鄧敏鋒

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

0 前言

按照地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)冷源設(shè)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(diào)系統(tǒng)中使用最廣泛、技術(shù)最成熟的供冷方式，分散供冷是指在全線各地鐵車站設(shè)置獨(dú)立的空調(diào)制冷機(jī)房，向本站的空調(diào)系統(tǒng)提供所需的低溫冷水，冷水機(jī)組，冷卻塔和水泵均分站設(shè)置，獨(dú)立運(yùn)行。集中供冷是指根據(jù)一定的原則將全線地鐵車站劃分為不同的區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)集中設(shè)置冷水機(jī)組、冷卻塔等設(shè)備，通過室外管廊、區(qū)間隧道敷設(shè)冷水管，將空調(diào)冷水輸送到相鄰車站空調(diào)系統(tǒng)末端。

為吸引客流，新建城市地鐵車站往往設(shè)置在人流密集的市中心區(qū)，該區(qū)域地面建筑的市政規(guī)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(shè)備運(yùn)行的噪聲和飄水等對周邊居民和環(huán)境造成一定影響。由此，集中供冷系統(tǒng)技術(shù)引入到了地鐵空調(diào)系統(tǒng)中，并陸續(xù)在廣州、成都等城市地鐵中應(yīng)用[1-4]。長沙地鐵2號線一期工程線路經(jīng)過長沙市主城區(qū)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(jīng)過五一商圈、袁家?guī)X商圈和長沙火車站，沿線車站周邊控制性建構(gòu)筑物多、用地緊張、環(huán)境敏感建筑多，分站設(shè)置空調(diào)冷卻塔困難，也采用了集中供冷系統(tǒng)方案解決了冷卻塔設(shè)置困難的問題。

1 集中供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dá)站，正線全長22.26 km，19座車站，全部為地下線和地下車站。設(shè)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(xiàn)場踏勘得知，長沙地鐵2號線一期線路經(jīng)過長沙市主城區(qū)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(jīng)過五一商圈，袁家?guī)X商圈和長沙火車站，沿線車站周邊控制性建構(gòu)筑多、用地緊張、環(huán)境敏感建筑多，除芙蓉廣場站周邊地勢較開闊，可以結(jié)合周邊待開發(fā)的物業(yè)或綠化布置冷卻塔以外，其余車站設(shè)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(diào)采用集中供冷的方案，即在五一大道某個合適的區(qū)域，集中設(shè)置冷凍機(jī)房，通過區(qū)間隧道敷設(shè)冷凍水管，依靠二次泵向該區(qū)域內(nèi)多個地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)提供低溫冷凍水。

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并結(jié)合車站室外條件，沿線設(shè)置兩座集中冷站，在芙蓉廣場站設(shè)置芙蓉廣場集中冷站，在錦泰廣場站設(shè)置錦泰廣場集中冷站。芙蓉廣場集中冷站為袁家?guī)X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(diào)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(diào)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(tǒng)特點(diǎn)

集中供冷系統(tǒng)有如下工程特點(diǎn)：

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

2）集中供冷車站無需單獨(dú)設(shè)置冷卻塔，減小了地鐵建設(shè)與環(huán)保、規(guī)劃的協(xié)調(diào)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(qū)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(qū)間隧道靠行車方向右側(cè)敷設(shè)至各用冷車站。

4）為減少輸送能耗、確保運(yùn)營安全，區(qū)間隧道內(nèi)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(yīng)的滯后性，提升冷站內(nèi)制冷設(shè)備運(yùn)行的整體能效，確保末端供冷服務(wù)水平，本工程集中供冷系統(tǒng)采用了水系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)，同時(shí)采用了冷凍水大溫差設(shè)計(jì)，使供冷系統(tǒng)總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)。

2 工程主要技術(shù)方案

相對于傳統(tǒng)的分站供冷方案，集中供冷方案避免了每座車站設(shè)置冷卻塔，減少了對周圍環(huán)境的影響，同時(shí)也帶來了輸送能耗增加、水力平衡困難、冷凍水控制復(fù)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(tǒng)設(shè)計(jì)過程中在冷凍水供回水溫差，冷凍水管保溫材料選擇，區(qū)間隧道水管敷設(shè)方案，冷凍水和冷卻水控制等方面采取了一些技術(shù)手段。

2.1 采用冷凍水大溫差設(shè)計(jì)

集中供冷系統(tǒng)冷凍水輸送距離較長，如從芙蓉廣場集中冷站到袁家?guī)X站僅區(qū)間隧道長度就達(dá)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(qū)間隧道內(nèi)冷凍水管的管徑及節(jié)約運(yùn)行費(fèi)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(guī)空調(diào)系統(tǒng)（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(jī)組蒸發(fā)器壓降和冷水系統(tǒng)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(shè)計(jì)對空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備（如冷水機(jī)組、空調(diào)末端等）有一定的影響。

1）對冷水機(jī)組的影響。冷水機(jī)組產(chǎn)品應(yīng)滿足小流量、大溫差的要求。根據(jù)調(diào)查，市場上冷水機(jī)組產(chǎn)品可滿足采用小流量、大溫差技術(shù)的條件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮了小流量運(yùn)行的要求，設(shè)備選型時(shí)可選到適合的產(chǎn)品。同時(shí)冷水機(jī)組采用大溫差設(shè)計(jì)，增加了對流換熱兩側(cè)的傳熱溫差，加大制冷循環(huán)面積和提高換熱效率，有利于制冷循環(huán)。

2）對末端空調(diào)機(jī)組的影響。當(dāng)冷水溫差增大后，末端空調(diào)機(jī)組的性能會發(fā)生變化，據(jù)了解：對于同一臺空調(diào)機(jī)組表冷器，當(dāng)冷水溫差由5℃提高到8℃時(shí)，表冷器的冷量下降，出風(fēng)溫度上升，需要增加空調(diào)機(jī)組的數(shù)量，造成設(shè)備投資增加[7]，因此采用大溫差時(shí)，不能使用原來的空調(diào)機(jī)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(shù)，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(tǒng)使用了前兩種方法來滿足大溫差要求。

2.2 區(qū)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(tǒng)區(qū)間隧道內(nèi)冷凍水管沿區(qū)間隧道側(cè)壁敷設(shè)，水管保溫材料的選擇應(yīng)滿足以下要求。

1）區(qū)間隧道內(nèi)冷凍水管保溫材料的性能必須能夠經(jīng)受列車高速運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)和區(qū)間內(nèi)最高可達(dá)10m/s的風(fēng)速的影響。

2）區(qū)間隧道晚間相對濕度和溫度較高，保溫層應(yīng)有良好的防潮隔熱性能。

3）隧道內(nèi)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(qū)間隧道內(nèi)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(shí)間的使用要求，保溫材料使用壽命應(yīng)較長。

5）保溫材料應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)小，吸水率小，耐腐蝕性強(qiáng)，無毒和不燃。

另外，據(jù)了解，香港地鐵集中供冷系統(tǒng)十幾年前使用的玻璃棉保溫材料出現(xiàn)了變薄、受潮及被區(qū)間隧道活塞風(fēng)吹爛的現(xiàn)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(jié)合香港地鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，長沙地鐵2號線一期工程集中供冷系統(tǒng)選用了泡沫玻璃作為區(qū)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(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，據(jù)此長沙2號線一期工程采用了冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)。集中冷站集中設(shè)置冷水機(jī)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(shè)備。冷凍水系統(tǒng)配置和控制按以下三個方面考慮。

1）冷凍水一次環(huán)路主要由冷凍水一次泵，冷水機(jī)組，冷卻系統(tǒng)及附屬設(shè)備構(gòu)成。空調(diào)季節(jié)根據(jù)時(shí)間表控制，早晨運(yùn)營前進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)冷和晚間提前關(guān)機(jī)利用余冷，正常運(yùn)營時(shí)根據(jù)二次環(huán)路的實(shí)際冷負(fù)荷值及水量要求調(diào)節(jié)一次泵運(yùn)行臺數(shù)及頻率，冷凍水一次泵與冷水機(jī)組為一對一配置。

2）冷凍水二次環(huán)路由冷凍水變頻二次泵、變頻器、管網(wǎng)組成。通過控制水泵的轉(zhuǎn)速，監(jiān)視末端的閥門開度來滿足末端的實(shí)際冷負(fù)荷需求，二次泵的變頻由末端差壓控制，一次泵環(huán)路與二次泵環(huán)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(diào)設(shè)備由組合式空調(diào)器，風(fēng)機(jī)盤管及相應(yīng)的控制閥門組成?？照{(diào)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(diào)節(jié)，由于輸送管網(wǎng)長，水力穩(wěn)定性差，因此采用減壓設(shè)備或平衡閥進(jìn)調(diào)節(jié)力平衡。

2.4 區(qū)間隧道冷凍水管敷設(shè)方案

在集中供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，區(qū)間隧道冷凍水管路敷設(shè)必須解決穩(wěn)定性和熱補(bǔ)償問題。

1）穩(wěn)定性解決方案。敷設(shè)在區(qū)間隧道內(nèi)的冷凍水管必須保證穩(wěn)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(tǒng)采用了兩種方式固定冷凍水管：預(yù)埋件固定和膨脹螺栓固定。預(yù)埋件固定是在結(jié)構(gòu)層鋼筋上焊接鋼板，冷凍水管的支架焊接連接在預(yù)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(jié)構(gòu)連接。水管安裝支架通過結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，不同區(qū)間結(jié)構(gòu)形式計(jì)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(bǔ)償解決方案。一般地鐵區(qū)間隧道消防管道采用膨脹伸縮節(jié)來解決熱補(bǔ)償問題，由于冷凍水管壓力較高，安裝工藝精度達(dá)不到要求或控制不好時(shí)容易出現(xiàn)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(tǒng)選用了撓性卡箍接頭，很好地解決了熱補(bǔ)償問題，接頭滿足軸向，徑向及彎曲補(bǔ)償性能。

2.5 冷凍水系統(tǒng)控制采用模糊控制技術(shù)

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用模糊預(yù)測算法實(shí)現(xiàn)最佳輸出能量控制。當(dāng)氣候條件或空調(diào)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，空調(diào)冷凍水系統(tǒng)供回水溫度，溫差，壓差和流量亦隨之變化，流量計(jì)，壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數(shù)送至模糊控制器，模糊控制器依據(jù)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。根據(jù)模糊預(yù)測算法模型，系統(tǒng)特性及循環(huán)周期，通過推理、預(yù)測出未來時(shí)刻空調(diào)負(fù)荷所需的制冷量和系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，包括冷凍水流量、供回水溫度、溫差、壓差的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，改變其流量，使冷凍水系統(tǒng)的流量、供回水溫度、溫差、壓差運(yùn)行在模糊控制器給出的最優(yōu)值，使系統(tǒng)輸出能量與末端負(fù)荷需求相匹配。采用該控制措施后，冷凍水系統(tǒng)可節(jié)能31%。冷凍水系統(tǒng)控制原理示意圖如圖3所示。

圖3 冷凍水系統(tǒng)控制原理示意圖

2.6 冷卻水系統(tǒng)控制采用自適應(yīng)模糊優(yōu)化算法

空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最佳控制。當(dāng)室外氣候條件或空調(diào)末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，模糊控制器在動態(tài)預(yù)測系統(tǒng)負(fù)荷的前提下，依據(jù)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)氣候條件，系統(tǒng)特性和自適應(yīng)模糊優(yōu)化算法模型，通過推理計(jì)算出所需的冷卻水溫度最佳值，并與檢測到的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值，動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水的流量和冷卻塔風(fēng)量，使冷卻水溫度趨近于模糊控制器給出的最優(yōu)值，從而保證整個空調(diào)系統(tǒng)始終處于最佳效率狀態(tài)下運(yùn)行，系統(tǒng)整體能耗最低。采用該控制措施后，冷卻水系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到28%。冷卻水系統(tǒng)控制原理示意圖如圖4所示。

圖4 冷卻水系統(tǒng)控制原理示意圖

3 結(jié)論

通過設(shè)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(shè)置冷卻塔困難的問題。相對于傳統(tǒng)的分站供冷方案，集中供冷系統(tǒng)避免了在每座車站室外地面上設(shè)置冷卻塔，減少了對周圍環(huán)境的影響，同時(shí)也帶來了輸送能耗增加、水力平衡困難、冷凍水控制復(fù)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(tǒng)設(shè)計(jì)過程中在冷凍水供回水溫差，冷凍水管保溫材料選擇，區(qū)間隧道水管敷設(shè)方案，冷凍水和冷卻水控制等方面采取了一些技術(shù)措施。

集中供冷系統(tǒng)在長沙地鐵2號線一期工程的成功應(yīng)用，較好地解決了位于城市繁華地段環(huán)境敏感因素較多的地鐵車站因冷卻塔設(shè)置引起的城市規(guī)劃、景觀、環(huán)保等一系列難題，為長沙地鐵空調(diào)系統(tǒng)的供冷方式提供了一種新的方式和思路。同時(shí)，集中供冷方案應(yīng)用于地鐵領(lǐng)域的城市還不多，其技術(shù)水平還需在實(shí)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(yīng)用為其它地鐵城市的供冷方案提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考。

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