地铁车站中央空调系统节能变频改造案例分析.doc

深圳地铁车站中央空调系统变频节能改造方案分析深圳市地铁集团有限公司运营分公司 王宪 摘要 深圳地铁一期工程中央空调系统风机及水泵均采用定频运行，其中，大系统及水系统在运营非高峰期及夜间非运营时段均有较大的节能空间。本文通过介绍深圳地铁一期工程华侨城站中央空调系统变频节能改造的案例，阐述变频技术在地铁中央空调系统的应用途径，分析改造存在的问题及优化方向，表明地铁车站中央空调系统应用变频节能技术具备经济性和可行性。关键词 地铁中央空调系统；变频；节能The analysis of the variable frequency energy saving renovation case which is used in the central air conditiong system of the ShenZhen metro station.ShenZhen metro CO.,LTD Wang xian ABSTRACT In the phase of the Shenzhen metro project,all the fans and pumps ,which is being used in the central air conditioning system，are used fixed-frequency operation mode 。and there is a greater possible to save energy when it is in the off-peak time and non-service time，especially to the public area air conditioning system（we call it the large system） and the water system。By introducing the variable frequency energy saving renovation case which is used in the central air conditiong system of the ShenZhen metro OCT station，this stydy explains the applications of the variable frequency technology in the metro central air conditioning system，discusses how to consummate the renovation while analyzing the problems，and shows the economy and feasibility of this renovation。KEYWORD Metro central air conditioning system；variable frequency；energy saving1 引言深圳地铁车站中央空调系统有大系统、小系统和水系统。其中大系统指车站公共区（站台、站厅）的空调通风系统，包括组合式空调箱、回排风机等能耗设备；小系统指车站设备管理用房的空调通风系统，包括柜式风机盘管、回排风机等能耗设备；水系统指为大系统、小系统提供冷源的系统，包括冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔等耗能设备。深圳地铁一期工程所有风机、水泵均为定频运行。从系统设计来看，深圳地铁一期工程环控系统设计是按远期2028年晚高峰小时运营条件来设计,而目前地铁大部分车站客流量还达不到远期设计要求。因此，地铁中央空调系统在初期及中期运营阶段都有较大的节能空间；从车站负荷情况来看，运营时段,车站客流主要集中在早中晚上下班高峰期,其余时间客流相对较少,差别明显。运营结束后，大系统停止工作，而小系统由于负责一些设备管理用房，需24小时不间断供冷，这就导致在夜间停止大系统后，水系统长时间在低负荷状态下运行，极大地浪费了能源，因此，运营时段及非运营时段负荷的差异性，也让地铁中央空调系统有较大的节能空间。2改造原理在大型公共建筑供暖空调电力消耗中，有60%-70%是由输送和分配冷量（热量）的风机、水泵所消耗，而这部分电耗有可能降低60%-70%，存在巨大的节能潜力【1】。由于风机及水泵都采用了变频控制【2】，其消耗功率的比与流量的比的三次方成正比，因此变频改造后，地铁车站中央空调系统能耗较以前能有很大降低。基此，深圳地铁一期工程华侨城站变频改造项目试点启动，本项目硬件方面通过增加变频器回路，软件方面通过在现有HMI、PLC工程的深度集成，增加变频工艺参数及相关监控功能，根据车站公共区的温湿度和CO2浓度变化进行变频调节，在保证空气质量的前提下达到节能的目的。同时将变频控制的相关参数（如频率、自动/手动控制方式等）上传至车站EMCS（原有的设备监控系统）系统并上传至OCC（调度中心）。环调通过EMCS系统实现对车站温度的自动控制及必要时的手动干预，从而满足车站舒适度与节能要求。变频改造兼顾车站火灾防排烟功能，EMCS系统启动火灾模式后，变频风机能自动切换到工频运行，与现有火灾控制模式保持一致。3改造范围改造范围见下表1：表1 华侨城站中央空调系统改造范围系统名称设备名称功率单位数量改造内容水系统冷水机组140KW台2运行状态及参数监测冷冻水泵18.5kW台22台变频控制（一控一）冷却水泵22kW台22台变频控制（一控一）冷却塔2.2kW台2不做改造大系统风柜30KW台44台变频控制（一控一）排风柜11KW台44台变频控制（一控一）新风机N=0.75kW台2不做改造4 改造方案4.1 水系统改造方案4.1.1改造系统硬件配置(1) 冷冻水泵控制柜：2台；（每个柜包含1机械电表 1通讯表）(2) 冷却水泵控制柜：2台；（每个柜包含1机械电表 1通讯表）(3) 主机电能计量单表安装在主机控制箱内，方便接线，一控2，（2机械2通讯4块）测量冷水机组电量；(4) 现场仪表：包括4个温度传感器、2台流量计和1台压差传感器，监测冷水系统过程参数。3.1.2控制策略(1) 以冷冻水进出水管温差为被控量，以冷冻泵为控制对象，构成一套闭环控制系统，调节冷冻泵运行频率，使其在适当的节能状态下运行；流量作为保护和压差作为保护参数，当参数达到设定下限时，触发冷冻泵频率保护。(2) 以冷却水进出水管温差为被控量，以冷却泵为控制对象，构成一套闭环控制系统，调节冷却泵运行频率，使其在适当的节能状态下运行；(3) 当主机处于冷冻水流量或冷冻水出水低温保护状态时，提高冷冻泵运行频率，以保护主机；(4) 当主机处于冷冻水进出水高压差保护状态时，降低冷冻泵运行频率，以保护主机；(5) 当主机处于冷却水高温保护状态时，提高冷冻泵运行频率，以保护主机；(6) 当主机处于冷却水低温保护状态时，降低冷冻泵运行频率，以保护主机；(7) 水系统的启停控制有主机控制系统控制，变频器频率控制有车站环网控制进行控制，两个系统可进行数据交换，保证系统的正常运行；(8) 冷冻水温差控制采用分季节、分时段控制.室外温度传感器反馈做为辅助控制，如温度和季节完全不符合，就相应做出调整，以适应各种季节里面的特殊天气。3.1.3控制点(1)冷冻、冷却水泵监控点： 启停状态(DI：启动、停止) ：已有故障状态(DI：故障) ：已有本地/远程状态(DI:本地/远程) ：已有变频手动/自动(DI：手动/自动) ：新加变频器频率显示(总线) ：新加变频器频率给定(总线) ：新加电量(Modbus：电度) ：新加(2)冷水机组 在现有显示内容的基础上增加：冷凝器进出口温度(AI: 进出口温度) ：新加蒸发器进出口温度(AI：进出口温度) ：新加冷冻水流量 ：新加压差 ：新加电量(Modbus：电度) ：新加4.2 大系统改造方案4.2.1改造系统硬件配置(1) 替换原有风柜4个，加入变频器和电表等，保留原有功能。(2) 替换原有排风柜四个，加入变频器和电表等，保留原有功能。(3) 安装CO2传感器4个。3.2.2控制策略(1) 根据站厅内温度和CO2浓度控制风机的运行频率。(2) 根据站厅内温度，控制风机二通阀的开启度，达到控制站内温度的目的。(3) 根据室内CO2 浓度控制排风机的运行频率。(4) 为保证车站正压需要，要求回排风机频率小于等于空调机频率，当检测到同一区域（东区和西区）中回排风机频率大于空调机频率，系统强制设定回排风机频率等于空调机频率。4.2.3控制点(1)组合空调机监控点：启停控制(DO：启动/停止) ：已有启停状态(DI：启动、停止) ：已有故障状态(DI：故障) ：已有本地/远程状态(DI:本地/远程) ：已有变频手动/自动(DI：手动/自动) ：新加联锁风阀开/关(DI:开到位、关到位)：已有过滤器堵塞(DI:堵塞) ：已有变频器频率显示(总线) ：新加变频器频率给定(总线) ：新加电量(Modbus转总线：电度) ：新加(2)排风机监控点：启停控制(DO：启动/停止) ：已有启停状态(DI：启动、停止) ：已有故障状态(DI：故障) ：已有轴承温度报警(DI:轴温报警) ：已有本地/远程状态(DI:本地/远程) ：已有变频手动/自动(DI：手动/自动) ：新加联锁风阀开/关(DI:开到位、关到位)：已有变频器频率显示(总线) ：新加变频器频率给定(总线) ：新加电量(Modbus转总线：电度) ：新加5节能量测算5.1能源计量措施改造后共增加用于能源计量的机械式电表14块，增加用于向EMCS系统传输数据的通讯式智能电度表14块，机械式电表作为智能电度表的备用校核。5.2测算方式测试采用比对法，即在每月同样天气条件下，采用工频方式运行24小时，计量耗电量W0，作为基础数据。再以变频节能方式运行24小时，计量耗电量W，两者之差为单日节能量(W0W)。每月可多次测量，取算术平均值作为节电量的真实数据。用两者之差在乘以当月天数（n），计算出当月节电数据Wn=n*(W0W)。5.3节电率测算结果根据2010年全年各个月测算出的节电率，计算全年节电率如下表2：表2 华侨城站全年节电率统计表改造前能耗（KW）1,329,248改造后能耗（KW）946,425节省电量（KW）382,823全年节电率28.8节省电费(万元)31.4备注:深圳地铁车站用电单价:0.82元/度6 经济性分析本项目改造费用95.6万元，按全年节省电费31.4万元计，3年可收回投资成本，具备可观的经济性。7存在的问题及优化方向(1) 仅关注水泵节电，忽略了系统能耗可能上升。(2) 冷冻水循环和冷却水循环控制相对独立，未能实现系统COP的综合优化控制。(3) 未能够根据中央空调主机特性优化组控。中央空调制冷主机的效率特性通常随着负荷的变化而变化，并在某一负荷率下具有最佳效率。因此，在多台机组并联运行时，可根据当前负荷情况和历史记录的主机负荷效率特性，选择一种最佳的主机运行台数组合，以达到系统的最高效率。(4) PID控制回水温度波动大，容易发生振荡，运行稳定性差，如采用模糊预期算法则能够实现回水温度精确控制。(5) 在实际运行中，发现存在水力失调问题，为了保障局部失衡区域达到制冷标准，就必需保持较大的冷冻水流量，导致系统能耗增加且节能空间受到限制。后续可通过加装水力平衡阀，提供水力动态调节功能，实现空调管网系统的水力动态检测和自动调节，确保各支路的能量平衡和制冷效果均衡。8 结论(1