北京某地铁车站蒸发冷凝空调系统调研

王洪伟¹  裴斐¹  张意祥¹  李国庆²  孟鑫²  谷雅秀³  邹阳³  潘嵩¹
1北京工业大学建筑工程学院；2北京城建设计发展集团股份有限公司；3长安大学环境科学与工程学院

       【摘  要】我国城市轨道交通系统的迅速发展，带来的不仅是人们出行的便利，还带来了地铁通风空调系统能耗升高的问题。为了解决空调系统高能耗问题，有文献提出采用独立的蒸发冷凝器直接膨胀式空调系统的设计，取代传统集中水冷式空调系统形式。本文就采用该系统的北京某地铁站进行了调研，通过在2016和2017中的两个空调季各一周的测试，发现该系统形式在运行过程中可以达到较高的效率，但运行工况波动较大，且能耗和制冷量之间不匹配，说明该系统存在运行策略缺失的问题，未来对于该系统的研究可以从运行策略、系统模拟等角度出发，进一步降低该系统的运行能耗，推进该技术的普及。

       【关键词】地铁站；蒸发冷凝空调系统;能耗

1 前言

       根据中国轨道交通2015年年报，全国有26座城市开通运营城市轨道交通，我国的城市轨道交通网络化格局逐步形成，未来发展将非常迅速，预计“十三五”期间建成的路线将超过3000km以上^[1]。然而，城市轨道交通的发展带来的不只是绿色出行，同时也带来了地铁车站通风空调系统的“高投资”和“高能耗”问题。为了解决“高能耗”问题，许多学者都进行了研究，主要问题集中在以下三个方面：

       (1) 地铁站负荷计算不准确。地铁车站相较于地上建筑的负荷计算更为复杂，除去围护结构传热、冷风侵入等设计因素，还应考虑客流量引起的负荷变化，活塞风引入的新风负荷以及屏蔽门渗透引入的隧道风负荷等额外因素，尤其是活塞风对负荷的影响至关重要。

       (2) 设备选型和系统控制策略问题。在我国，现有地铁车站的空调系统设计方法是按照最高峰负荷选型设备容量，然而高峰负荷的存续时间简短，设备在部分负荷运行时存在低效等问题，地铁车站的空调控制系统又往往采用时间表的人工控制手段，这种控制方法存在较大的滞后性，导致空调系统无法高效运行。

       (3) 地铁通风空调形式存在问题。目前大部分地铁站空调系统采用一次回风式系统，冷源系统采用外置冷却塔的集中水冷式冷源系统^[2]。这种通风空调系统形式借鉴了地上建筑中央空调系统的传统设计理念，但却没有充分发挥地铁车站的独特优势。

       针对于通风空调系统形式存在的问题，有文献[3]提出采用蒸发冷凝器的直接膨胀式空调系统，该系统以分布式、风道布置和高效率等特点解决了传统集中水冷冷站式空调系统的弊端，并以北京某地铁站为实例进行了设计和初步测试。为了进一步研究该系统在长时间运行过程中的能效和运行问题，本篇文章在2016年和2017年各挑选了空调季中的一周时间进行调研。

2 车站空调系统和测试方法简介

       被测试车站处于北方寒冷气候区，2015年车站的蒸发冷凝空调系统开始运行，2016和2017年分别是系统运行第二年和第三年。其车站示意图如图1所示，和典型的水冷式车站相同，该车站由A/B两端共同承担室内负荷，其中，A端不仅为大系统（站厅、站台）供冷，也同时承担了车站办公区域、设备用房的小系统负荷，大系统和小系统独立运行。在本课题中，主要针对该车站大系统的通风空调系统进行研究。在图中，A/B端分别建立了直膨式蒸发冷凝空调系统，单个分散式系统由表冷器（蒸发器）、蒸发冷凝器（冷凝器）、压缩机组构成，表冷器（蒸发器）置于送风风道中，蒸发式冷凝器置于回排风道中，A端还设置了为小系统供风的空气处理机组。

图1 被测试车站示意图

       测试内容主要包括了站厅、站台的相关环境数据，以及有关通风空调系统效率的参数如风速、温度、相对湿度、压缩机压力、蒸发温度、冷凝温度、设备功率等。测试所得结果包括直膨式蒸发冷凝空调系统能耗、效率以及评价。相关的测试内容和测试参数如表1所示。测试时间为早、中、晚各三个工况点。

表1 测试内容

3 系统效率和能耗

       本小节将对所有合格测试工况点的制冷量及能耗情况进行统计和分析，在测试过程中，由于存在着停机检修、漏水等因素，部分工况点无法测试，还有部分工况点只开启了一端，这些工况点排除后，本小节分别从2016年和2017年挑选了9个工况点作统计和分析，具体工况点和制冷量情况如表9所示，共有18个工况点，为了方便这些工况点的统计，用1-18个数字代表各工况点，在这其中1-9号工况点来自于2016年，10-18号工况点来自于2017年，早晨8:00测试的工况点有6个：1、2、5、7、1、12，中午13:00测试的工况点有7个：3、6、8、11、13、15、17，晚17:00测试的工况点有5个：4、9、14、16、18，图2为各工况点A/B端的制冷量统计，为了方便看出制冷量有无规律，按照早、中、晚的时间顺序布置工况点进行统计，从图中可以看出地铁车站的早、中、晚制冷量并没有呈现出“V”字形，虽然早、晚的客流量极具增加，但三个时间段的制冷量却和其客流量的趋势不相吻合，这一现象很可能导致能耗的浪费，说明了该系统需要符合实际客流的运行策略。另外，从图中可以明显的看出A/B两端在实际运行过程中制冷量不平衡的情况，多数工况点A端制冷量大于B端，有的甚至达到了其2倍以上。这种现象也会导致设备过载停机、损坏、能耗增大、系统运行效率不佳的问题。

图2 制冷量统计                                      图3 能耗统计

       从图3可以看出，各工况点的压缩机能耗占据主要部分，其次是主送风机和主回排风机，而蒸发冷凝器的风机机组和循环水泵能耗占最小比例，这一点体现了直膨式蒸发冷凝系统在冷源的输配能耗上较小的特点。和2016/2017年的制冷量趋势类似，在能耗上，测试工况点也没有呈现出类似于“V”字形的趋势。另外根据统计图可以看出2016年的蒸发冷凝器风机机组能耗相较于2017年的更大，而主送风机和主排风机基本没有变化。在这里要需要指出，主送风机为表冷器（蒸发端）供风，制冷系统的制冷量和主送风机的风量和空气进出口焓差相关，由于工况点的主送风机能耗相似，所以造成制冷量的差异主要在于空气进出口焓差不同，也就是表冷器中制冷剂和空气之间的传热情况发生了改变，压缩机做工发生了变化. 

 （1）                                      （2）

（3）
图4  2016/2017工况点系统运行效率统计

       各测试工况的运行效率具体统计图分别图4所示。图中所示COP是制冷量与压缩机功率的比，SCOP是制冷量与压缩机、循环水泵、风机墙功率之和的比，ACOP是制冷量与压缩机、循环水泵、风机墙、主送排风风机功率之和的比。通过统计的数据显示A/B两端平均制冷系统效率COP达到了3.8/3.9；冷源系统效率SCOP达到了3.4/3.4；空调系统效率ACOP达到了2.5/2.3。由于两端的压缩机的额定COP都是4.3，从统计数据来看两端的系统效率的平均水平均达到了较高的水准。但系统效率波动较大，说明系统运行不稳定，B端相较于A端波动范围更大。

4 调研结论

       本文就北京某地铁站蒸发冷凝空调系统进行调研，通过在2016年和2017年两个空调季各1周的进行的测试工作，统计了该空调系统在连续运行工况下的系统能耗、制冷量和系统效率等参数，通过这次调研，可以得出以下几点结论：

       （1）系统能耗和制冷量不匹配，系统运行策略存在问题。从系统能耗和制冷量上可以看出，蒸发冷凝空调系统的冷源输配能耗较低，压缩机能耗和空气侧输配能耗较高，能耗和制冷量无相同的变化趋势，说明该系统的运行方式存在优化的潜力。

       （2）系统效率处于较高水平。由于系统压缩机的额定COP为4.3，而系统运行时的COP平均水平可以达到3.8/3.9，说明系统的运行效率相对较高，但从图中也可以看出系统运行时效率波动较大，需要通过运行策略的调节，保持系统的稳定高效运行。

       （3）采用了蒸发冷凝器的直膨式空调系统在地铁车站中的应用具有其独特的优势，未来需要对该系统进行更深入的研究，比如从模拟、实验等角度，制定系统运行策略，进一步降低该系统的运行能耗，提升运行效率。

参考文献

       [1]中国城市轨道交通协会. 城市轨道交通2015年统计和分析[J]. 都市快轨交通，2016，29(4):6-11.
       [2]樊莉. 地铁热环境模拟软件SES与STESS的比较研究[D]. 北京：北京工业大学, 2015
       [3]王云默. 地铁新型蒸发冷凝式空调系统的优化设计与运行效果研究[D]. 北京：北京工业大学, 2016.
       [4]蔡思维. 排风热回收对地铁空调机组性能提升的仿真分析[J].制冷技术，2016，36（2）：52-56》

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。