組開啟一臺(tái)時(shí)，冷卻塔開啟臺(tái)數(shù)也為一臺(tái)。冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻控制，風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)冷卻塔出水設(shè)定值進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，冷卻塔出水溫度設(shè)定值采用面板手動(dòng)設(shè)定。

1.2 冷卻塔效率測試

冷卻塔效率作為衡量冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。公式如下所示：

式中：η為冷卻塔效率；tin為冷卻水進(jìn)冷卻塔溫度；tout為冷卻水出冷卻塔溫度；twb為室外濕球溫度。

通過對(duì)調(diào)研車站冷卻塔進(jìn)出水溫度、室外濕球溫度進(jìn)行測試，分析其各自車站冷卻塔效率，具體數(shù)據(jù)記錄如表1 所示?？梢钥闯?，測試期間各個(gè)站點(diǎn)冷卻塔控制面板出水溫度設(shè)定值在28～32 ℃之間，在室外濕球溫度26±0 .5 ℃下，調(diào)研車站冷卻塔效率在40.9%～55.8%之間。

表1 地下車站冷卻塔測試數(shù)據(jù)

冷卻塔出水溫度與濕球溫度對(duì)比如圖 2 所示，從圖中可以看出各冷卻塔換熱趨近溫度平均值為5.4 ℃，高于理想換熱溫差[4]。目前運(yùn)行狀況沒有充分利用冷卻塔進(jìn)行換熱，有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

圖2 冷卻塔出水溫度與濕球溫度對(duì)比

1.3 冷卻塔運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)能耗影響

為了探究冷卻塔運(yùn)行狀況對(duì)車站冷水系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響，選取 1# 站點(diǎn)在濕球溫度為 25.8 ℃時(shí)的運(yùn)行情況進(jìn)行測試。調(diào)研過程中保持水泵運(yùn)行在50Hz工頻以保證冷卻水流量穩(wěn)定，通過手動(dòng)改變冷卻塔啟停數(shù)量及風(fēng)機(jī)頻率以觀察在實(shí)現(xiàn)不同出水溫度的同時(shí)系統(tǒng)整體功率的變化，數(shù)據(jù)記錄如表2 所示。

表2 1#站點(diǎn)測試數(shù)據(jù)

由表 2 數(shù)據(jù)可見，在室外濕球溫度基本不變的情況下，隨著出塔溫度的降低，冷卻塔功率有所升高，機(jī)組功率出現(xiàn)了較為明顯的降低，冷卻側(cè)設(shè)備整體功率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。

2 冷卻塔塔群節(jié)能控制

基于測試數(shù)據(jù)分析，在相同工況下為使冷卻側(cè)的能耗最低，冷卻塔出水溫度控制至關(guān)重要。本章提出冷卻塔根據(jù)冷量負(fù)荷、室外天氣、冷卻塔物理狀況等參數(shù)，以冷卻側(cè)能效最高為目標(biāo)的節(jié)能控制策略，并嵌入冷卻塔控制裝置中。

2.1 控制改造方案

目前地鐵車站冷水系統(tǒng)各設(shè)備接入車站 BAS 系統(tǒng)，執(zhí)行BAS 系統(tǒng)下發(fā)的控制指令。本次冷卻塔控制做增量改造，在保持原系統(tǒng)完整的前提下，增加 EEC節(jié)能控制系統(tǒng)。冷卻塔控制改造新增設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，EEC 系統(tǒng)通過 BAS 系統(tǒng)對(duì)冷水系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視，讀取各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，對(duì)新增冷卻塔控制柜下發(fā)控制指令。

圖3 冷卻塔控制改造新增設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

冷卻塔控制改造示意圖如圖 4 所示，新增冷卻塔控制柜與原冷卻塔控制柜組成節(jié)能模式和原模式，切換方式通過繼電器及信號(hào)隔離模塊實(shí)現(xiàn)兩種模式切換。BAS 和EEC 系統(tǒng)控制冷卻塔啟停、頻率給定通過同一繼電器的公共觸點(diǎn)與常開、常閉觸頭實(shí)現(xiàn)，反饋信號(hào)則通過原冷卻塔柜內(nèi)增加信號(hào)隔離模塊1 分2 實(shí)現(xiàn)（1 路接入原冷卻塔控制柜，1 路接入新增的冷卻塔控制柜）。

圖4 冷卻塔控制改造示意圖

2.2 控制系統(tǒng)及流程

冷卻塔塔群控制系統(tǒng)工作流程如圖5 所示。冷卻塔智能控制系統(tǒng)接受冷源群控系統(tǒng)下發(fā)的啟動(dòng)、停止控制指令。智能控制系統(tǒng)主要由智能學(xué)習(xí)模塊、智能采集模塊、塔群控制執(zhí)行模塊組成，智能控制模塊包括冷卻塔自控算法模塊、冷卻塔開啟組別選擇模塊、冷卻塔設(shè)定值優(yōu)化模塊、冷卻塔效率判斷模塊等。智能采集模塊包含冷卻水流量采集模塊、冷卻塔出水溫度采集模塊、室外溫濕度采集模塊、冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗采集模塊、冷卻泵電耗采集模塊、冷機(jī)電耗采集模塊等。在冷卻塔智能控制系統(tǒng)接收到啟動(dòng)指令后，由智能學(xué)習(xí)模塊判斷冷卻塔歷史運(yùn)行效率，下發(fā)開啟效率最高的冷卻塔，且最低頻率運(yùn)行。由智能采集模塊通過BAS 系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)為智能控制系統(tǒng)提供自計(jì)算學(xué)習(xí)支撐，自學(xué)習(xí)結(jié)果由智能控制系統(tǒng)下發(fā)至塔群控制執(zhí)行模塊執(zhí)行。

圖5 冷卻塔塔群控制系統(tǒng)圖

2.3 控制工藝策略

冷卻側(cè)節(jié)能的目標(biāo)為：在給定的冷量下，冷機(jī)、冷卻泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)三者的總能耗最低。冷卻塔塔群控制采用“ 冷卻塔全開、風(fēng)機(jī)聯(lián)控”的控制方式，以冷卻塔出水溫度為控制目標(biāo)，針對(duì)不同運(yùn)行工況下，系統(tǒng)會(huì)對(duì)冷卻塔出水溫度設(shè)定值進(jìn)行自學(xué)習(xí)并實(shí)時(shí)優(yōu)化。

3 冷卻塔塔群控制實(shí)測驗(yàn)證

為了分析冷卻塔塔群節(jié)能控制系統(tǒng)與冷卻塔普通變頻的運(yùn)行方式的節(jié)能效果，選取1#典型車站利用對(duì)比測試的方式進(jìn)行能耗分析。測試時(shí)間為2019 年7月1 日～30 日，冷卻塔兩種運(yùn)行模式采用交替運(yùn)行的方式，即冷卻塔一天運(yùn)行模式1（普通變頻控制），一天運(yùn)行模式2（塔群節(jié)能控制）。對(duì)比工況下冷源內(nèi)制冷機(jī)運(yùn)行模式相同，逐時(shí)濕球溫度、耗冷量基本相同。由此對(duì)比兩組工況下的電耗數(shù)據(jù)，得出冷卻塔改造運(yùn)行策略優(yōu)化后的節(jié)能量。本次測試所用溫度傳感器、電功率計(jì)均進(jìn)行了校核。

測試期間冷機(jī)開啟時(shí)間為7:00～23:00，冷機(jī)冷凍水出水溫度設(shè)定不變，冷卻水泵、冷凍水泵工頻運(yùn)行。測試時(shí)間內(nèi)的冷水系統(tǒng)逐日冷量、耗電量、冷水系統(tǒng)能效EER 對(duì)比如圖6～8 所示。

圖6 冷水系統(tǒng)逐日供冷量對(duì)比圖

圖7 冷水系統(tǒng)逐日耗電量對(duì)比圖

圖8 冷水系統(tǒng)逐日能效EER 對(duì)比圖

從圖 6～8 可以看出：兩種模式運(yùn)行下冷水系統(tǒng)的累計(jì)供冷量分別為 210605 kWh、208982 kWh，累計(jì)供冷量偏差0.7%，可基本認(rèn)為一致。兩種模式運(yùn)行下累計(jì)耗電量分別為 56893 kWh、51020 kWh，在運(yùn)行模式2 工況時(shí)節(jié)電率達(dá)到 10.3%。兩種模式運(yùn)行下冷水系統(tǒng)能效EER 分別為 3.7、4.1，在運(yùn)行模式 2 工況時(shí)冷水系統(tǒng)能效EER 提升10.6%。

為了對(duì)比兩種模式下，冷卻塔實(shí)際出水溫度情況，選取第 15 組對(duì)比數(shù)據(jù)（7 月 29 日、7 月 30 日）進(jìn)行逐時(shí)分析如圖9 所示。在 29 日、30 日的室外溫濕度基本一致，冷機(jī)供冷量偏差為1.63%。從圖9 可以看出冷卻塔運(yùn)行策略改變后，冷卻塔出水溫度有明顯下降，從模式1 工況下平均30.2 ℃降到27.5 ℃，降低了2.7 ℃。因冷卻塔出水溫度的降低，冷水系統(tǒng)能效得到提升。

圖9 冷卻塔出水溫度對(duì)比圖

通過對(duì)1#車站歷史耗電量進(jìn)行調(diào)取，車站 2018年冷水系統(tǒng)耗電量為45.5 萬kWh，冷卻塔塔群控制改造后預(yù)計(jì)每年可節(jié)約 4.7 萬 kWh 耗電量，年節(jié)能費(fèi)用約為3.8 萬元。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)某地鐵線路車站進(jìn)行調(diào)研測試，發(fā)現(xiàn)目前地鐵車站冷卻塔存在運(yùn)行效率偏低的問題。針對(duì)冷卻塔運(yùn)行現(xiàn)狀，在 1#站點(diǎn)通過改變冷卻塔的啟停數(shù)量及風(fēng)機(jī)頻率發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻塔運(yùn)行頻率的增加冷水系統(tǒng)的整體功率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，說明冷卻塔控制存在優(yōu)化空間。

基于此提出以“ 冷卻塔全開、風(fēng)機(jī)聯(lián)控”的冷卻塔塔群節(jié)能控制策略，并嵌入塔群控制裝置中。該控制裝置在1#車站站點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。采用對(duì)比測試的方式進(jìn)行節(jié)能分析，在塔群節(jié)能控制模式下系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，冷水系統(tǒng)整體節(jié)電率達(dá)到 10.3%，系統(tǒng)能效 EER 提升10.6%。冷卻塔塔群控制改造后，1 #車站年預(yù)計(jì)節(jié)約耗電量4.7 萬kWh。