集中供冷系统在长沙地铁2号线一期工程的应用

邓敏锋

中铁第四勘察设计院集团有限公司

0 前言

按照地铁车站空调系统冷源设置的集中程度不同，地铁车站有分散供冷、集中供冷两种供冷方式。分散供冷是地铁车站空调系统中使用最广泛、技术最成熟的供冷方式，分散供冷是指在全线各地铁车站设置独立的空调制冷机房，向本站的空调系统提供所需的低温冷水，冷水机组，冷却塔和水泵均分站设置，独立运行。集中供冷是指根据一定的原则将全线地铁车站划分为不同的区域，在每个区域内集中设置冷水机组、冷却塔等设备，通过室外管廊、区间隧道敷设冷水管，将空调冷水输送到相邻车站空调系统末端。

为吸引客流，新建城市地铁车站往往设置在人流密集的市中心区，该区域地面建筑的市政规划早已完成，车站冷却塔的放置有一定的困难，此外，冷却塔设备运行的噪声和飘水等对周边居民和环境造成一定影响。由此，集中供冷系统技术引入到了地铁空调系统中，并陆续在广州、成都等城市地铁中应用[1-4]。长沙地铁2号线一期工程线路经过长沙市主城区最繁华的五一大道段，该段线路沿线商厦云集、高楼林立，沿途经过五一商圈、袁家岭商圈和长沙火车站，沿线车站周边控制性建构筑物多、用地紧张、环境敏感建筑多，分站设置空调冷却塔困难，也采用了集中供冷系统方案解决了冷却塔设置困难的问题。

1 集中供冷系统设计概述

1.1 线路概况

长沙地铁2号线一期工程线路自望城坡站至光达站，正线全长22.26 km，19座车站，全部为地下线和地下车站。设黄兴车辆基地一座，控制中心一座（与2、3、4、5号线共用），主变电站两座。长沙地铁2号线一期工程线路走向示意图如图1所示。

图1 长沙地铁2号线一期工程线路走向示意图

1.2 集中供冷方案的确定

通过对全线各车站周边边界条件现场踏勘得知，长沙地铁2号线一期线路经过长沙市主城区最繁华的五一大道段，该段线路沿线商厦云集、高楼林立，沿途经过五一商圈，袁家岭商圈和长沙火车站，沿线车站周边控制性建构筑多、用地紧张、环境敏感建筑多，除芙蓉广场站周边地势较开阔，可以结合周边待开发的物业或绿化布置冷却塔以外，其余车站设置冷却塔均比较困难。为解决上述问题，考虑该路段车站空调采用集中供冷的方案，即在五一大道某个合适的区域，集中设置冷冻机房，通过区间隧道敷设冷冻水管，依靠二次泵向该区域内多个地铁车站空调系统提供低温冷冻水。

通过技术经济比较，并结合车站室外条件，沿线设置两座集中冷站，在芙蓉广场站设置芙蓉广场集中冷站，在锦泰广场站设置锦泰广场集中冷站。芙蓉广场集中冷站为袁家岭站、迎宾路口站、芙蓉广场站、五一广场站（1号线与2号线换乘）共5个车站提供空调冷冻水，锦泰广场集中冷站主要为锦泰广场站和长沙火车站（2号线与3号线换乘）共3个车站提供空调冷冻水，两个集中冷站供冷范围如图2所示。

图2 两座集中冷站供冷范围示意图

1.3 集中供冷系统特点

集中供冷系统有如下工程特点：

1）减少室内外占地面积，降低建设成本。集中供冷系统大大减少了室内土建投资和室外占地面积，解决了繁华城区地铁车站设置冷却塔困难的问题。

2）集中供冷车站无需单独设置冷却塔，减小了地铁建设与环保、规划的协调工作量，减少了市民投诉。

3）地铁线路的车站成线形布置，集中冷站供冷需通过区间隧道长距离输送冷冻水，输送能耗占总能耗的比重较高。冷冻水管一般沿区间隧道靠行车方向右侧敷设至各用冷车站。

4）为减少输送能耗、确保运营安全，区间隧道内冷冻水管对保温材料，保温工艺及管道施工工艺需采取一定的措施。

5）为减少长距离输送反应的滞后性，提升冷站内制冷设备运行的整体能效，确保末端供冷服务水平，本工程集中供冷系统采用了水系统节能控制系统，同时采用了冷冻水大温差设计，使供冷系统总体技术经济性能最优。

2 工程主要技术方案

相对于传统的分站供冷方案，集中供冷方案避免了每座车站设置冷却塔，减少了对周围环境的影响，同时也带来了输送能耗增加、水力平衡困难、冷冻水控制复杂等问题[5-6]，针对这些问题，长沙地铁2号线一期工程集中供冷系统设计过程中在冷冻水供回水温差，冷冻水管保温材料选择，区间隧道水管敷设方案，冷冻水和冷却水控制等方面采取了一些技术手段。

2.1 采用冷冻水大温差设计

集中供冷系统冷冻水输送距离较长，如从芙蓉广场集中冷站到袁家岭站仅区间隧道长度就达到了1585 m，冷冻水在输送过程中，由于摩擦或传热作用，会损耗冷量，造成输送能耗增加。为了控制区间隧道内冷冻水管的管径及节约运行费用，本工程采用了冷冻水大温差方案（供回水温差为8℃）。比起常规空调系统（供回水温差为5℃），采用8℃冷水温差后，可减少冷冻水量，冷水机组蒸发器压降和冷水系统压降也明显减少，从而缩小输送管道的直径，冷水水泵能耗大幅度下降。采用大温差设计对空调系统设备（如冷水机组、空调末端等）有一定的影响。

1）对冷水机组的影响。冷水机组产品应满足小流量、大温差的要求。根据调查，市场上冷水机组产品可满足采用小流量、大温差技术的条件，产品设计时考虑了小流量运行的要求，设备选型时可选到适合的产品。同时冷水机组采用大温差设计，增加了对流换热两侧的传热温差，加大制冷循环面积和提高换热效率，有利于制冷循环。

2）对末端空调机组的影响。当冷水温差增大后，末端空调机组的性能会发生变化，据了解：对于同一台空调机组表冷器，当冷水温差由5℃提高到8℃时，表冷器的冷量下降，出风温度上升，需要增加空调机组的数量，造成设备投资增加[7]，因此采用大温差时，不能使用原来的空调机组来处理空气。在大温差条件下，要保持表冷器冷量不变，有三个办法，其一是增加表冷器的排数，其二是增加表冷器的传热面积，其三是降低冷水初温。长沙地铁2号线一期工程集中供冷系统使用了前两种方法来满足大温差要求。

2.2 区间隧道冷冻水管保温材料的选择

长沙地铁2号线一期集中供冷系统区间隧道内冷冻水管沿区间隧道侧壁敷设，水管保温材料的选择应满足以下要求。

1）区间隧道内冷冻水管保温材料的性能必须能够经受列车高速运行产生的活塞风和区间内最高可达10m/s的风速的影响。

2）区间隧道晚间相对湿度和温度较高，保温层应有良好的防潮隔热性能。

3）隧道内水管的保温材料由于限界的要求不能太厚，否则影响行车安全。

4）区间隧道内的冷冻水管，无论检修和更换材料，都会给行车和管理带来很大不便，为了满足长时间的使用要求，保温材料使用寿命应较长。

5）保温材料应导热系数小，吸水率小，耐腐蚀性强，无毒和不燃。

另外，据了解，香港地铁集中供冷系统十几年前使用的玻璃棉保温材料出现了变薄、受潮及被区间隧道活塞风吹烂的现象，使得冷冻水管道温升较高，影响了末端制冷效果。

综合考虑以上因素并结合香港地铁建设经验，长沙地铁2号线一期工程集中供冷系统选用了泡沫玻璃作为区间隧道冷冻水管保温材料。

2.3 长距离大温差冷冻水输送控制

长距离冷冻水输送的控制是保证集中供冷系统稳定运行的关键，据此长沙2号线一期工程采用了冷冻水二次泵变频系统。集中冷站集中设置冷水机组，冷冻水一次泵，冷冻水二次泵，冷却水泵，冷却塔及其它附属设备。冷冻水系统配置和控制按以下三个方面考虑。

1）冷冻水一次环路主要由冷冻水一次泵，冷水机组，冷却系统及附属设备构成。空调季节根据时间表控制，早晨运营前进行系统预冷和晚间提前关机利用余冷，正常运营时根据二次环路的实际冷负荷值及水量要求调节一次泵运行台数及频率，冷冻水一次泵与冷水机组为一对一配置。

2）冷冻水二次环路由冷冻水变频二次泵、变频器、管网组成。通过控制水泵的转速，监视末端的阀门开度来满足末端的实际冷负荷需求，二次泵的变频由末端差压控制，一次泵环路与二次泵环路通过集水器与分水器之间的连通管连接。

3）车站末端空调设备由组合式空调器，风机盘管及相应的控制阀门组成。空调器表冷器的冷冻水量由比例积分二通阀控制阀门开度来调节，由于输送管网长，水力稳定性差，因此采用减压设备或平衡阀进调节力平衡。

2.4 区间隧道冷冻水管敷设方案

在集中供冷系统设计中，区间隧道冷冻水管路敷设必须解决稳定性和热补偿问题。

1）稳定性解决方案。敷设在区间隧道内的冷冻水管必须保证稳固、安全，否则将影响行车、乘客安全。2号线一期工程集中供冷系统采用了两种方式固定冷冻水管：预埋件固定和膨胀螺栓固定。预埋件固定是在结构层钢筋上焊接钢板，冷冻水管的支架焊接连接在预埋的钢板上。膨胀螺栓固定是将冷冻水管的支架通过膨胀螺栓与结构连接。水管安装支架通过结构受力计算，不同区间结构形式计算出支架的长度及型号要求，按曲线和直线段不同，确定不同的间距。

2）热补偿解决方案。一般地铁区间隧道消防管道采用膨胀伸缩节来解决热补偿问题，由于冷冻水管压力较高，安装工艺精度达不到要求或控制不好时容易出现水管接口漏水的事故，从而带来行车安全的重大问题。因此，集中供冷系统选用了挠性卡箍接头，很好地解决了热补偿问题，接头满足轴向，径向及弯曲补偿性能。

2.5 冷冻水系统控制采用模糊控制技术

空调冷冻水系统采用模糊预测算法实现最佳输出能量控制。当气候条件或空调末端负荷发生变化时，空调冷冻水系统供回水温度，温差，压差和流量亦随之变化，流量计，压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据。根据模糊预测算法模型，系统特性及循环周期，通过推理、预测出未来时刻空调负荷所需的制冷量和系统的运行参数，包括冷冻水流量、供回水温度、温差、压差的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量，使冷冻水系统的流量、供回水温度、温差、压差运行在模糊控制器给出的最优值，使系统输出能量与末端负荷需求相匹配。采用该控制措施后，冷冻水系统可节能31%。冷冻水系统控制原理示意图如图3所示。

图3 冷冻水系统控制原理示意图

2.6 冷却水系统控制采用自适应模糊优化算法

空调冷却水系统采用自适应模糊优化算法实现系统效率最佳控制。当室外气候条件或空调末端负荷发生变化时，模糊控制器在动态预测系统负荷的前提下，依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，根据气候条件，系统特性和自适应模糊优化算法模型，通过推理计算出所需的冷却水温度最佳值，并与检测到的实际温度进行比较，根据其偏差值，动态调节冷却水的流量和冷却塔风量，使冷却水温度趋近于模糊控制器给出的最优值，从而保证整个空调系统始终处于最佳效率状态下运行，系统整体能耗最低。采用该控制措施后，冷却水系统节能率达到28%。冷却水系统控制原理示意图如图4所示。

图4 冷却水系统控制原理示意图

3 结论

通过设置芙蓉广场集中冷站、锦泰广场集中冷站解决了长沙地铁2号线一期五一大道段设置冷却塔困难的问题。相对于传统的分站供冷方案，集中供冷系统避免了在每座车站室外地面上设置冷却塔，减少了对周围环境的影响，同时也带来了输送能耗增加、水力平衡困难、冷冻水控制复杂等问题，针对这些问题，长沙地铁2号线一期工程集中供冷系统设计过程中在冷冻水供回水温差，冷冻水管保温材料选择，区间隧道水管敷设方案，冷冻水和冷却水控制等方面采取了一些技术措施。

集中供冷系统在长沙地铁2号线一期工程的成功应用，较好地解决了位于城市繁华地段环境敏感因素较多的地铁车站因冷却塔设置引起的城市规划、景观、环保等一系列难题，为长沙地铁空调系统的供冷方式提供了一种新的方式和思路。同时，集中供冷方案应用于地铁领域的城市还不多，其技术水平还需在实际工程案例中不断提高和完善。集中供冷方案在长沙地铁2号线一期工程的成功应用为其它地铁城市的供冷方案提供了宝贵的经验和参考。

[1]付强.集中供冷系统在广州地铁2号线的应用[J].暖通空调,2004,34(7):78-80

[2]广州市地下铁道总公司.广州地铁2号线设计总结[M].北京:科学出版社,2005

[3]史京,田小梅.集中冷站在地铁中的应用[J].城市轨道交通研究,2010,(11):88-92

[4]许慧华,侯志坚.地铁集中供冷的几个问题[J].制冷与空调,2004,18(1):33-37

[5]侯喜快,刘伊江,龚波.地铁车站集中供冷水系统输送节能分析[J].城市轨道交通研究,2015,(5):130-134

[6]王静伟,罗辉,贺利工.泡沫玻璃保温材料在地铁集中供冷中的应用[J].制冷与空调(四川),2008,22(5):75-77

[7]侯喜快,刘伊江,李俊飞.地铁工程集中冷站冷冻水温差优化设计[J].建筑热能通风空调,2014,33(6):96-99