廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 羅燕萍 吳紹康

0 引言

根據(jù)《綠色高效制冷行動方案》的目標(biāo)，到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷總體能效水平提升25%以上[1]。地鐵車站作為交通功能的大型公共建筑，大多采用集中冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)，冷水機組是主要的冷源型式，其能耗是集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要組成部分。圖1顯示了廣州地鐵某站節(jié)能改造后全年能耗占比的統(tǒng)計情況，對于高效空調(diào)系統(tǒng)，冷水機組在制冷機房能耗中的占比超過了80%[2]。因此，合理選擇冷水機組，提升冷水機組的運行能效，是實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵所在。

圖1 廣州某高效地鐵車站能耗占比

GB 19577—2015《冷水機組能效限定值及能效等級》中，增加了綜合部分負荷性能系數(shù)(IPLV)作為能效等級的考核依據(jù)，對冷水機組的性能系數(shù)和IPLV的各級能效指標(biāo)及能效限定值作了明確規(guī)定[3]，其中IPLV的計算參照了GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的計算方法[4]。受IPLV的計算方法和檢測條件所限，IPLV只能用于評價單臺冷水機組在名義工況下的綜合部分負荷性能水平，不能用于評價單臺冷水機組實際運行工況下的性能水平[4-5]。地下車站的空調(diào)負荷特性與一般地上公共建筑不同，其與車站客流量密切相關(guān)，負荷率變化主要受客流量變化的影響，受室外環(huán)境變化的影響較小，而客流量變化又分為初期、近期和遠期的長周期變化及每天的早、晚高峰和平峰的短周期變化。目前地鐵工程設(shè)計普遍采用IPLV作為選型依據(jù)，難以選到與本地區(qū)地鐵負荷特征相匹配的機組，實際運行中造成能源浪費。

因此，本文首先分析地鐵工程與一般公共建筑的負荷特性差異，在此基礎(chǔ)上提出符合地鐵工程特點的非標(biāo)工況下綜合部分負荷性能系數(shù)(NPLV)，初步探討NPLV在地鐵工程冷水機組選型中的價值。

1 地鐵空調(diào)負荷特性分析

圖2顯示了廣州地鐵某典型地下車站2018年8月前6天的車站冷水主機負荷率及室外干球溫度隨時間的變化。在空調(diào)季，車站的負荷規(guī)律具有周期性。在每個周期(1個空調(diào)日)內(nèi)冷水主機的負荷率均存在2個明顯的峰值，對應(yīng)的時刻分別為早、晚客流高峰時刻。室外氣象參數(shù)的峰值一般在14：00—15：00左右，地鐵車站的負荷峰值與室外氣象參數(shù)的峰值不具有一致性，與王碧玲等人研究的典型辦公建筑的負荷分布差別較大[6]。圖3顯示了廣州地鐵典型空調(diào)日運營期間的車站小時客流隨時間的變化，08：00、18：00左右為客流早、晚高峰期，其他時段為平峰期?？梢钥吹?，客流的變化曲線與車站冷水主機的負荷變化規(guī)律是一致的[7]。因此，地鐵車站空調(diào)負荷整體呈現(xiàn)早、晚2個駝峰的狀態(tài)，負荷變化與室外溫度的變化趨勢不一致，而GB 50189—2015中IPLV所反映的空調(diào)水系統(tǒng)的冷量需求與冷卻水溫的變化是同步的。

圖2 廣州地鐵典型車站冷水主機負荷率及室外干球溫度隨時間的變化

2 地鐵行業(yè)的NPLV計算方法

2.1 源數(shù)據(jù)的選取

根據(jù)典型供冷車站的規(guī)模及其建筑特點，空調(diào)水系統(tǒng)一般采用一級泵變流量系統(tǒng)，配置2臺相同冷量的冷水機組，水泵與機組一一對應(yīng)。車站工藝控制一般采用臺數(shù)與變流量相結(jié)合的方式；當(dāng)車站總冷負荷小于等于單機冷負荷時，開啟1臺機組及其對應(yīng)的水泵；當(dāng)車站總冷負荷大于單機冷負荷時，開啟2臺機組及其對應(yīng)的水泵。因此，系統(tǒng)負荷率與冷水機組負荷率并不相同，這也是IPLV不能反映多機組運行情況的原因。選取廣州地鐵某站，該站自控系統(tǒng)運行良好，全年運行數(shù)據(jù)記錄完整，根據(jù)全年冷水機組的運行小時工況點，得到如圖4所示的系統(tǒng)負荷率及單臺冷水機組負荷率的分布，車站負荷率及單機負荷率與冷卻水進水溫度呈非線性關(guān)系和多對多的關(guān)系，其負荷分布特征與賈晶等人研究的其他類型的公共建筑負荷分布情況[8]顯著不同。

由圖4a、c可以看出，系統(tǒng)負荷率主要集中在35%～45%及70%～90%范圍內(nèi)，低負荷范圍主要是夜間收車后空調(diào)小系統(tǒng)負荷及平峰時段的負荷，而高區(qū)范圍主要是客流早、晚高峰時段。本計算案例所選車站的小系統(tǒng)選型冷負荷占冷水主機總額定制冷量的41.2%，統(tǒng)計數(shù)據(jù)與設(shè)計選型值基本一致。由圖4b、d可以看出，冷水機組的負荷率主要分布在70%～90%范圍內(nèi)，在全年單機負荷率占比中，80%左右的負荷率占比最大。冷卻水進水溫度分布的區(qū)間主要在負荷率分布集中的區(qū)間，對于系統(tǒng)而言，平均冷卻水進水溫度主要分布在26 ℃及29 ℃左右，占比分別約為33%、30%；單臺冷水機組負荷率分布中，平均冷卻水進水溫度主要分布在27.5 ℃左右，占比超過70%，在80%負荷率對應(yīng)的平均冷卻水進水溫度分布最廣。此外，需要說明的是，在有條件的情況下，應(yīng)盡可能多地選取近期或遠期不同年份、不同類型車站的冷水機組運行數(shù)據(jù)，擴大樣本容量有利于提高所得NPLV的適用性。

2.2 負荷率的劃分

國標(biāo)GB 19577—2015中IPLV計算公式劃分為100%、75%、50%及25% 4個負荷率，是全國統(tǒng)一的IPLV系數(shù)值；我國地域遼闊，不同氣候分區(qū)的氣象條件差異顯著，不同類型工程亦不相同，全國統(tǒng)一的IPLV系數(shù)值對于各地區(qū)的具體項目無實際指導(dǎo)意義，IPLV的負荷率以25%為步長劃分，跨度較大，導(dǎo)致IPLV用于評價冷水機組的部分負荷性能及其全年運行能耗往往偏離工程實際。因此，本文細化負荷率步長劃分，步長越小，IPLV反映的部分負荷特性越貼近實際運行情況，但公式計算參數(shù)過多，不利于工程應(yīng)用。考慮地鐵工程大多以螺桿機為主，通常螺桿機在10%～100%負荷范圍可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，結(jié)合市面主要冷水機組廠家提供的機組負荷特性曲線及設(shè)計人員實際計算的便捷性，本文以10%作為負荷率劃分的步長，將GB 19577—2015的IPLV計算公式中的負荷率由4個工況擴展為10個工況，即部分負荷率工況取10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，依次對應(yīng)部分負荷工況點A、B、C、D、E、F、G、H、I和J。

2.3 平均冷卻水進水溫度的計算

NPLV中每一種工況所對應(yīng)的平均冷卻水進水溫度為該工況所包含的全部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)點的算術(shù)平均值，且其所包含數(shù)據(jù)點的平均溫度與工況所代表的負荷率值相等。如圖5所示，以工況點D為例，單臺冷水機組負荷率在35.41%～43.58%范圍內(nèi)的全部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)點的算術(shù)平均溫度與工況點D所代表的40%單臺冷水機組負荷率相等，該負荷率范圍內(nèi)所包含的數(shù)據(jù)點的冷卻水進水溫度的算術(shù)平均值即為該工況點對應(yīng)的平均冷卻水進水溫度。需要特別說明的是，考慮實際工程冷水主機運行的特點，將95%及以上負荷率作為100%負荷率工況點J所包含的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)范圍。經(jīng)上述統(tǒng)計計算，得到工況點A～J的平均冷卻水進水溫度依次為24.46、24.98、24.64、22.69、24.96、25.83、27.21、27.83、27.64、26.75 ℃。

圖5 不同工況的單臺冷水機組運行狀態(tài)散點分布圖

NPLV及IPLV在不同工況下的平均冷卻水進水溫度對比如圖6所示，IPLV隨著負荷率的升高，制冷機的平均冷卻水進水溫度隨之升高，在100%負荷率最高。NPLV在70%～90%負荷率時，平均冷卻水進水溫度最高，在40%負荷率時最低。NPLV與IPLV的不同工況點平均冷卻水進水溫度存在較大差異且隨負荷率的變化趨勢不同，原因是IPLV所反映的建筑負荷特性與地鐵負荷特性不匹配，這與第1章及2.1節(jié)的分析是一致的。對于廣州地鐵工程而言，空調(diào)季較長，在遠期負荷階段，早晚高峰車站冷負荷主要集中在70%～90%，因此，該負荷分布范圍對應(yīng)的平均冷卻水進水溫度最高。單臺冷水機組40%的負荷率對應(yīng)的平均冷卻水進水溫度最低是由于主機運行在該負荷率時主要處于夜間大系統(tǒng)停運或過渡季，此時，室外空氣的濕球溫度較低，造成平均冷卻水進水溫度低。

圖6 NPLV及IPLV在不同工況下的平均冷卻水進水溫度的對比

2.4 權(quán)重系數(shù)的計算

在第2.3節(jié)的統(tǒng)計基礎(chǔ)上，計算工況點A～I各自包含的區(qū)段運行小時數(shù)占總運行小時數(shù)的比例，即為該工況點的權(quán)重系數(shù)，工況點A～J的權(quán)重系數(shù)計算值依次為：0.010、0.013、0.021、0.039、0.065、0.100、0.166、0.378、0.197、0.011。

廣州地鐵遠期車站NPLV的計算公式如下：

NPLV=0.010A+0.013B+0.021C+

0.039D+0.065E+0.100F+0.166G

+0.378H+0.197I+0.011J

(1)

式中A為10%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度24.46 ℃；B為20%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度24.98 ℃；C為30%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度24.64 ℃；D為40%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度22.69 ℃；E為50%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度24.96 ℃；F為60%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度25.83 ℃；G為70%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度27.21 ℃；H為80%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度27.83 ℃；I為90%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度27.64 ℃；J為100%負荷率時的COP，平均冷卻水進水溫度26.75 ℃。

IPLV中50%及以下的負荷率權(quán)重系數(shù)比例為34%，而NPLV中僅占14.8%，NPLV中權(quán)重系數(shù)在70%～90%負荷分布范圍占據(jù)了74.2%。GB 19577—2015中IPLV的負荷率分布與廣州地區(qū)地鐵工程的負荷率分布規(guī)律差異顯著。

3 地鐵車站近、遠期NPLV對比分析

通過選取廣州地區(qū)2017年開通線路某車站記錄的全年運行數(shù)據(jù)，該站控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)記錄完整，得到其全年負荷率分布，采用第2章方法，計算得到廣州地區(qū)近期的NPLV計算公式。對比其權(quán)重系數(shù)，由圖7可知：近期，冷水機組負荷率主要集中在60%以下，70%以上的負荷率運行時間全年占比較小，無滿負荷運行情況；遠期，負荷分布較廣且存在滿負荷情況；轉(zhuǎn)換為冷水機組的負荷率，則近期主要集中在50%～60%，遠期主要集中在70%～90%。廣州地區(qū)車站冷水主機在初、遠期的冷水機組負荷率差異較大，不同負荷率對應(yīng)的平均冷卻水進水溫度不相同，對應(yīng)的主機COP不同。因此，近、遠期應(yīng)采用不同權(quán)重系數(shù)的NPLV來衡量冷水機組的性能。對于新建及改造車站，主機選型時應(yīng)注意所處的運營階段。

圖7 廣州地區(qū)近、遠期冷水主機NPLV不同工況權(quán)重系數(shù)對比

4 NPLV對制冷主機的選型影響

廣州地區(qū)典型6A非換乘站單站設(shè)計冷量一般為1 300 kW左右，冷水機組配置2臺，單臺650 kW，在此冷量段，選取市場上同一品牌相同額定制冷量的定頻螺桿冷水機組(a)、變頻螺桿冷水機組(b)及磁懸浮離心冷水機組(c)，均為單機頭小冷量機組，均滿足名義工況一級能效的要求，機組的特性曲線如圖8所示，各機組的主要性能參數(shù)如表1所示。機組a與機組b的名義工況COP分別為6.07、5.83，設(shè)計工況COP分別為5.67、5.46，IPLV分別為7.5、7.7。如果僅從國標(biāo)能效等級角度考慮，機組a滿負荷性能占優(yōu)，機組b部分負荷性能稍占優(yōu)，總體差別不大，考慮變頻螺桿冷水機組成本相對較高，作為建設(shè)方，選擇機組a經(jīng)濟上更合理。若考慮地區(qū)的地鐵負荷特性，從NPLV的角度考慮，在近、遠期，機組b的NPLV均相對機組a有較明顯的部分負荷性能優(yōu)勢，結(jié)合初投資及投資回收期等經(jīng)濟性綜合分析，選擇機組b更加合適。圖8c顯示磁懸浮離心冷水機組COP隨負荷率變化較大，反映在近、遠期NPLV值的表現(xiàn)，即為兩者相差較大，這再次表明，近、遠期NPLV值的差異可以衡量機組負荷率在不同工況下的波動。機組c在名義工況與機組a、b相差不大，但在其他工況下的COP值均較高，因此，其IPLV及NPLV值均明顯高于機組a、b，如果綜合經(jīng)濟性分析可行，對于小冷量段，選擇機組c是合理的。

表1 不同特性冷水機組的主要性能參數(shù)

由以上分析可知，在不考慮經(jīng)濟因素的條件下，機組c性能最優(yōu)，機組b表現(xiàn)最穩(wěn)定，且與理論參數(shù)最接近；以滿足國標(biāo)的COP或IPLV作為主機選型主要性能參數(shù)往往不能選到最合適的機組；IPLV與NPLV計算結(jié)果往往表現(xiàn)出NPLV普遍低于IPLV，設(shè)計人員在核算系統(tǒng)能效時應(yīng)重點關(guān)注該差異。需要說明的是，本章分析所選用設(shè)備的性能參數(shù)不一定具有普適性，設(shè)計方案對比中應(yīng)以具體備選設(shè)備的資料為準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1) 地鐵車站空調(diào)負荷呈現(xiàn)早、晚2個駝峰的狀態(tài)，負荷變化趨勢與客流變化趨勢相同，與室外溫度的變化趨勢不一致；在大負荷率時，冷卻水進水溫度低，冷水機組壓縮比低；相反，小負荷率時，冷卻水進水溫度高，冷水機組壓縮比高。

2) 以廣州地鐵為例，重新劃分負荷率，計算不同負荷率所對應(yīng)的平均冷卻水進水溫度，計算結(jié)果表明IPLV計算公式所反映的負荷分布、權(quán)重系數(shù)和平均冷卻水進水溫度與地鐵工程差異較大，這種差異與地區(qū)密切相關(guān)，建立不同地區(qū)的NPLV計算公式有利于選擇與負荷特性相匹配的冷水機組。

3) 單臺冷水機組負荷率與車站負荷率分布不同，單臺冷水機組負荷率在近期主要集中在60%以下，而在遠期主要分布在70%～90%之間；近、遠期機組負荷率差異較大，采用不同權(quán)重系數(shù)的NPLV來衡量冷水機組的性能是有必要的，對于新建及改造車站，主機選型時應(yīng)注意所處的運營階段。

4) 在國標(biāo)COP及IPLV值相當(dāng)?shù)那闆r下，不同主機的NPLV差異可能較大，以滿足國標(biāo)的COP或IPLV作為主機選型主要性能參數(shù)往往不能選到最適合的機組；在南方地鐵工程中，NPLV普遍低于IPLV，設(shè)計人員在核算系統(tǒng)能效時應(yīng)重點關(guān)注該差異。