深圳地铁车站中央空调系统变频节能改造方案分析
2011-08-03王宪,李夔
王 宪,李 夔
(深圳市地铁集团有限公司运营分公司,深圳518040)
1 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
改造范围见表1。
表1 华侨城站中央空调系统改造范围
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。
4.1.2 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)水系统的启停控制由主机控制系统控制,变频器频率控制由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,以适应各种季节里的特殊天气。
4.1.3 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:
在原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);
蒸发器进出口温度 (AI:进出口温度);
冷冻水流量;压差;电量 (Modbus:电度)
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。
4.2.2 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
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
联锁风阀开/关 (DI:开到位、关到位):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,即在每月同样天气及客流量基本一致条件下,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 (W0-W)。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(W0-W)。
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,计算全年节电率如表2。
表2 华侨城站全年节电率统计表
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)在地铁车站中央空调系统大系统和水系统采用变频节能控制,能够达到节能的目的,具备可行性和经济性。
(2)节能改造要采用有效的监测方式,在地铁电力设计中应具备能源监测系统。
(3)地铁车站中央空调系统设计时应将变频节能纳入系统设计中,综合考虑,实现系统COP的综合优化控制。
[1]薛志峰,江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析[J].暖通空调,2004,34(9):8-10
[2]张钦,袁立东.中小型空调水系统备用泵的优化设计探讨[J].制冷与空调,2009,9(2):73-75
