潘雷刚 张世勇 翟宇昕 常晟 张浩 邵嘉兴 王海波

1 同方泰德国际科技（北京）有限公司

2 北京市轨道交通建设管理有限公司

0 引言

随着国民经济发展，城市化进程大大加快，交通出行需求激增，地铁的城市骨干交通作用越来越明显。但随之而来能耗总量和强度也在迅猛增长，能源成本支出占运营成本比重不断加大。通风空调系统作为地铁系统中的耗能大户，其运行能耗约占总能耗的50%～60%，而空调水系统能耗约占空调系统能耗的65%[1]。因而提高空调水系统的运行能效对于减少地铁运行能耗尤为重要。

冷却塔作为冷水机组冷凝侧的散热设备，对于空调水系统运行性能至关重要[2]。加强冷却塔的运行控制，实现冷却塔的高效节能运行对整个通风空调系统的节能具有重要意义[3]。

本文通过具体案例，探讨冷却塔运行对冷水系统冷却侧的影响，并通过冷却塔节能改造实际案例，分析通过冷却塔控制优化，实现冷水系统能效提升。

1 案例现状分析

1.1 系统现状

本次调研车站为北京地铁某线路 20 个地下车站，选取调研车站冷却塔均为两台低噪声横流式冷却塔，冷却水通过母管送至地面后分为两个分支由两个冷却塔分别进行冷却。每台冷却塔进水相互独立，出水通过各自集水盘汇总通过母管下塔。其原理如图 1所示：

图1 冷却塔系统管路流程图

车站均采用“ 一机对一泵对一塔”的开启形式，冷却塔开启台数随冷水机组开启台数的变化而变化，当冷水机组开启一台时，冷却塔开启台数也为一台。冷却塔风机采用变频控制，风机频率根据冷却塔出水设定值进行闭环调节，冷却塔出水温度设定值采用面板手动设定。

1.2 冷却塔效率测试

冷却塔效率作为衡量冷却塔运行状态的重要参数。公式如下所示：

式中：η为冷却塔效率；tin为冷却水进冷却塔温度；tout为冷却水出冷却塔温度；twb为室外湿球温度。

通过对调研车站冷却塔进出水温度、室外湿球温度进行测试，分析其各自车站冷却塔效率，具体数据记录如表1 所示。可以看出，测试期间各个站点冷却塔控制面板出水温度设定值在28～32 ℃之间，在室外湿球温度26±0 .5 ℃下，调研车站冷却塔效率在40.9%～55.8%之间。

表1 地下车站冷却塔测试数据

冷却塔出水温度与湿球温度对比如图 2 所示，从图中可以看出各冷却塔换热趋近温度平均值为5.4 ℃，高于理想换热温差[4]。目前运行状况没有充分利用冷却塔进行换热，有进一步的优化空间。

图2 冷却塔出水温度与湿球温度对比

1.3 冷却塔运行对系统能耗影响

为了探究冷却塔运行状况对车站冷水系统运行能耗的影响，选取 1# 站点在湿球温度为 25.8 ℃时的运行情况进行测试。调研过程中保持水泵运行在50Hz工频以保证冷却水流量稳定，通过手动改变冷却塔启停数量及风机频率以观察在实现不同出水温度的同时系统整体功率的变化，数据记录如表2 所示。

表2 1#站点测试数据

由表 2 数据可见，在室外湿球温度基本不变的情况下，随着出塔温度的降低，冷却塔功率有所升高，机组功率出现了较为明显的降低，冷却侧设备整体功率呈现先降低后升高的趋势。

2 冷却塔塔群节能控制

基于测试数据分析，在相同工况下为使冷却侧的能耗最低，冷却塔出水温度控制至关重要。本章提出冷却塔根据冷量负荷、室外天气、冷却塔物理状况等参数，以冷却侧能效最高为目标的节能控制策略，并嵌入冷却塔控制装置中。

2.1 控制改造方案

目前地铁车站冷水系统各设备接入车站 BAS 系统，执行BAS 系统下发的控制指令。本次冷却塔控制做增量改造，在保持原系统完整的前提下，增加 EEC节能控制系统。冷却塔控制改造新增设备系统结构如图 3 所示，EEC 系统通过 BAS 系统对冷水系统各设备运行状况进行监视，读取各设备的运行数据作为数据源，对新增冷却塔控制柜下发控制指令。

图3 冷却塔控制改造新增设备系统结构图

冷却塔控制改造示意图如图 4 所示，新增冷却塔控制柜与原冷却塔控制柜组成节能模式和原模式，切换方式通过继电器及信号隔离模块实现两种模式切换。BAS 和EEC 系统控制冷却塔启停、频率给定通过同一继电器的公共触点与常开、常闭触头实现，反馈信号则通过原冷却塔柜内增加信号隔离模块1 分2 实现（1 路接入原冷却塔控制柜，1 路接入新增的冷却塔控制柜）。

图4 冷却塔控制改造示意图

2.2 控制系统及流程

冷却塔塔群控制系统工作流程如图5 所示。冷却塔智能控制系统接受冷源群控系统下发的启动、停止控制指令。智能控制系统主要由智能学习模块、智能采集模块、塔群控制执行模块组成，智能控制模块包括冷却塔自控算法模块、冷却塔开启组别选择模块、冷却塔设定值优化模块、冷却塔效率判断模块等。智能采集模块包含冷却水流量采集模块、冷却塔出水温度采集模块、室外温湿度采集模块、冷却塔风机电耗采集模块、冷却泵电耗采集模块、冷机电耗采集模块等。在冷却塔智能控制系统接收到启动指令后，由智能学习模块判断冷却塔历史运行效率，下发开启效率最高的冷却塔，且最低频率运行。由智能采集模块通过BAS 系统采集实时运行参数为智能控制系统提供自计算学习支撑，自学习结果由智能控制系统下发至塔群控制执行模块执行。

图5 冷却塔塔群控制系统图

2.3 控制工艺策略

冷却侧节能的目标为：在给定的冷量下，冷机、冷却泵和冷却塔风机三者的总能耗最低。冷却塔塔群控制采用“ 冷却塔全开、风机联控”的控制方式，以冷却塔出水温度为控制目标，针对不同运行工况下，系统会对冷却塔出水温度设定值进行自学习并实时优化。

3 冷却塔塔群控制实测验证

为了分析冷却塔塔群节能控制系统与冷却塔普通变频的运行方式的节能效果，选取1#典型车站利用对比测试的方式进行能耗分析。测试时间为2019 年7月1 日～30 日，冷却塔两种运行模式采用交替运行的方式，即冷却塔一天运行模式1（普通变频控制），一天运行模式2（塔群节能控制）。对比工况下冷源内制冷机运行模式相同，逐时湿球温度、耗冷量基本相同。由此对比两组工况下的电耗数据，得出冷却塔改造运行策略优化后的节能量。本次测试所用温度传感器、电功率计均进行了校核。

测试期间冷机开启时间为7:00～23:00，冷机冷冻水出水温度设定不变，冷却水泵、冷冻水泵工频运行。测试时间内的冷水系统逐日冷量、耗电量、冷水系统能效EER 对比如图6～8 所示。

图6 冷水系统逐日供冷量对比图

图7 冷水系统逐日耗电量对比图

图8 冷水系统逐日能效EER 对比图

从图 6～8 可以看出：两种模式运行下冷水系统的累计供冷量分别为 210605 kWh、208982 kWh，累计供冷量偏差0.7%，可基本认为一致。两种模式运行下累计耗电量分别为 56893 kWh、51020 kWh，在运行模式2 工况时节电率达到 10.3%。两种模式运行下冷水系统能效EER 分别为 3.7、4.1，在运行模式 2 工况时冷水系统能效EER 提升10.6%。

为了对比两种模式下，冷却塔实际出水温度情况，选取第 15 组对比数据（7 月 29 日、7 月 30 日）进行逐时分析如图9 所示。在 29 日、30 日的室外温湿度基本一致，冷机供冷量偏差为1.63%。从图9 可以看出冷却塔运行策略改变后，冷却塔出水温度有明显下降，从模式1 工况下平均30.2 ℃降到27.5 ℃，降低了2.7 ℃。因冷却塔出水温度的降低，冷水系统能效得到提升。

图9 冷却塔出水温度对比图

通过对1#车站历史耗电量进行调取，车站 2018年冷水系统耗电量为45.5 万kWh，冷却塔塔群控制改造后预计每年可节约 4.7 万 kWh 耗电量，年节能费用约为3.8 万元。

4 结语

本文通过对某地铁线路车站进行调研测试，发现目前地铁车站冷却塔存在运行效率偏低的问题。针对冷却塔运行现状，在 1#站点通过改变冷却塔的启停数量及风机频率发现，随着冷却塔运行频率的增加冷水系统的整体功率呈现先下降后上升的趋势，说明冷却塔控制存在优化空间。

基于此提出以“ 冷却塔全开、风机联控”的冷却塔塔群节能控制策略，并嵌入塔群控制装置中。该控制装置在1#车站站点进行试验。采用对比测试的方式进行节能分析，在塔群节能控制模式下系统运行稳定，冷水系统整体节电率达到 10.3%，系统能效 EER 提升10.6%。冷却塔塔群控制改造后，1 #车站年预计节约耗电量4.7 万kWh。