集中供冷系統在長沙地鐵2號線一期工程的應用

鄧敏鋒

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

0 前言

按照地鐵車站空調系統冷源設置的集中程度不同，地鐵車站有分散供冷、集中供冷兩種供冷方式。分散供冷是地鐵車站空調系統中使用最廣泛、技術最成熟的供冷方式，分散供冷是指在全線各地鐵車站設置獨立的空調制冷機房，向本站的空調系統提供所需的低溫冷水，冷水機組，冷卻塔和水泵均分站設置，獨立運行。集中供冷是指根據一定的原則將全線地鐵車站劃分為不同的區域，在每個區域內集中設置冷水機組、冷卻塔等設備，通過室外管廊、區間隧道敷設冷水管，將空調冷水輸送到相鄰車站空調系統末端。

為吸引客流，新建城市地鐵車站往往設置在人流密集的市中心區，該區域地面建筑的市政規劃早已完成，車站冷卻塔的放置有一定的困難，此外，冷卻塔設備運行的噪聲和飄水等對周邊居民和環境造成一定影響。由此，集中供冷系統技術引入到了地鐵空調系統中，并陸續在廣州、成都等城市地鐵中應用[1-4]。長沙地鐵2號線一期工程線路經過長沙市主城區最繁華的五一大道段，該段線路沿線商廈云集、高樓林立，沿途經過五一商圈、袁家嶺商圈和長沙火車站，沿線車站周邊控制性建構筑物多、用地緊張、環境敏感建筑多，分站設置空調冷卻塔困難，也采用了集中供冷系統方案解決了冷卻塔設置困難的問題。

1 集中供冷系統設計概述

1.1 線路概況

長沙地鐵2號線一期工程線路自望城坡站至光達站，正線全長22.26 km，19座車站，全部為地下線和地下車站。設黃興車輛基地一座，控制中心一座（與2、3、4、5號線共用），主變電站兩座。長沙地鐵2號線一期工程線路走向示意圖如圖1所示。

圖1 長沙地鐵2號線一期工程線路走向示意圖

1.2 集中供冷方案的確定

通過對全線各車站周邊邊界條件現場踏勘得知，長沙地鐵2號線一期線路經過長沙市主城區最繁華的五一大道段，該段線路沿線商廈云集、高樓林立，沿途經過五一商圈，袁家嶺商圈和長沙火車站，沿線車站周邊控制性建構筑多、用地緊張、環境敏感建筑多，除芙蓉廣場站周邊地勢較開闊，可以結合周邊待開發的物業或綠化布置冷卻塔以外，其余車站設置冷卻塔均比較困難。為解決上述問題，考慮該路段車站空調采用集中供冷的方案，即在五一大道某個合適的區域，集中設置冷凍機房，通過區間隧道敷設冷凍水管，依靠二次泵向該區域內多個地鐵車站空調系統提供低溫冷凍水。

通過技術經濟比較，并結合車站室外條件，沿線設置兩座集中冷站，在芙蓉廣場站設置芙蓉廣場集中冷站，在錦泰廣場站設置錦泰廣場集中冷站。芙蓉廣場集中冷站為袁家嶺站、迎賓路口站、芙蓉廣場站、五一廣場站（1號線與2號線換乘）共5個車站提供空調冷凍水，錦泰廣場集中冷站主要為錦泰廣場站和長沙火車站（2號線與3號線換乘）共3個車站提供空調冷凍水，兩個集中冷站供冷范圍如圖2所示。

圖2 兩座集中冷站供冷范圍示意圖

1.3 集中供冷系統特點

集中供冷系統有如下工程特點：

1）減少室內外占地面積，降低建設成本。集中供冷系統大大減少了室內土建投資和室外占地面積，解決了繁華城區地鐵車站設置冷卻塔困難的問題。

2）集中供冷車站無需單獨設置冷卻塔，減小了地鐵建設與環保、規劃的協調工作量，減少了市民投訴。

3）地鐵線路的車站成線形布置，集中冷站供冷需通過區間隧道長距離輸送冷凍水，輸送能耗占總能耗的比重較高。冷凍水管一般沿區間隧道靠行車方向右側敷設至各用冷車站。

4）為減少輸送能耗、確保運營安全，區間隧道內冷凍水管對保溫材料，保溫工藝及管道施工工藝需采取一定的措施。

5）為減少長距離輸送反應的滯后性，提升冷站內制冷設備運行的整體能效，確保末端供冷服務水平，本工程集中供冷系統采用了水系統節能控制系統，同時采用了冷凍水大溫差設計，使供冷系統總體技術經濟性能最優。

2 工程主要技術方案

相對于傳統的分站供冷方案，集中供冷方案避免了每座車站設置冷卻塔，減少了對周圍環境的影響，同時也帶來了輸送能耗增加、水力平衡困難、冷凍水控制復雜等問題[5-6]，針對這些問題，長沙地鐵2號線一期工程集中供冷系統設計過程中在冷凍水供回水溫差，冷凍水管保溫材料選擇，區間隧道水管敷設方案，冷凍水和冷卻水控制等方面采取了一些技術手段。

2.1 采用冷凍水大溫差設計

集中供冷系統冷凍水輸送距離較長，如從芙蓉廣場集中冷站到袁家嶺站僅區間隧道長度就達到了1585 m，冷凍水在輸送過程中，由于摩擦或傳熱作用，會損耗冷量，造成輸送能耗增加。為了控制區間隧道內冷凍水管的管徑及節約運行費用，本工程采用了冷凍水大溫差方案（供回水溫差為8℃）。比起常規空調系統（供回水溫差為5℃），采用8℃冷水溫差后，可減少冷凍水量，冷水機組蒸發器壓降和冷水系統壓降也明顯減少，從而縮小輸送管道的直徑，冷水水泵能耗大幅度下降。采用大溫差設計對空調系統設備（如冷水機組、空調末端等）有一定的影響。

1）對冷水機組的影響。冷水機組產品應滿足小流量、大溫差的要求。根據調查，市場上冷水機組產品可滿足采用小流量、大溫差技術的條件，產品設計時考慮了小流量運行的要求，設備選型時可選到適合的產品。同時冷水機組采用大溫差設計，增加了對流換熱兩側的傳熱溫差，加大制冷循環面積和提高換熱效率，有利于制冷循環。

2）對末端空調機組的影響。當冷水溫差增大后，末端空調機組的性能會發生變化，據了解：對于同一臺空調機組表冷器，當冷水溫差由5℃提高到8℃時，表冷器的冷量下降，出風溫度上升，需要增加空調機組的數量，造成設備投資增加[7]，因此采用大溫差時，不能使用原來的空調機組來處理空氣。在大溫差條件下，要保持表冷器冷量不變，有三個辦法，其一是增加表冷器的排數，其二是增加表冷器的傳熱面積，其三是降低冷水初溫。長沙地鐵2號線一期工程集中供冷系統使用了前兩種方法來滿足大溫差要求。

2.2 區間隧道冷凍水管保溫材料的選擇

長沙地鐵2號線一期集中供冷系統區間隧道內冷凍水管沿區間隧道側壁敷設，水管保溫材料的選擇應滿足以下要求。

1）區間隧道內冷凍水管保溫材料的性能必須能夠經受列車高速運行產生的活塞風和區間內最高可達10m/s的風速的影響。

2）區間隧道晚間相對濕度和溫度較高，保溫層應有良好的防潮隔熱性能。

3）隧道內水管的保溫材料由于限界的要求不能太厚，否則影響行車安全。

4）區間隧道內的冷凍水管，無論檢修和更換材料，都會給行車和管理帶來很大不便，為了滿足長時間的使用要求，保溫材料使用壽命應較長。

5）保溫材料應導熱系數小，吸水率小，耐腐蝕性強，無毒和不燃。

另外，據了解，香港地鐵集中供冷系統十幾年前使用的玻璃棉保溫材料出現了變薄、受潮及被區間隧道活塞風吹爛的現象，使得冷凍水管道溫升較高，影響了末端制冷效果。

綜合考慮以上因素并結合香港地鐵建設經驗，長沙地鐵2號線一期工程集中供冷系統選用了泡沫玻璃作為區間隧道冷凍水管保溫材料。

2.3 長距離大溫差冷凍水輸送控制

長距離冷凍水輸送的控制是保證集中供冷系統穩定運行的關鍵，據此長沙2號線一期工程采用了冷凍水二次泵變頻系統。集中冷站集中設置冷水機組，冷凍水一次泵，冷凍水二次泵，冷卻水泵，冷卻塔及其它附屬設備。冷凍水系統配置和控制按以下三個方面考慮。

1）冷凍水一次環路主要由冷凍水一次泵，冷水機組，冷卻系統及附屬設備構成。空調季節根據時間表控制，早晨運營前進行系統預冷和晚間提前關機利用余冷，正常運營時根據二次環路的實際冷負荷值及水量要求調節一次泵運行臺數及頻率，冷凍水一次泵與冷水機組為一對一配置。

2）冷凍水二次環路由冷凍水變頻二次泵、變頻器、管網組成。通過控制水泵的轉速，監視末端的閥門開度來滿足末端的實際冷負荷需求，二次泵的變頻由末端差壓控制，一次泵環路與二次泵環路通過集水器與分水器之間的連通管連接。

3）車站末端空調設備由組合式空調器，風機盤管及相應的控制閥門組成。空調器表冷器的冷凍水量由比例積分二通閥控制閥門開度來調節，由于輸送管網長，水力穩定性差，因此采用減壓設備或平衡閥進調節力平衡。

2.4 區間隧道冷凍水管敷設方案

在集中供冷系統設計中，區間隧道冷凍水管路敷設必須解決穩定性和熱補償問題。

1）穩定性解決方案。敷設在區間隧道內的冷凍水管必須保證穩固、安全，否則將影響行車、乘客安全。2號線一期工程集中供冷系統采用了兩種方式固定冷凍水管：預埋件固定和膨脹螺栓固定。預埋件固定是在結構層鋼筋上焊接鋼板，冷凍水管的支架焊接連接在預埋的鋼板上。膨脹螺栓固定是將冷凍水管的支架通過膨脹螺栓與結構連接。水管安裝支架通過結構受力計算，不同區間結構形式計算出支架的長度及型號要求，按曲線和直線段不同，確定不同的間距。

2）熱補償解決方案。一般地鐵區間隧道消防管道采用膨脹伸縮節來解決熱補償問題，由于冷凍水管壓力較高，安裝工藝精度達不到要求或控制不好時容易出現水管接口漏水的事故，從而帶來行車安全的重大問題。因此，集中供冷系統選用了撓性卡箍接頭，很好地解決了熱補償問題，接頭滿足軸向，徑向及彎曲補償性能。

2.5 冷凍水系統控制采用模糊控制技術

空調冷凍水系統采用模糊預測算法實現最佳輸出能量控制。當氣候條件或空調末端負荷發生變化時，空調冷凍水系統供回水溫度，溫差，壓差和流量亦隨之變化，流量計，壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數送至模糊控制器，模糊控制器依據所采集的實時數據及系統的歷史運行數據。根據模糊預測算法模型，系統特性及循環周期，通過推理、預測出未來時刻空調負荷所需的制冷量和系統的運行參數，包括冷凍水流量、供回水溫度、溫差、壓差的最佳值，并以此調節各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉速，改變其流量，使冷凍水系統的流量、供回水溫度、溫差、壓差運行在模糊控制器給出的最優值，使系統輸出能量與末端負荷需求相匹配。采用該控制措施后，冷凍水系統可節能31%。冷凍水系統控制原理示意圖如圖3所示。

圖3 冷凍水系統控制原理示意圖

2.6 冷卻水系統控制采用自適應模糊優化算法

空調冷卻水系統采用自適應模糊優化算法實現系統效率最佳控制。當室外氣候條件或空調末端負荷發生變化時，模糊控制器在動態預測系統負荷的前提下，依據所采集的實時數據及系統的歷史運行數據，根據氣候條件，系統特性和自適應模糊優化算法模型，通過推理計算出所需的冷卻水溫度最佳值，并與檢測到的實際溫度進行比較，根據其偏差值，動態調節冷卻水的流量和冷卻塔風量，使冷卻水溫度趨近于模糊控制器給出的最優值，從而保證整個空調系統始終處于最佳效率狀態下運行，系統整體能耗最低。采用該控制措施后，冷卻水系統節能率達到28%。冷卻水系統控制原理示意圖如圖4所示。

圖4 冷卻水系統控制原理示意圖

3 結論

通過設置芙蓉廣場集中冷站、錦泰廣場集中冷站解決了長沙地鐵2號線一期五一大道段設置冷卻塔困難的問題。相對于傳統的分站供冷方案，集中供冷系統避免了在每座車站室外地面上設置冷卻塔，減少了對周圍環境的影響，同時也帶來了輸送能耗增加、水力平衡困難、冷凍水控制復雜等問題，針對這些問題，長沙地鐵2號線一期工程集中供冷系統設計過程中在冷凍水供回水溫差，冷凍水管保溫材料選擇，區間隧道水管敷設方案，冷凍水和冷卻水控制等方面采取了一些技術措施。

集中供冷系統在長沙地鐵2號線一期工程的成功應用，較好地解決了位于城市繁華地段環境敏感因素較多的地鐵車站因冷卻塔設置引起的城市規劃、景觀、環保等一系列難題，為長沙地鐵空調系統的供冷方式提供了一種新的方式和思路。同時，集中供冷方案應用于地鐵領域的城市還不多，其技術水平還需在實際工程案例中不斷提高和完善。集中供冷方案在長沙地鐵2號線一期工程的成功應用為其它地鐵城市的供冷方案提供了寶貴的經驗和參考。

[1]付強.集中供冷系統在廣州地鐵2號線的應用[J].暖通空調,2004,34(7):78-80

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[6]王靜偉,羅輝,賀利工.泡沫玻璃保溫材料在地鐵集中供冷中的應用[J].制冷與空調(四川),2008,22(5):75-77

[7]侯喜快,劉伊江,李俊飛.地鐵工程集中冷站冷凍水溫差優化設計[J].建筑熱能通風空調,2014,33(6):96-99