黃建輝

（深圳地鐵運營集團有限公司，廣東深圳 518040）

1 前言

地鐵作為一種現代化的交通運輸工具，具有安全、快捷、舒適、運量大等特點，在分擔城市內交通客流、有效緩解路面交通擁擠、促進站城一體化發(fā)展方面發(fā)揮了重大作用。截至2021年底，國內包括北京、上海、廣州、深圳、成都等50 座城市已開通運營城市軌道交通線路283 條，總里程達到9 206.8 km，其中地鐵運營線路7 209.7 km[1]。

隨著地鐵建設規(guī)模擴大，能耗問題日益突出。2019年6月13日，國家發(fā)改委聯合多部門發(fā)布《綠色高效制冷行動方案》的通知，明確提出提升綠色高效制冷產品供給，推進節(jié)能改造、節(jié)能減排等目標的實現。方案總體要求，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，綠色高效產品制冷產品市場占有率提高40%以上[2]。

至2021年底，深圳地鐵運營線路11 條（不含4 號線和龍華有軌電車），車站總數265 座，總運營里程388 km。根據統(tǒng)計，2021年深圳地鐵總電耗約16 億 kW·h，其中牽引、通風空調、其他（電梯、照明等）能耗占比分別為51.8%、30.7%、17.5%。

在地鐵建設中，通風空調系統(tǒng)（簡稱“環(huán)控系統(tǒng)”）為整個地鐵空間設備用房和乘車環(huán)境提供所需環(huán)境（溫度、濕度）條件，同時也是高耗能系統(tǒng)。圖1是一典型地下車站全年環(huán)控系統(tǒng)運行能耗的分布圖，其中冷水機組和風機（包含空調柜內風機、空調回排風機、普通送排風機等）的能耗占比較大。因此，通過高效節(jié)能的工藝設計對主要耗能設備及其控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，是地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能重點。

圖1 典型車站環(huán)控系統(tǒng)能耗分布圖

2 環(huán)控系統(tǒng)現狀與存在的問題

2.1 已開通線路測試

通過科研立項，深圳地鐵于2016年委托相關科研單位對深圳地鐵1 號、2 號線部分站點進行空調冷源系統(tǒng)能耗測試。本次測試站點包括1 號、2 號線共9 個地下站（2004年—2011年期間先后開通），冷源設置均為大小系統(tǒng)冷源共用，冷卻塔均為地面形式。

2.2 測試結果

現場測試得到典型工況下環(huán)控系統(tǒng)分項能耗。其中，小系統(tǒng)風機僅包括與空調制冷相關的風機（空調機組及其回排風機、新風機組），不包括純通風用的送、排風機。

結合冷水機組、水泵、冷卻塔、風機等設備的功率測試，計算出各站環(huán)控系統(tǒng)的關鍵指標。其中冷水機組制冷性能系數（COP）為2.3～5.2，冷源能效比（EERr）為2.5～3.9，空調系統(tǒng)能效比（EERs）為1.9～2.4。

測試結果表明，9 座車站空調冷源運行效率普遍較低，經分析存在的典型問題如下。

（1）由于冷水機組按照遠期尖峰負荷進行設計選型，額定容量較大，而實際運行中的負荷率往往較低，“大馬拉小車”，導致冷水機組COP 偏低。尤其是對于大、小系統(tǒng)共用冷源的車站，夜間小系統(tǒng)運行時仍需開啟一臺冷水機組，其負荷率、效率更低。

（2）冷水機組的蒸發(fā)器、冷凝器換熱效果不佳，導致趨近溫差偏高，進而蒸發(fā)溫度偏低、冷凝溫度偏高，使得內部制冷效率偏低。而兩器換熱效果差的常見原因有：蒸發(fā)器、冷凝器長期缺乏清洗；壓縮機回油不佳，油進入冷凝器、蒸發(fā)器，影響換熱效果；制冷劑充灌量不足，影響兩器換熱效果。

（3）冷卻塔效率偏低，導致冷卻水降溫效果差，進而導致冷凝溫度偏高、冷卻效果較差。冷卻塔效率低的常見原因有：冷卻水分布不均，并聯的冷卻塔中某臺塔風機關閉但仍有冷卻水旁通，冷卻塔填料積垢導致換熱面積減少，冷卻塔氣流組織不佳導致風機出口的熱濕空氣部分回流。

（4）水系統(tǒng)方面，部分車站制冷機房內壓力表因安裝不當、缺乏維保而讀數失真；許多水泵選型不合理，實際工作點明顯偏離額定工況點，導致水泵效率較低。

（5）多臺冷水機組并聯時，系統(tǒng)群控效果不佳，常見問題有：負荷降低時仍保持多臺冷水機組同時運行，導致COP 偏低；部分車站的水泵與冷水機組為先并聯后串聯，當2 臺冷水機組中只開啟單臺機組時，停運機組未關閉對應冷凍水閥門，導致混流，冷站供水溫度升高，為不影響末端降溫除濕效果，則冷水機組出水溫度需進一步降低，最終降低冷水機組效率；多條支路之間水力不平衡，導致各支路冷凍水溫差異較大，進而出現摻混損失等現象。

3 高效空調系統(tǒng)技術要求

鑒于傳統(tǒng)的中央空調系統(tǒng)設計選型粗放、空調專業(yè)與配電及綜合監(jiān)控設計存在脫節(jié)、精細化系統(tǒng)調試嚴重缺失等問題導致系統(tǒng)能耗偏高的現狀，高效空調系統(tǒng)的研究與應用勢在必行。

高效空調系統(tǒng)旨在利用先進的信息技術，對受控對象按系統(tǒng)進行逐一控制分析，通過系統(tǒng)集中監(jiān)控軟件、數據分析與節(jié)能控制軟件使受控系統(tǒng)整合優(yōu)化，達到最佳運行效果，實現地下車站通風空調系統(tǒng)的智能化管理和運行，達到節(jié)能減排的目的。

3.1 系統(tǒng)構成

高效空調系統(tǒng)包含高效通風空調設備及高效空調控制系統(tǒng)2 部分。

高效通風空調設備：包含冷水機組（雙一級能效）、冷水泵（變頻）、冷卻水泵（變頻）、冷卻塔（變頻）、自動反沖洗裝置、冷凝器膠球自動在線清洗裝置，大系統(tǒng)組合式空調機組（變頻）、回排風機（變頻）、小新風機（變頻），柜式風機盤管機組（變頻）、風機盤管機組，空調小系統(tǒng)回排風機（變頻）等。

高效空調控制系統(tǒng)（簡稱“智能環(huán)控系統(tǒng)”）包括：空調水系統(tǒng)、空調大系統(tǒng)、空調小系統(tǒng)的配電及智能監(jiān)控，主要包含集中控制柜、節(jié)能控制柜（含水系統(tǒng)節(jié)能控制柜、大系統(tǒng)節(jié)能控制柜、小系統(tǒng)節(jié)能控制柜）、數據采集柜、智能手操箱、各類傳感器（風系統(tǒng)溫濕度傳感器、風系統(tǒng)風量傳感器、CO2濃度傳感器、粉塵檢測儀PM2.5、室外氣象監(jiān)測站、水系統(tǒng)溫度傳感器、電磁流量傳感器、水系統(tǒng)壓力傳感器等）、集中顯示屏及配套電腦、動態(tài)平衡電動調節(jié)閥、壓差旁通裝置、溫度巡檢儀、云盒子等設備，配置架構詳見圖2。

圖2 高效空調系統(tǒng)配置架構圖

3.2 設計要求

為確?？照{系統(tǒng)的高效運行，需在設計階段進行精細化和深化設計，主要包括：

（1）線路總包設計院需編制、完善環(huán)控系統(tǒng)設計導則；

（2）統(tǒng)一各站點冷水機組、水泵、冷卻塔之間的匹配系數；

（3）精準計算制冷負荷、風管及水管阻力，冷水機組及配套設備安全系數不宜太大。

3.3 主要設備性能要求

主要設備應滿足以下相關要求。

3.3.1 冷水機組

冷水機組在名義工況下的COP 和綜合部分負荷性能系數（IPLV）應達到國家標準GB 19577-2015《冷水機組能效限定值及能源效率等級》[3]中“表1能源效率等級指標（一）”中1 級水平，見表1。

表1 冷水機組能效指標

3.3.2 冷卻塔

方形橫流式冷卻塔能效達到GB/T 7190.1-2018《機械通風冷卻塔第1 部分：中小型開式冷卻塔》[4]標準工況Ⅰ中2 級能效。冷卻能力不應小于95.0%，冷卻塔噴嘴噴霧壓力水阻不大于2 mH2O。

3.3.3 空調水泵

電機在工頻下的效率應滿足GB 18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》[5]中1 級能效的要求，電機工頻運行需提供國家認可的第三方檢測機構出具的1 級能效檢驗報告。電機具有較高的功率因數和效率，滿載功率因數不小于0.8，滿載效率不低于90%。變頻水泵采用的電機能滿足在30～50 Hz 頻率范圍內連續(xù)變頻運行的要求。

3.3.4 空氣處理設備

組合式空調機組送風機采用變頻運行，應能保證其在25～50 Hz 范圍內高效、穩(wěn)定運行；工頻運行時，機組內總阻力損失不應大于400 Pa（初阻力）；機組風機可采用多臺同型號直流無刷電機驅動的風機（EC 風機）并聯組合以滿足風量要求，且每臺風機之間軸心距和風機中心與箱體內表面之間的距離均不得低于1.6 倍葉輪直徑。

3.4 能效指標

針對高效空調系統(tǒng)要達到的節(jié)能目標，需明確3 個公式：

目前已有針對SCOP 值的明確規(guī)范規(guī)定，但該規(guī)定包括的耗能設備不齊全。因此，高效空調系統(tǒng)擬實現的能效指標采用更為全面的COP機房及TCOP 指標作為評價指標，其中核心設備功率指實際耗電量，并要求中標的總包單位予以實現。經綜合考慮設備能效、自控能力、運營水準，具體指標確定如下：

冷水機組選型冷量不大于1 163 kW 的車站：COP機房≥5.0，TCOP ≥3.0；冷水機組選型冷量大于1 163 kW 的車站：COP機房≥5.2，TCOP ≥3.0。

3.5 節(jié)能檢驗方法

3.5.1 節(jié)能檢驗條件

3.5.2 節(jié)能檢驗要求

委托國家級第三方檢測機構進行1 個完整的空調制冷季的節(jié)能檢驗（費用由中標總包單位負責并包含在合同總價內）。若檢驗結果無法滿足合同要求則順延1 個空調制冷季，并由總包單位重新委托國家級第三方檢測機構進行節(jié)能檢驗，建設單位采用飛行檢驗方式。合格的檢驗結論作為最終驗收證書的必要條件，否則按違約條款進行處理。

第三方檢驗報告主要的測試和評價范圍包括：

（1）傳感器、儀表計量和標定準確性的審核需由國家級第三方檢測機構提供現場標定證書；

（2）為確定節(jié)能數據處理過程的有效性，需由國家級第三方檢測機構提供現場標定文件或認可文件；

（3）測試方法符合國家標準、規(guī)范的要求。

4 高效空調系統(tǒng)實施方案

4.1 試點改造

借鑒廣州地鐵車陂南站空調系統(tǒng)改造經驗，經綜合考慮，確定將深圳地鐵9 號線南山書城站作為高效空調系統(tǒng)改造示范站，以獲取在專業(yè)設計、設備采購、安裝調試、運營維護等方面的數據與經驗，為整線推廣提供決策依據。

1） 醫(yī)師未按照抗菌藥物臨床應用管理規(guī)定開具抗菌藥物，主要表現在抗菌藥物使用指征不明確及無指征聯合用藥。

4.1.1 南山書城站基本資料

南山書城站于2019年建成，為獨立供冷車站，大系統(tǒng)設計冷負荷706 kW，小系統(tǒng)設計冷負荷574 kW，總冷負荷1 280 kW。冷水機房設置在B 端站廳層，共設置2 臺制冷量為689 kW 的冷水機組機組，采用一次泵變流量系統(tǒng)。系統(tǒng)供回水溫按5℃（7～12℃）溫差設計，水路采用異程式，設置2 臺冷凍水泵。（流量130 m3/h，揚程28 m），2 臺冷卻水泵（流量153 m3/h，揚程30 m）和2 臺冷卻塔（處理水量186 m3/h），冷凍、冷卻水泵變頻。

4.1.2 改造內容

（1）優(yōu)化系統(tǒng)設計，重新校核、變更各系統(tǒng)的水力計算和設備選型。根據冷卻水系統(tǒng)阻力精細化計算結果，更換冷卻泵2 臺（揚程從原設計選型的30 m，優(yōu)化后變?yōu)?4 m，相應水泵電機功率從18.5 kW 變化為15 kW）。原設計的冷卻塔采用2 臺定頻電機，更換為永磁同步變頻電機，采用直聯方式，減少風機皮帶輪的維護工作量，提高運行效率和穩(wěn)定性。

（2）改造節(jié)能控制系統(tǒng)。增加各類電柜（箱）5 個（網關1 電箱、網關3 電箱、交換機電箱、節(jié)能系統(tǒng)控制柜、臨時4G 外網引入設備柜），各類傳感器40 個，變頻器、室外氣象站1 套，對空調系統(tǒng)的運行狀況進行全面的檢測和控制。

4.1.3 改造效果

經過多輪調試，對整個車站的能效調試達到表2的結果。

表2 深圳地鐵南山書城站機房全年綜合能效

4.2 推廣應用

南山書城站高效冷水機房的示范成果為深圳地鐵四期新線高效空調系統(tǒng)的建設提供了寶貴的數據。經相關論證與審批程序，深圳地鐵四期工程12 號、13 號、14號、16 號線均統(tǒng)一設置高效空調系統(tǒng)（部分與既有線路換乘站點除外）。除13 號線外，其他線路已于2022年10月至12月陸續(xù)開通運行。

根據系統(tǒng)配置參數和調試情況，4 條整線共計91 座車站，預計年耗電量總計為3.15 億kW·h，而采用傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的預計年總耗電量為4.6 億kW·h，節(jié)能率為31.5%。按綜合電價0.82 元/（kW·h）計算，每年節(jié)省電費約1.2 億元，節(jié)能減排和經濟效果非常顯著。

線路情況及測算數據詳見表3。

表3 深圳地鐵四期線路高效空調系統(tǒng)統(tǒng)計

根據全壽命周期成本核算，節(jié)省的運行費用可在5年內回收全部初投資（包含運營維護成本的降低費用）。

5 結語

為實現地鐵空調系統(tǒng)高效運行，需在分析和研究既有系統(tǒng)各項性能指標的基礎上，積極落實更加科學有效的節(jié)能控制措施和管理手段，以提升空調系統(tǒng)整體運行水平。主要舉措包括以下5 個方面。

（1）優(yōu)化招標模式。將高效通風空調設備與智能控制系統(tǒng)的供貨、深化設計、調試、測試集成打包招標，并將COP 機房和TCOP 作為能效評估指標，統(tǒng)一納入設備合同。該舉措有利于解決以往建設過程中責任不清、評估指標不明的問題。

（2）注重深化設計。中標單位及聯合體需重點落實水管及風管減阻設計、精準完成阻力計算與設備參數配置、優(yōu)化風水聯動控制策略等工作。

（3）確保安裝與調試質量滿足合同要求。特別是確保傳感器安裝位置、風水聯動控制、水泵變頻控制及電動水閥開度控制等細節(jié)須滿足要求。

（4）注重運營管理，保證冷水機組、水泵、冷卻塔、末端換熱設備的維護保養(yǎng)水準并確保設備在最優(yōu)工況點運行。這是降低空調系統(tǒng)運行能耗的關鍵。

（5）能效的定量評估與合同條款約束是實現高效運行目標的必要措施。