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1、广东建材2 ( ) ( ) 9 年第8 期 工艺与设备 水蓄冷空调系统 地铁车站应用的可行性分析 张 瑞 ( 广州市地下铁道 总公司) 摘 要：根据地铁车站的特点， 通过全面的技术经济分析， 认为在地铁中采用大温差供水的水蓄冷 空调是可行 的， 可以节省初期投资和运行 电费。 关键词：地铁车站； 水蓄冷； 大温差供水； 可行性 1 水蓄冷中央空调系统 蓄冷中央空调系统是将冷量 以显热或潜热 的形式 储存在某种介质中， 并在需要时能够从储存冷量的介质 中释放出冷量的空调系统。 水蓄冷是空调蓄冷的重要方式之一， 利用 了水的显 热容量进行能量储备 ， 水 的比热容为 4 1 8 K J ( k g
2、 ) ， 冷冻水一般贮存的温度为 4 7 ，该温度适合于大多 数常规冷水机组直接制取 。 水蓄冷的容量大小取决于蓄 冷水槽的供回水温差； 实际使用中温差为 5 l 1 。采 用蓄冷系统， 可 以有效降低 空调系统主机 的容量， 改善 主机运行负荷率状况 ， 提高设备使用效率 ， 提 高空调系 统运行 的安全及稳定性，在有一定峰谷 电价差 的条件 下 ， 蓄冷能实现较好 的经济效益和社会效益。利用水的 显热储存冷量 。 2 地铁车站空调冷负荷的特点 为了阐述清楚地铁地下车站 空调系统采用蓄冷的 可行性 ， 选取广州地铁带屏蔽门系统一典型车站， 白天 的地铁车站负荷受客流影响呈现早晚上下班两个高峰
3、， 夜间地铁停运 以后 ， 车站设备房仍有部分相对较为稳定 的负荷需求 ( 根据 目前运营实际情况， 白天地铁运营和 晚问停运 ， 部分设备房负荷有所变化， 而且不 同季节， 设 备房负荷也有小幅度的变化) 。 目前广州地铁带屏 蔽门系统车站 的冷 负荷主要 由 两部分组成： 车站大系统负荷 、 车站小系统负荷。 子项 由 乘客发热、 围护结构传热、 照明发热 、 设备发热、 新风负 藐风 图 1 荷、 出入 口通道热风渗透等 部分组成， 分配比例见图 1 。 大系 统负荷 的情况根据 车 站规模 和客流 情况不 同数 值有所不 同， 但各部分 的比 例相对稳定， 根据广州 已运营 的和在建车
4、站情况 ， 大系 统负荷在 6 O 0 1 l O 0 k w之间。 车站小系统负荷主要为车站设备及管理用房的设 备发热量 ， 其最大差异来至牵 引降压变 电所 、 跟随所 内 的变压器 、 直流开关柜、 低压开关柜等设备。 列车的车型 不 同， 编组不 同其发热量有差异 ， 根据广州 已运营的和 在建地铁线路的车型及编组情况，小系统负荷负荷在 2 5 0 4 0 0 k W之 间 。 为方便计算 ， 我们取车站 的负荷为 1 4 0 0 k w ( 其中大 系统负荷 1 1 O 0 k w ， 小系统负荷 3 O 0 k w ) 。 由于水蓄冷方案 和常规供冷方案的末端侧设计基本相 同( 当
5、不采用低温 送风方案时) ， 以下论述， 只针对冷源一次侧 的设备投资 及能耗。 通过对最热月典型设计 日车站 的逐时负荷计算 ， 得 到图 2的负荷 曲线 ， 负荷峰值 为 l 4 O 0 k w ， 最低负荷值为 3 0 O k w( 夜间小系统) ， 日平均负荷为 9 6 2 k w 。 1 襄 ： ， ， t 、 ： ： ： 、 。 ， + ： ： ： ： ： ， ： ： l 3 5 7 9 l 1 1 3 1 5 1 7 l 9 2 l 2 3 时闽段 图 2地铁车站典型 负荷曲线 3地铁车站空调的几种供冷方式 3 1 常规供冷方式 常规供冷方式的冷冻水流程设置见图 3 ( 冷却水环
6、 路省略) ， 其中水系统为一次泵末端变流量系统。 冷水机 组根据负荷变化通过调节 自身输入功率以及 台数控制 来满足使用要求。 该流程的设备配置见表 1 ， 充分考虑水蓄冷系统对 一 2 6 5 工艺与设备 广东建材2 0 () 9 年第8 期 表1车站常 规供冷方式冷源设备配置 名称 主要技术参数 单位 数量 备注 螺杆式冷水机组 制冷量 7 O 0 k w ， 十 J 电功率 1 3 5 K w 厶 2 7 l 4 口 冷冻水泵 L = 8 6 m 。 h ， N = 1 1 k w ， H = 2 2 m H 2 O 2 口 冷却水泵 L = l 4 5 m 。 h ， N = l 5
7、 k w ， H = 2 5 珊 H 2 O 2 口 冷却塔 L = 1 8 8 m 。 h ， N ： 7 5 k w 2 口 定压装 置 P f 图3 常规供冷方式冷冻水流流程图 冷冻水温差的要求， 保证常规供冷、 水蓄冷两种系统形 式具有可比性， 采用 7 ( 7 l 4 ) 供冷温差。 常规供冷方式的主要缺点是冷机 的供冷能力与车 站负荷需求曲线吻合的不够好 ， 冷机的供冷能力没有得 到充分发挥， 过渡季节或者列车停运期间， 由于车站负 荷需求骤减 ， 冷机负荷率急剧下降， 有可能出现冷机开 机困难 ， 设备房用冷需求得不到保证的情况， 影响了运 营安全。 采用水蓄冷系统以后， 能很好
8、的解决这个矛盾， 在用冷需求下降的比较厉害的季节， 白天可 以不用开启 冷水机组， 其用冷需求可以由冷机在夜间完成储备 。 3 2 水蓄冷 车站供冷采用水蓄冷系统的流程见图 4 ， 采用 开式 水池， 自然分层蓄冷方式， 按负荷均衡的方式蓄冷 ， 该蓄 冷模式的冷水机组容量由设计 日的平均负荷决定 ， 该方 式的特点是制冷机组利用率最高， 蓄冷装置容量相对最 小， 运行电费相对最少。 该系统形式的设备配置见表 2 ， 通过表 l与表 2的 对 比可以看到， 采用水蓄冷流程 以后 ， 主机容量减少接 近 3 O 的比例，相应冷却系统 的设备容量也有减少， 但 由于地铁车站在夜间有一部分的设备管理
9、用房的用冷 需求， 并且蓄冷时间只有短短 6个小时， 所 以主机容量 的减少幅度受到限制， 夜间蓄冷量减少。这也将导致单 个车站使用水蓄冷 以后移峰填谷效应不明显， 蓄冷 比例 不高， 如果要加大移峰填谷效应 ， 增加蓄冷量 ， 则需要加 大冷机容量， 同时对蓄冷装置及场地及相关配套设施的 一 2 6 6 一 图 4 水蓄冷供 冷流程 图 运行工况 丌启 调节 关 闭 主机蓄冷 V 3 ， V 5 V 1 。 V 2 V 4 。 V 6 夜间边蓄冷边供冷 V 5 ， V 6 V 4 V 1 ， V 2 ， V 3 主机、 水池联合供冷 V 2 ， V 4 V 5 V 3 。 V 6 V l 蓄
10、水池单独供冷 V 4 ， V 5 V 3 ， V 6 V 1 V 2 主机单独供冷 V 2 ， V 4 ， V 6 V l ， V 3 ， V 5 表2车站采用水蓄冷方式冷源设备配置 名称 主要技术参数 单位 数量 备注 螺杆式冷水机组 制冷量 5 1 O k w ， 用电功率 9 8 K W ； 厶 2 7 1 4 口 冷冻水泵 L = 6 3 m 。 h ， N = 5 5 k w ， H = l 5 II 1f 2 0 厶 2 口 负荷泵 L = l 7 2 m 。 h ， N = 1 l k w ， H = 1 5 m H 2 0 厶 2 口 冷却水泵 L = 1 0 5 m 。 h
11、， N ： l l k w ， H = 2 5 m H 2 0 厶 2 口 冷却塔 L = 1 3 7 m 0 h ， N = 5 5 k w 厶 2 口 水池体积 6 3 8 立方 要求也提高。 4 技术经济分析 车站空调系统的经济性比较： 4 1 水蓄冷运行模式 对水蓄冷来讲， 除了可以利用夜间低谷 电价的时间 段蓄冷以外， 在 白天的电价平价时段主机可以满负荷开 启， 边供冷边蓄冷。当负荷下降到峰值负荷的 6 0 左右 的时候， 利用电价平段蓄冷 ， 可大大减少电价峰段时期 主机 的开启数量 ，当负荷下降至峰值 负荷的 3 0 的时 候， 水池 的蓄冷可以满足白天绝大部分时间段的用冷需
12、求， 电费节省较多。 但采用该运行模式， 主机蓄冷量占到 全 日负荷总量的 2 0 不到。根据经验， 一般需要蓄冷量 占到需求负荷总量的 3 0 到 7 0 之间，水蓄冷才有很好 的经济性。 4 2 经济性比较 两种方案的初投资及运行费用比较见表 3 。 注明： 本表中水蓄冷的水池 由于占地较大， 考虑设 置在地上， 若水池将来设置在地下 ， 设置水池的土建空 间需要做加固处理的， 则“ 机房土建” 该项费用需要增加 广东建材 2 ( ) ( )9 年第8 期 工艺与设备 表3车站采用不同供冷方式经济性比较 表5车站负荷基数加大时候蓄冷的经济性 序号 项 目 常规制冷方案 水蓄冷 制冷 土 L
13、 ( 力 兀) 9 8 O 7 1 4 水 泵 ( 刀 兀 ) 3 3 4 4 设备及 冷却塔 ( 万元) l 1 2 8 2 上建 蓄水池 ( 万元) O O 5 2 7 初投 资 初投资 电力及 自控 部分 ( 刀兀) 3 5 O 3 0 5 机房土建 O O 3 8 O ( 相对值 万 元) 总计 ( 万元) l 4 7 5 2 O 5 1 年运行 电费 ( 万元) 6 2 5 5 4 8 维护管理 ( 万元) O 0 5 O 费用 总计 ( 万元) 6 2 5 5 9 8 7 0 1 5 O万。运行费用统计根据地铁车站负荷 的特点按 系统 1 0 0 负荷运行 7 9三个月 ， 6 0
14、 负荷运行 5 、 6 、 1 0 三个月， 4 0 负荷运行 4 、 1 1 两个月。 对蓄冷来讲， 空调处 于部分负荷工况越多时间，削峰填谷的效应越 明显， 经 济性越 明显 。电价政 策假设 ：峰段 ( 8 ： O 0 1 1 ： 0 0 ； l 4 ： 【 ) 0 一 l 5 ： o O ： l 9 ： O 0 2 O ： O 0 ) O 9元 k w h ， 平 段 O 6 9元 k W h ， 谷段 ( 2 3 ： 0 0 6 ： 0 0 ) 0 3元 k W h 。 由表 3可以看出来， 由于蓄冷 比例不足 ( 3 O 以下) ， 蓄冷 的经济性得不到充分体现。水蓄冷回收年限达
15、到 1 2年。为进一步了解 ， 对于此种冷量规模 的车站究竟采 用何种蓄冷 比例才可能经济， 以下改变水蓄冷蓄冷 比例 至 3 0 和 5 0 两个档次，表 4列出了其回收年限在不同 电价政策下 的变化情况。 由表 3 5可以看出对于车站负荷峰值为 1 4 O O k w的 表4车站蓄冷采用不同比例时 回收年限随电价政策变化的情况 不 同电价政策的运 行电费及 回收年 限 常规制冷方案 水蓄冷比例 3 0 水蓄冷比例 5 O 电价政策 电费 电费 回收年 限 电费 回收年 限 峰谷 电价 3 5 ： 1 6 8 3 5 4 5 6 3 3 7 8 6 3 峰谷电价 3 ： 1 6 2 5 5 2 5 8 6 3 7 5 7 7 峰谷 电价 2 5 ： l 5 6 7 5 O 6 1 4 1 3 7 3 9 9 峰谷电价 2 ： 1 5 O 9 4 8 6 3 7 5 3 7 O 1 3 8 车站 ， 水蓄冷和冰蓄冷 比例需在 3 0 5 0 之 间( 比例 再 变大 ， 经济性将变差) ， 才能获得一定的经济效益。在该 蓄冷 比例之下，水蓄冷需要的蓄水池体积 l
