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1、南京地铁空调冷却水系统设计探讨一、项目背景南京地铁南北线一期工程项目南起小行，北至迈皋桥，是南京市快速轨道交通路网的骨干线路。线路全长16.90公里，设有13座车站，其中地下车站8座、高架及地面车站5座。本工程8座地下车站均设有空调通风系统。地下车站空调通风系统包括大系统和小系统。车站公共区空调通风系统兼排烟系统，简称大系统；设备管理用房空调通风系统兼排烟系统，简称小系统。地下车站一般为地下二层结构，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，车站冷冻机房一般布置在室内地下一层或地下二层。本工程每座地下车站设一至两个冷冻机房，每个冷冻机房内设有两至三台水冷螺杆式冷水机组。典型冷冻机房(如：三山街站南端
2、冷冻机房)内设有三台水冷螺杆式冷水机组，两大一小。其中，两台同型号冷水机组选用冷量与大系统的冷负荷相匹配，容量较大；另一台冷水机组选用冷量与小系统的冷负荷相匹配，容量较小。空调循环水系统由冷冻水系统和冷却水系统组成，空调冷却水系统主要设备为冷却塔和冷却水泵，冷却塔分别就近设在室外通风良好处，循环冷却水通过冷却塔进行降温处理。 二、空调冷却水系统设计与冷却塔能耗分析1、空调冷却水系统设计方案当前空调工程中，机械通风冷却循环水系统被广泛采用。综合多方因素，本工程设计选用方形横流冷却塔。现以典型冷冻机房为例，空调冷却水系统设计主要有以下三种：方案一：单机配套互相独立的冷却水循环系统（如图一）。本系统
3、中，冷水机组、冷却塔、冷却水泵为一一对应设置，形成三个并列的冷却水循环回路，系统之间无干扰，管理方便。方案二：冷水机组与冷却塔对应设置，共用供、回水母管的冷却水循环系统（如图二）。本系统中，冷水机组、冷却塔、冷却水泵为一一对应选配，然后通过共用供、回水母管相连接。方案三：冷却塔的总冷却能力与冷水机组总冷量相匹配，共用供、回水母管的冷却水循环系统（如图三）。本系统中，三台冷水机组并联设置，容量相同的三台冷却塔串成一组，然后通过共用供、回水母管相连接。2、冷却塔能耗分析与方案选择上述三种设计方案中，究竟何种设计方案更适用于南京地铁的工程实际，我们不妨先从能耗的角度进行分析。由南京地铁南北线一期工程
4、空调通风（初步）设计文件得知： 1. 根据南京地铁的客流预测，冷水机组的运行工况可分为远期（7年）、中期（10年）、近期（8年）三种状况。近期、中期高峰全线总设计计算冷负荷分别约为远期高峰全线总设计计算冷负荷的50%、67%。按照设计要求，本工程中冷水机组现已按照远期高峰全线总设计计算冷负荷（其值约为20478kW）选用。 2. 远期、中期、近期最小新风工况全线日平均冷负荷分别为：12287 kW、8191 kW、6143 kW，约为总设计计算冷负荷的60%、40%、30%。 3. 远期、中期、近期全新风工况全线日平均冷负荷分别为：5369 kW、3580 kW、2685kW，约为总设计计算冷
5、负荷的26.2%、17.5%、13.1%。 4. 在每日5:0023:00(列车通行时间)内，全年最小新风工况（室外空气焓：h70kJ/kg）为997小时、全新风工况（室外空气焓：54kJ/kg h70kJ/kg）为1209小时。 5. 远期、中期、近期全线日平均冷负荷约为总设计计算冷负荷的41.5%、27.7%、20.7%，即在冷水机组年运行时间2206小时的大部分时间内冷水机组在部分负荷工况下运行。 作为与冷水机组配套设置的冷却塔，大部分时间是与冷水机组部分负荷运行工况相适应。假设冷却塔在标准设计工况条件下的冷却能力为100%，经测算，冷却塔在下列条件下的冷却能力见下表：序号运 行 条 件
6、冷却能力1标准设计工况，冷却塔的冷却水量恒定为标准设计工况条件下的冷却水量风机高速运转100%2风机低速运转62%3风机停转22%4标准设计工况，冷却塔的冷却水量恒定为标准设计工况条件下冷却水量的50%风机高速运转131%5风机低速运转100%6风机停转48%7标准设计工况，冷却塔的冷却水量恒定为标准设计工况条件下冷却水量的三分之一风机高速运转146%8风机低速运转119%9风机停转66%假设冷却塔的经济寿命为20年（即远期2年、中期10年、近期8年）、在年运行时间2206小时内均为满负荷运转、冷却塔耗电比为0.035 kW/ (m3/h)、电价为0.6元/ kW.h，则冷却塔在经济寿命期内的
7、电耗为：6632(标准设计工况条件下的冷却水总量)0.035220620=10241134(kW.h)；冷却塔在经济寿命期内的运行电费为：102411340.6=6144680（元）。鉴于地铁车站日客流量不断变化，空调设备在其大部分寿命期内处于部分负荷运行状态。对于方案一和方案二，冷却塔与对应冷水机组配套使用，由冷却塔的冷却能力测算结果可知：当冷水机组部分负荷超过22%时，对应冷却塔风机必须运转。为方便计算，假设各时期的冷却塔风机电耗与各时期的全线日平均冷负荷成正比，则冷却塔在经济寿命期内的电耗为：(66320.0352206)(20.7%827.7%1041.5%2)=2691370(kW.
8、h)；冷却塔在经济寿命期内的运行电费为：26913700.6=1614822（元）。对于方案三，由于冷却塔远期、中期、近期全线日平均冷负荷约为总设计计算冷量的41.5%、27.7%、20.7%，在绝大部分时间内是一台冷水机组处于部分负荷状态运行，而此时与冷水机组配套使用的一组冷却塔在冷却塔风机停转的状态下，其热力性能达48%66%。尤其在中期和近期，冷却塔风机几乎无电耗, 假设远期冷却塔电耗与方案一等同，则冷却塔在经济寿命期内的电耗为：66320.035220641.5%2=425007(kW.h)；冷却塔在经济寿命期内的运行电费为：4250070.6=255004（元）。综上所述，若采用方案
9、三，可比方案一和方案二节约冷却塔在经济寿命期内的运行电费约136万元，约占冷却塔初投资的75.6%（136180=0.756），故选用方案三对节能有利。另外，方案三与方案一相比还具有如下主要优势： 、在近期和中期，方案三中冷却塔的自然冷却能力得到充分发挥，风机停转时，冷却塔噪音较低（仅有淋水声），对环保有利。相对而言，方案三中运动部件的运转时间短（如：出现突发客流，冷负荷较大时），故冷却塔维修保养费用较少。、方案三中，三台冷却塔并联成一组，外表更美观且备用性好。 、方案三中，三台冷却塔的集水盘型号相同且相互沟通，水力失衡的可能性较小。、配套水处理设备费用减少。全线采用方案一需34台/套水处理设
10、备，而方案三只12台/套水处理设备，虽然规格变大，但初投资有所降低。同时，方案三为选用有效的水处理设备提供了有利条件（冷却水流量大，水处理设备数量少）。 三、空调冷却水系统的自动控制为使冷水机组在一定的负荷范围内稳定运行，必须使进入冷凝器的冷却水温度稳定。对螺杆式冷水机组（排气冷却），如出现冷凝压力过低，会引起回油不畅或润滑不畅；出现冷凝压力过高，会引起电机局部过载发热被烧毁。常见的冷却水温度调节如下： 1. 由冷却塔出水温度控制风机的启停，该系统既能自动调节出水温度，又能减少蒸发损失和飘水损失。 2. 冷却塔供、回水用三通阀调节，保证供冷水机组的冷却水混合温度，同时能控制风机的启停。 根据本
11、工程的特点，结合方案三，建议在冷却塔供、回水母管间设置三通阀，由冷却塔出水总管内冷却水出水温度的设定信号来控制各台冷却塔双速风机的启停，同时控制三通阀的启闭，防止冷却水温过低。 四、有待进一步探讨的问题综上所述，方案三的顺利实施还需解决好下列两个问题： 1. 冷却塔出水总管内冷却水出水温度的设定值必须科学合理，既要有利于提高冷水机组能效比和机组的安全运转，又要有利于充分发挥冷却塔的自然冷却能力、降低噪声、节约能耗。 2. 冷却塔的布水装置应兼顾冷却水流量较小时的布水效果，必须采取切实有效的措施，力求冷却塔在小流量时达到理想的冷却能力。 住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言建筑
12、能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例，在一些发达国家，其比例有的已达到40%。我国作为一个发展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占到全国总能耗的20%左右，这其中更有85%的是用于建筑的采暖和空调1。由于我国用于发电的一次能源在多为原煤（原煤发电约占总量的75%左右），而原煤属于不清洁能源，其在开采、运输、使用过程中都会对环境造成极大的污染。因此，做好建筑能耗的优化管理就可达到节约能源和保护环境的双重目的。住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水，以满足用户空气调节的需要。由于集中供冷的规模效应，使得它在防止大气污染、提高能源利用率、有效利用空间、全
13、国各地和资金、美化城市形象等方面具有十分突出的优点，非常符合绿色建筑、健康住宅的健康、舒适、节能、环保的要求，因而有着重大的经济效益和社会效益，是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势。由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂，因此对其进行优化管理必须引进系统工程的概念，不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑，而应该全面考虑技术、经济、环境、人文等多方面因素。基于以上这种理念，我们经过大量的工作后，提出了基于网络技术的集中供冷优化管理系统框架及其实现途径。该系统充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理。 2 集中供冷优化管理系统本文提出的
14、住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分：住宅小区集中供冷冷源决策系统、住宅小区集中供冷最优设计系统、集中供冷系统与人工景观相结合的技术、住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统。21 住宅小区集中供冷冷源决策系统2传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析，而不涉及复杂因素的相互影响。由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统，其最优性受到技术、经济、环境、文化等多个方面的制约，因此，仅仅只从某个方面进行分析，肯定不能得出一个满意的结果。本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家T.L.Sady教授在20世纪70年代提出的层次分析法（Analytical
15、 Hierarchy Process，简称AHP）对住宅不区的集中供冷冷源进行决策。层次分析法是一种把数据、专家意见和分析人员的判断有效结合的方法，是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它把一个复杂的问题分解成各组成因素，然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性。由于住宅小区集中供冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点，如系统对环境的影响以及系统的可靠性等，因此，层次分析法能很好地应用于集中供冷系统的冷源决策过程。22 住宅小区集中供冷最优设计系统3冷源形式确定后，利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计。该系统采用计算机模拟分析的方法，以整个集中供冷为其优化对
16、象。它首先对住宅小区集中供冷的全年能耗按变基准温度度日法进行预测，然后采用寿命周期费用（Life Cycle Cost，简称LCC）分析法对整个集中供冷系统进行经济分析，从而得出冷源以及冷水输配系统的最佳配置、冷水的最优供回水温差等。23 集中供冷系统与人工景观相结合的技术3随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，在一些住宅小区中，喷泉和人造瀑布等人工景观随处可见。集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声，且其形象与周围环境也极不协调。因此，我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案（图1和图2）。采用这种方案后，可以达到美化环境、改善小区微气候，减少
17、冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的，从而使得集中供冷系统对小区环境的影响降到最小。图1喷泉冷却方式 图2 人工瀑布冷却方式通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明，经过精心的设计、完善的运行管理、巧妙的布局，将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的。24 住宅小区集中供冷协调控制系统4集中供冷系统可以分为四个部分：冷源、冷却水系统、冷水系统和末端用户。由于受计算机技术、通信技术、电子技术等科学的限制，传统的集中供冷系统一般采用和设备单体控制的方法，即系统中每个部分的控制都是各自为政，没有考虑集中集中供冷中各个部分之间的相互影响，每个部分都有着自己独立的控制方案，而不是从系统的整
18、体出发，没有一个统一的最优控制方案。另外，其每个部分的控制方案都是一成不变的，都是建立在一些凭经验建立的数学模型上，而没有考虑到具体系统的不同。与传统的控制方案不同，集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统（除开末端用户部分）作为自己的优化控制目标，不再只是孤立地对各个部分进行控制，而是充分考虑到各个部分之间的相互影响。在集中供冷协调控制系统中，它不仅利用最新的计算机通信技术把整个系统有机的联合起来，而且还利用人工智能新技术对整个系统的控制过程进行最优化的处理，最后，它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状况下运行。25 住宅小区集中供冷自动计费系统5在我国，由于各方面的原因
19、，现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方法，该方法存在着许多的弊端，造成了能源的大量浪费。由于集中供冷计费能够将用户的自身利益与其能量的消耗结合起来，这势必会增加用户的节能意识，推动节能工作的良性向前发展，并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小区中必须进行分户计费。通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后，我们提出了一个基于公平的集中供冷计费方法，该方法充分考虑到各用户围护结构的不同和用户之间热传递所带来的影响，因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷，增加计费的公平性。在此基础上开发集中供冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量，并可根据积压用户的围
20、护结构对其消耗的冷量进行自动调节。采用住宅小区集中供冷自动计费系统后，可以促进用户更加主动地节约能源，从根本上杜绝集中供冷能源的人为浪费。3 集中供冷优化管理系统的网络实现通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析，集中供冷优化管理系统采用LonTalk作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统：集中供冷协调控制系统、集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统。LonWorks现场总线拓扑结构灵活多变，可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式，具有高度的可靠性、较好的可维护性和扩充性。在LonWorks现场总线中，由于采用统一的数据结构-网络变量，各类设备采集的数据可以共
21、享，因此能节约大量的设备费用。建立在LonWorks现场上的LonTalk是一种开放性通信协议，遵守协议的设备和系统可以直接互连，组成无主站点对点的分布式网络。由于LonTalk通信协议已被子世界上3000多家著名企业采用，使得其已成为事实上的行业标准。集中供冷优化管理系统可能通过Internet与外界联系，这使得决策人员、操作人员和管理人员可以集中供冷系统进行远程监控。当系统出现故障时，维修人员可在千里之外对其进行处理，因而能节省大量的人力和物力。（图3）图3 集中供冷优化管理系统在集中供冷优化管理系统中，我们采用密套接字协议层（Security Socket Layer，简称SSL）技术来
22、保证系统的安全性，允许客户/服务器应用程序之间的通信不会被偷听、篡改和伪造。协作管理环境（Cooperation Management Enviroment,简称CME）软件功能模块包括电子白板、基于Web的访问工具、多媒体数据存储、文本信息交流工具和传输工具，通过这些工具，监控人员即使在千里之外，也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺。4 应用实例应深圳市某单位的要求，我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳市某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计。该住宅小区位于深圳市区，预计住户总数将达到31240户。根据该小区的规划，我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷，其中，系统A共有住户
23、13337户，系统B共有住户8691户，系统C共有住户9212户。 以下是我们为该小区设计的集中供冷系统部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分为电力方式、热力方式和混合方式。其中热力方式包括燃气、燃油、燃煤、外部供汽四种情况，混合方式指电力与热力兼有的方式。与以上三种能耗方式对应，集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式（或螺杆式）制冷机和吸收式制冷机（包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机）。根据本文提出的集中供冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策，考虑到设备的初投资（包括增容费）、运行费用（与当地的电价、燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境的影响等几个方面的因素后认为：在
24、该小区的集中供冷系统中采用燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具有最佳的经济和环境效益。（2）由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大，这就使得冷水输送系统的消耗的能量非常大，而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大。通过对整个系统的优化分析，发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时，可以提高整个集中供冷系统的经济性。经过详细计算确定，该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为T=89。（3）为了进一步美化该住宅小区的环境，我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案。具体方案为：在喷泉
25、、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安装有风机，这样就形成一个降低水温用的冷却构筑物。其中，风机用来加大通风量，而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水与空气的接触面积和延长两者的接触时间，从而加强水与空气的热湿交换。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行。（4）小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水入口温度、冷冻水出口温度、冷却水塔风机功率及开启台数、冷却水泵功率及开启台数、冷冻水泵功率及开启台数、机组的能耗量（燃料量或耗电量）等参数后，在中央控制计算机上运用人工智能方法对这些参数进行优化组合，以求出整个集中供冷系统在当前负荷
26、下的最优状态设定点，然后将优化后的系统控制变量再传送到系统中各设备的现场执行器，从而达到最大限度地节约能耗的目的。（5）集中供冷冷水输送系统采用二次泵分散的变流量系统，对各个分散二级泵的控制采用开度法进行控制，即根据各自系统内各个控制阀的开度来对变速水泵进行控制。具体步骤如下：当本系统中所有末端设备的控制阀没有一个处于全开时，且此时系统内所有的负荷都得到满足时，则水泵慢慢降低速度；当本系统内有负荷没有得到满足，且此时该末端设备的控制阀处于全开时，则慢慢加大水泵的转速；当本系统中末端设备的所有控制阀有一个或多个处于全开时，且此时系统内民有的负荷都得到满足时，则水泵速度维持不变。（6）集中供冷自动
27、计费系统采用三级结构：计费管理主机、区域管理器和现场数据采集器。计费内部采用RS-485通讯总线。计费管理主机总共可管理32台区域管理器，每台区域管理器可以连接255个现场数据采集器，而每个现场数据采集器可对4位住户进行管理，即一个计费系统总共可对30000多个用户进行管理。考虑到具体的安装条件和小区建设规划，每个集中供冷系统准备分别安装一个计费系统，整个小区为三个计费系统。计费管理主机与小区管理中心之间采用LonWorks现场总线进行连接。5 结论住宅小区集中供冷系统的优化管理是一项系统工程。本文提出的集中供冷系统优化管理系统坚持系统工程的概念，从技术、经济、环境、人文等多方面进行考虑，充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理，从而达到节约能源和保护环境的双重目的。通过对深圳市一项实际工程的应用表明，该优化管理系统是切实可行的。参考文献