王洪偉¹  裴斐¹  張意祥¹  李國慶²  孟鑫²  谷雅秀³  鄒陽³  潘嵩¹
1北京工業大學建筑工程學院；2北京城建設計發展集團股份有限公司；3長安大學環境科學與工程學院

       【摘  要】我國城市軌道交通系統的迅速發展，帶來的不僅是人們出行的便利，還帶來了地鐵通風空調系統能耗升高的問題。為了解決空調系統高能耗問題，有文獻提出采用獨立的蒸發冷凝器直接膨脹式空調系統的設計，取代傳統集中水冷式空調系統形式。本文就采用該系統的北京某地鐵站進行了調研，通過在2016和2017中的兩個空調季各一周的測試，發現該系統形式在運行過程中可以達到較高的效率，但運行工況波動較大，且能耗和制冷量之間不匹配，說明該系統存在運行策略缺失的問題，未來對于該系統的研究可以從運行策略、系統模擬等角度出發，進一步降低該系統的運行能耗，推進該技術的普及。

       【關鍵詞】地鐵站；蒸發冷凝空調系統;能耗

1 前言

       根據中國軌道交通2015年年報，全國有26座城市開通運營城市軌道交通，我國的城市軌道交通網絡化格局逐步形成，未來發展將非常迅速，預計“十三五”期間建成的路線將超過3000km以上^[1]。然而，城市軌道交通的發展帶來的不只是綠色出行，同時也帶來了地鐵車站通風空調系統的“高投資”和“高能耗”問題。為了解決“高能耗”問題，許多學者都進行了研究，主要問題集中在以下三個方面：

       (1) 地鐵站負荷計算不準確。地鐵車站相較于地上建筑的負荷計算更為復雜，除去圍護結構傳熱、冷風侵入等設計因素，還應考慮客流量引起的負荷變化，活塞風引入的新風負荷以及屏蔽門滲透引入的隧道風負荷等額外因素，尤其是活塞風對負荷的影響至關重要。

       (2) 設備選型和系統控制策略問題。在我國，現有地鐵車站的空調系統設計方法是按照最高峰負荷選型設備容量，然而高峰負荷的存續時間簡短，設備在部分負荷運行時存在低效等問題，地鐵車站的空調控制系統又往往采用時間表的人工控制手段，這種控制方法存在較大的滯后性，導致空調系統無法高效運行。

       (3) 地鐵通風空調形式存在問題。目前大部分地鐵站空調系統采用一次回風式系統，冷源系統采用外置冷卻塔的集中水冷式冷源系統^[2]。這種通風空調系統形式借鑒了地上建筑中央空調系統的傳統設計理念，但卻沒有充分發揮地鐵車站的獨特優勢。

       針對于通風空調系統形式存在的問題，有文獻[3]提出采用蒸發冷凝器的直接膨脹式空調系統，該系統以分布式、風道布置和高效率等特點解決了傳統集中水冷冷站式空調系統的弊端，并以北京某地鐵站為實例進行了設計和初步測試。為了進一步研究該系統在長時間運行過程中的能效和運行問題，本篇文章在2016年和2017年各挑選了空調季中的一周時間進行調研。

2 車站空調系統和測試方法簡介

       被測試車站處于北方寒冷氣候區，2015年車站的蒸發冷凝空調系統開始運行，2016和2017年分別是系統運行第二年和第三年。其車站示意圖如圖1所示，和典型的水冷式車站相同，該車站由A/B兩端共同承擔室內負荷，其中，A端不僅為大系統（站廳、站臺）供冷，也同時承擔了車站辦公區域、設備用房的小系統負荷，大系統和小系統獨立運行。在本課題中，主要針對該車站大系統的通風空調系統進行研究。在圖中，A/B端分別建立了直膨式蒸發冷凝空調系統，單個分散式系統由表冷器（蒸發器）、蒸發冷凝器（冷凝器）、壓縮機組構成，表冷器（蒸發器）置于送風風道中，蒸發式冷凝器置于回排風道中，A端還設置了為小系統供風的空氣處理機組。

圖1 被測試車站示意圖

       測試內容主要包括了站廳、站臺的相關環境數據，以及有關通風空調系統效率的參數如風速、溫度、相對濕度、壓縮機壓力、蒸發溫度、冷凝溫度、設備功率等。測試所得結果包括直膨式蒸發冷凝空調系統能耗、效率以及評價。相關的測試內容和測試參數如表1所示。測試時間為早、中、晚各三個工況點。

表1 測試內容

3 系統效率和能耗

       本小節將對所有合格測試工況點的制冷量及能耗情況進行統計和分析，在測試過程中，由于存在著停機檢修、漏水等因素，部分工況點無法測試，還有部分工況點只開啟了一端，這些工況點排除后，本小節分別從2016年和2017年挑選了9個工況點作統計和分析，具體工況點和制冷量情況如表9所示，共有18個工況點，為了方便這些工況點的統計，用1-18個數字代表各工況點，在這其中1-9號工況點來自于2016年，10-18號工況點來自于2017年，早晨8:00測試的工況點有6個：1、2、5、7、1、12，中午13:00測試的工況點有7個：3、6、8、11、13、15、17，晚17:00測試的工況點有5個：4、9、14、16、18，圖2為各工況點A/B端的制冷量統計，為了方便看出制冷量有無規律，按照早、中、晚的時間順序布置工況點進行統計，從圖中可以看出地鐵車站的早、中、晚制冷量并沒有呈現出“V”字形，雖然早、晚的客流量極具增加，但三個時間段的制冷量卻和其客流量的趨勢不相吻合，這一現象很可能導致能耗的浪費，說明了該系統需要符合實際客流的運行策略。另外，從圖中可以明顯的看出A/B兩端在實際運行過程中制冷量不平衡的情況，多數工況點A端制冷量大于B端，有的甚至達到了其2倍以上。這種現象也會導致設備過載停機、損壞、能耗增大、系統運行效率不佳的問題。

圖2 制冷量統計                                      圖3 能耗統計

       從圖3可以看出，各工況點的壓縮機能耗占據主要部分，其次是主送風機和主回排風機，而蒸發冷凝器的風機機組和循環水泵能耗占最小比例，這一點體現了直膨式蒸發冷凝系統在冷源的輸配能耗上較小的特點。和2016/2017年的制冷量趨勢類似，在能耗上，測試工況點也沒有呈現出類似于“V”字形的趨勢。另外根據統計圖可以看出2016年的蒸發冷凝器風機機組能耗相較于2017年的更大，而主送風機和主排風機基本沒有變化。在這里要需要指出，主送風機為表冷器（蒸發端）供風，制冷系統的制冷量和主送風機的風量和空氣進出口焓差相關，由于工況點的主送風機能耗相似，所以造成制冷量的差異主要在于空氣進出口焓差不同，也就是表冷器中制冷劑和空氣之間的傳熱情況發生了改變，壓縮機做工發生了變化. 

 （1）                                      （2）

（3）
圖4  2016/2017工況點系統運行效率統計

       各測試工況的運行效率具體統計圖分別圖4所示。圖中所示COP是制冷量與壓縮機功率的比，SCOP是制冷量與壓縮機、循環水泵、風機墻功率之和的比，ACOP是制冷量與壓縮機、循環水泵、風機墻、主送排風風機功率之和的比。通過統計的數據顯示A/B兩端平均制冷系統效率COP達到了3.8/3.9；冷源系統效率SCOP達到了3.4/3.4；空調系統效率ACOP達到了2.5/2.3。由于兩端的壓縮機的額定COP都是4.3，從統計數據來看兩端的系統效率的平均水平均達到了較高的水準。但系統效率波動較大，說明系統運行不穩定，B端相較于A端波動范圍更大。

4 調研結論

       本文就北京某地鐵站蒸發冷凝空調系統進行調研，通過在2016年和2017年兩個空調季各1周的進行的測試工作，統計了該空調系統在連續運行工況下的系統能耗、制冷量和系統效率等參數，通過這次調研，可以得出以下幾點結論：

       （1）系統能耗和制冷量不匹配，系統運行策略存在問題。從系統能耗和制冷量上可以看出，蒸發冷凝空調系統的冷源輸配能耗較低，壓縮機能耗和空氣側輸配能耗較高，能耗和制冷量無相同的變化趨勢，說明該系統的運行方式存在優化的潛力。

       （2）系統效率處于較高水平。由于系統壓縮機的額定COP為4.3，而系統運行時的COP平均水平可以達到3.8/3.9，說明系統的運行效率相對較高，但從圖中也可以看出系統運行時效率波動較大，需要通過運行策略的調節，保持系統的穩定高效運行。

       （3）采用了蒸發冷凝器的直膨式空調系統在地鐵車站中的應用具有其獨特的優勢，未來需要對該系統進行更深入的研究，比如從模擬、實驗等角度，制定系統運行策略，進一步降低該系統的運行能耗，提升運行效率。

參考文獻

       [1]中國城市軌道交通協會. 城市軌道交通2015年統計和分析[J]. 都市快軌交通，2016，29(4):6-11.
       [2]樊莉. 地鐵熱環境模擬軟件SES與STESS的比較研究[D]. 北京：北京工業大學, 2015
       [3]王云默. 地鐵新型蒸發冷凝式空調系統的優化設計與運行效果研究[D]. 北京：北京工業大學, 2016.
       [4]蔡思維. 排風熱回收對地鐵空調機組性能提升的仿真分析[J].制冷技術，2016，36（2）：52-56》

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。