楊才紅

（杭州鐵路設(shè)計院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310009）

1 前言

通過對比全國各地的城市軌道交通技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，軌道交通的耗能量巨大，其中環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)能耗占總能耗的30%，通過對環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，提高環(huán)控系統(tǒng)平均能效比，使得節(jié)能有40%以上。與傳統(tǒng)水冷螺桿式冷水機組相比，磁懸浮蒸發(fā)冷變頻離心式冷水機組的耗電量降低43.7%。張運乾等提出了一種水冷磁懸浮變頻離心式冷水機組的開發(fā)、機組設(shè)備的技術(shù)特征，且與制冷量相當(dāng)?shù)乃渎輻U式機組參照，磁懸浮蒸發(fā)冷變頻離心式冷水機組節(jié)省運行費用約30%。本文通對比核算浙江某軌道交通蒸發(fā)冷凝模式，提出新型的磁懸浮變頻離心式冷水機組應(yīng)用于地鐵設(shè)備，實現(xiàn)城市軌道交通環(huán)控系統(tǒng)全壽命高效運行。

2 新型磁懸浮變頻離心式冷水機組性能分析

2.1 新型磁懸浮變頻冷水機組原理

磁懸浮變頻冷水機組工作時，冷卻水由水泵送至冷凝管組上部噴嘴，均勻地噴淋在冷凝排管外表面，形成一層很薄的水膜，高溫汽態(tài)制冷劑由冷凝排管組上部進入，被管外的冷卻水吸收熱量冷凝成液體從下部流出，吸收熱量的水一部分蒸發(fā)為水蒸汽，其余落在下部集水盤內(nèi)，供水泵循環(huán)使用，風(fēng)機強迫空氣以3～5m/s的速度掠過冷凝排管促使水膜蒸發(fā)，強化冷凝管外放熱，并使吸熱后的水滴在下落的進程中被空氣冷卻，蒸發(fā)的水蒸汽隨從空氣被風(fēng)機排出，未被蒸發(fā)的水滴被脫水器阻擋住落回水盤。水盤中設(shè)浮球閥，自動補充冷卻水量。

磁懸浮變頻離心式冷水機組有其獨特的經(jīng)濟器。磁懸浮變頻離心壓縮機，軸承采用磁懸浮軸承，軸在軸承之間呈懸浮狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，無須潤滑油潤滑，使冷水機組系統(tǒng)更簡潔，維護更方便的同時避免了潤滑油對換熱器換熱效率的不良影響。磁懸浮變頻離心式冷水機組采用永磁變頻電機，通過改變電機的轉(zhuǎn)速改變機組制冷量，實現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)，在部分負(fù)荷時達(dá)到更高的性能系數(shù)，具有顯著的節(jié)能效果。

圖1 新型磁懸浮變頻冷水機組原理

圖2 新型磁懸浮變頻冷水機組

2.2 機房效能比分析

冷源綜合制冷性能系數(shù)中不包括冷凍水泵的功耗。從表1可以看出，根據(jù)設(shè)計工況下機房制冷設(shè)備參數(shù)計算出的兩端機房能效比為3.38、3.35，除水泵耗功外綜合制冷性能系數(shù)3.82、3.75，由此可以對比得出，在機組的高效平穩(wěn)運行下,制冷量相近，輸入功率越低，機房能效越高，設(shè)備使用更加節(jié)能高效化。以上兩站的機房能效僅為一般效率機房，根據(jù)機房效能比，制冷主機房全年平均能效比低于3.5為需要改進，3.5～4.1為一般效率，4.1～5.0為高效機房，5.0以上為超高效機房。本著此觀點提出對空調(diào)系統(tǒng)能效提升優(yōu)化的建議。

表1 10號線示例車站制冷機房設(shè)備主要參數(shù)

表2 某型號磁懸浮變頻離心式冷水機組輸出參數(shù)如下

表3 示例車站采用磁懸浮冷水機組后環(huán)控系統(tǒng)運行費用對比

3 空調(diào)系統(tǒng)能效提升優(yōu)化建議

設(shè)備選型優(yōu)化：

以杭州10號線示例車站參數(shù)為對照，配置兩臺制冷量相近的磁懸浮變頻離心式水機組，單臺制冷量530kW，合計制冷量為1060kW。

磁懸浮變頻離心式冷水機組根據(jù)車站的負(fù)荷波動進行冷量調(diào)節(jié)，將兩個機組的優(yōu)點充分發(fā)揮，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

針對杭州10號線示例車站的制冷量需求和優(yōu)化后的冷凍水供回水溫度，冷卻水進水溫度為恒定為32℃時，采用經(jīng)AHRI認(rèn)證的選型軟件選出制冷量和水溫都一一匹配機組，IPLV為7.086，當(dāng)處于高峰期兩臺機組齊開以滿足需求，當(dāng)在除高峰期外的時間可以使兩臺機組在不同負(fù)荷下運行以滿足需求。

依照國家標(biāo)準(zhǔn)《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組》（GB T18430.1-2007 3.2.1章節(jié)的內(nèi)容，綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）定義為制冷設(shè)備即冷水機組的部分負(fù)荷效率指標(biāo)，反映冷水機組不同負(fù)荷需求時綜合性能指標(biāo)，機組在指定負(fù)荷下運行時間的加權(quán)因素獲得，如式（1）。

IPLV=2.3%×A+41.5%×B+46.1%×C+10.1%×D（1）

式中，A為100%負(fù)荷時的性能系數(shù)COP（kW/kW）；B為75%負(fù)荷時的性能系數(shù)COP（kW/kW）；C為50%負(fù)荷時的性能系數(shù)COP（kW/kW）；D為25%負(fù)荷時的性能系數(shù)COP（kW/kW）。

4 經(jīng)濟效益分析

4.1 項目新增投資估算

杭州10號線示例車站采用磁懸浮變頻離心式冷水機組，涉及對冷水機組、冷凍水泵、末端設(shè)備等的優(yōu)化選型，并新增高效節(jié)能控制系統(tǒng)，將原車站BAS、低壓的部分工程納入節(jié)能控制系統(tǒng)中，主要增加的是磁懸浮變頻離心式冷水機組及控制系統(tǒng)投資。杭州10號線某站投資比原投資增加額約為93萬元。

4.2 節(jié)省電費估算

為簡化計算，常規(guī)的環(huán)控系統(tǒng)年平均能效比按2.3計算，本項目環(huán)控系統(tǒng)年平均能效按4.333計算，對于杭州地區(qū)，空調(diào)季按9個月計算，每日空調(diào)系統(tǒng)按運行16h計算，平均負(fù)荷按40%考慮。電價按0.7416元/kWh（浙價資【2018】88號）計算。

杭州10號線某站全年供冷量耗電量=1092.8(車站裝機總冷量)×9（運行月數(shù)）×30（每月天數(shù)）×16（全天運行小時數(shù)）×40%（平均負(fù)荷率）=188.4萬kWh。

5 結(jié)語

（1）選用磁懸浮冷水機組以使得整個系統(tǒng)能效比最高且擁有自動排污技術(shù)，可以實現(xiàn)自清潔，不停機拆洗過濾網(wǎng)，以及阻垢裝置。用磁懸浮變頻離心式冷水機組機組，采用磁懸浮壓縮機技術(shù)、直流變頻控制技術(shù)、無油潤滑等先進技術(shù)，產(chǎn)品能效比得以提高，機組可實現(xiàn)2%～100%負(fù)荷連續(xù)智能調(diào)節(jié)出水溫度控制精度±0.1℃，溫度波動小舒適性強，機組在部分負(fù)荷時的能耗有著非常顯著的效果。

（2）對10號線某站制冷機房全年能效比的計算表明，選用磁懸浮冷水機組可滿足環(huán)控系統(tǒng)全年平均能效比＞4.0滿足優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。同時采取多項技術(shù)，使冷水機組在全壽命周期均保持高效運行。

（3）磁懸浮離心式變頻機組節(jié)能高效，運行費用低，安裝簡單施工費用低，維保費用低，主要運行安全穩(wěn)定，抗喘震。