多联式空调机组在地铁设备用房的应用
摘 要:介绍了多联式空调机组(VRF)的发展及应用概况。针对由于地铁车站昼、夜负荷差异而使冷水机组、空调设备夜间频繁开停的问题,探讨了在夜间使用VRF系统的可行性,阐述了使用VRF系统可为城市轨道交通设备管理用房的通风空调系统运营带来的优越性,为相关课题的进一步深入研究探讨提供借鉴和参考。
关键词:多联式空调机组(VRF); 设备管理用房; 空调通风; 昼夜负荷; 制冷综合性能系数
1 VRF系统发展和应用概况
多联式空调机组原为日本大金工业株式会社产品,简称VRV(Varied Refrigerant Volume)系统,近年来该机组已由国内多家公司生产,其标准名称为多联式空调机组,简称VRF(Varied Refrigerant Flow)系统。
VRF系统最初使用的冷媒为R22,后发展为R134a,现在为R410a。该冷媒是一种非共沸混合制冷剂,由CH2F2和C2HF5组成,具有良好的环保性能;冷凝压力较高,约为3.0MPa(R22约为2.0MPa),故压缩机管路系统要求具有较高的耐压强度。它的特点是无毒,破坏臭氧层指数为零(以R11破坏臭氧层指数作为1的相对值),具有较高的单位容积制冷量,即制取相同冷量时,可选用较小的压缩机或较小的系统管径。换言之,使用相同的压缩机或相同系统管径时可制取较大冷量,使机组结构更具紧凑性。
VRF系统是我国空调行业近年来发展较快的设备之一,其功能范围不断扩展,同一系列室内机与室外机之间冷媒配管长度已长达150 m,最大高差可达50m,室内机之间高差可达15m。VRF系统现已广泛应用于地下工程设备管理用房(室外机已可设置在室外地面),使用上方便灵活,适用性强。
2 VRF系统在地铁工程中的应用
目前,上海轨道交通3、5号线及11号线北段工程高架车站设备管理用房大多使用VRF系统,而地下车站公共区和设备管理用房往往合用冷源。原以为这样做可以节约机房面积,但运行后出现了一些问题:在过渡季平峰及低峰时段,特别是夜间列车停运后,地下车站部分设备管理用房仍需要用冷,从而使冷水机组空调设备处于频繁开停状态,极易损坏。为此,地铁运营单位加装了VRF系统,以便在夜间列车停运时段使用VRF系统而关闭空调水系统冷源,这有利于冷源系统维修保养,以及解决冷却塔飘水而引起的环保问题。
部分城市地铁车站的重要设备用房(车站综合控制室、变电所控制室、屏蔽门控制室、弱电综合设备用房、UPS电源室等)由于运营安全的要求,需要24 h运行空调设备,考虑到为保证这些房间在空调冷源设备出现故障检修时仍能实现连续供冷,按空调负荷的100%设置VRF系统作为备用系统。例如正在设计中的南昌地铁1号线工程。
3 地下车站设备管理用房产热量计算
以深圳地铁1号线续建工程中设置牵引变电所、降压变电所以及跟随变电所的深大北站和仅设置降压变电所、跟随变电所的前海路站为例,对其设备管理用房高峰小时计算产热量和夜间列车停运后计算产热量作计算比较和分析(见表1)。
1)从表1中可看出,诸如信号机械室、公用通信机械室等弱电设备用房及站长室等管理用房,昼夜负荷发热量基本一致;而变电所的变压器室、开关柜室和控制室等设备管理用房的负荷发热量昼夜相差较大,其夜间为昼间的46. 9% ~60. 9%。因此,设计必须将昼间和夜间的负荷发热量分别计列。
2)但若按白天高峰小时负荷设置VRF系统也不现实,系统过于庞大,投资费用偏大。
3)深大北站设备管理用房若在夜间列车停运后采用VRF系统,则需配用室外机功率46 kW,其中: 30 kW室外机1台(制冷量113 kW),相应室内机12台; 10 kW室外机1台(制冷量40 kW),相应室内机9台; 6 kW室外机1台(制冷量25. 2 kW),相应室内机4台。
4)前海路站设备管理用房的夜间负荷发热量是昼间高峰负荷发热量的60. 9%。若夜间采用VRF系统,则需配用室外机功率33 kW,其中: 12kW室外机1台(制冷量46 kW),相应室内机9台;7. 5 kW室外机2台(制冷量28 kW×2),相应室内机12台; 6 kW室外机1台(制冷量25. 2 kW),相应室内机4台。
4 竹子林站地下变电所夜间温度实测结果
2006年2月~3月间,每天列车停运后,凌晨1: 00时~6: 00时实测竹子林站地下变电所各设备房温度,将所有通风空调小系统及各电器用房房门均关闭,每小时巡回实测一次,由设备发热量引起的室内温升实测结果见表2。
实测结果反映出:
1)夜间列车停运后,地下变电所内产热量相比白天有大幅度下降,此时如仍使用白天高峰小时制冷量和空调风量是不合理的,会导致各设备用房温度明显偏低。实测结果,夜间关闭冷水机组时,开关柜室和变压器室的温度分别为22. 4℃~22. 9℃、23℃~24. 3℃,均低于设计温度36℃有10℃以上;控制室温度为24. 3℃,低于设计温度27℃有2℃以上。
2)通过5 h的关闭空调及不通风密闭温升后,开关柜室室内温度升高到23. 1℃,设备发热量引起的室内温升为0. 2℃~0. 7℃,与设计温度36℃相差12. 9℃;变压器室室内温度升高到26. 7℃~28. 1℃,设备发热量引起的室内温升为3. 6℃~3. 8℃,与设计温度36℃相差7. 9℃~9. 3℃;控制室室内温度升高到25. 4℃,设备发热量引起的室内温升为1. 1℃,与设计温度27℃相差1. 6℃。这充分说明,对设备管理用房昼、夜间产热量分别计算是十分必要的。
3)夜间列车停运后,地下变电所内即使不通风、关闭空调,其设备产热量引起的室内温升也较小。变压器室温升0. 72℃/h~0. 76℃/h,实测5 h温升<4℃;开关柜室温升0. 04℃/h~0. 14℃/h,实测5 h温升<1℃;控制室每小时温升0. 22℃,实测5 h温升<1. 1℃。故应根据室外气象条件,在设计中进一步核算变压器室、开关柜室夜间采用通风降温的可能性。
4)深圳每年最热的7月份23: 00时,室外干球温度极端最高值为29. 7℃,与变电所变压器及开关柜室设计温度36℃温差为6. 3℃,可资利用。若变电所在夜间列车停运后采用通风降温,则VRF系统的建设投资可进一步下降。以深大北站为例,不考虑控制室,其余变电所房间夜间发热量为43. 82kW,若在室外极端温度29. 7℃的情况下,夜间变电所如采用通风降温所需计算值为20599 m3/h。而此时其余设备管理用房夜间负荷发热量为101. 6kW,仅需配用室外机功率为37 kW。若该站按夜间列车停运后负荷设置VRF系统,则初期投资约62万元;若地下变电所在夜间列车停运后可采用通风降温,则VRF系统投资可下降至48万元左右(含排热通风系统)。
5 多联式空调机组制冷综合性能系数指标
多联式空调机组制冷综合性能系数标志制取单位冷量所需消耗的能量是评价节能性能优劣的主要指标,其系数指标对应于能源效率等级如表3所示。
1)多联式空调机组能效等级不应低于5级所对应的取值范围。
2)2011年将实施的机组综合性能系数值限定为能效等级3级所对应的取值范围。
3)多联式空调机组的节能评价值为能效等级2级所对应的取值范围。
4)对于制冷量非连续可调的机组,由于开/停机的能耗损失,其制冷综合性能系数在实际使用中需作-7. 5%修正。
6 VRF系统使用于地下工程时的防漏检测
当VRF系统使用于地下工程时,虽然其冷媒R410a安全无毒,且非易燃,但由于冷媒比空气重,一旦泄漏,就会滞留在地下室内,所以,要确保冷媒气体浓度水平不超过极限浓度。这与冷媒的最大充填量和有人员存在的可能泄漏空间有关。所谓极限浓度,是指冷媒泄漏在空气中时人员还能够无障碍地采取紧急措施的气体浓度。目前,国内尚未有该标准。澳大利亚几年前提出的R410a极限浓度为0. 44 kg/m3。
系统的冷媒泄漏量是出厂前装置内的冷媒量与现场安装时冷媒配管中的加装冷媒量之和(即系统中制冷剂总量Q)。若在有限的空间内冷媒量过多,一旦发生泄漏,容易达到甚至超越极限浓度。为此,设计应及时对系统作出修正,使Q/安装室内机房间最小体积(Min{V1, V2, V3, V4})≤最高浓度水平0. 44 kg/m3(见图1)。
应配置新冷媒检测专用工具(检知能力为3 g/m3)作为夜间巡查时使用工具,并要求夜间定时开启送/排风机换气。对于3线或4线的换乘枢纽站,若VRF系统达到200HP(即147 kW),则建议使用AirDoctor遥控检测仪。当检测到系统运行压力偏离正常值时,就能判断可能发生的冷媒泄漏事故。
7 结语
1)由于地下车站夜间设备发热量下降,容易导致管理用房与公共区共用制冷空调设备启停频繁而损坏。因此,在夜间列车停运后另外启动一套VRF系统是合理的。如果按夜间空调负荷的100%实现设备管理用房 的完全备用,当主用空调系统故障或设备处于检修时,该备用系统投入运行也是必要的。
2)鉴于地下车站设备管理用房夜间采用VRF空调系统具备节能、控制方便灵活和环保等优点,在上海、深圳、广州、南昌等城市地铁建设中已得到认可、应用和推广。
3)通过分析和比较,发现在设计方面还存在有待深化和改进的问题:
(1)地下车站设备管理用房的产热量昼、夜间应分别计算,按夜间列车停运后产热量配置VRF系统具有现实意义。
(2)地下变电所夜间产热量的通风降温应作具体核算,若这一部分能采用通风降温措施解决,可使VRF系统容量进一步减小,节省投资。
(3)弱电管理用房的夜间产热量有待进一步核实。若能适当下降,亦可减小VRF系统容量,节省投资。
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