武汉地铁车站集成冷冻站节能技术分析

熊秋梅 蒋伟杰

一、引言

武汉地铁建设工作经过二十余年发展，积累了丰富的工程技术经验，截至2022年底，武汉地铁运营里程达460多公里，车站总数291座，跻身世界级地铁城市行列。为认真总结地铁工程建设技术经验，2022年初，武汉市城建局组织武汉市地铁集团有限公司、武汉光谷交通建设有限公司和武汉市市政工程质量监督站对武汉市轨道交通建设工程质量工作开展“复盘”活动。通过对武汉地铁的建设管理过程进行了认真总结和回顾，形成了146万字左右的“建设经验总结、案例分析、关键技术创新和标准化管理”等材料，其中，集成冷冻站的创新技术分析就是这次“复盘”活动所提炼的“关键技术创新”之一。

集成冷冻站作为地铁车站运行的耗能大户，在其满足功能的前提下，通过采用相关节能创新技术提高其综合运行能效，对于提升公共建筑制冷能效，实现公共建筑领域碳达峰、碳中和的目标具有重要的意义。本文就是基于此次“复盘”活动，以武汉地铁7号线北沿线（前川线）巨龙大道站集成冷冻站为研究对象，分析总结其在优化设计时所采用的节能创新技术，为后续线路和其他城市的地铁车站集成冷冻站项目实施提供依据和参考。

二、武汉地铁集成冷冻站特点及节能技术现状

地铁车站集成冷冻站是一个由多设备构成，需要联合协调运行体现综合性能的有机整体，其实质是一个系统工程。目前国内部分城市，包括武汉市，其车站集成冷冻站采用对各设备分开招标，由集成冷冻站、风水电以及综合监控等专业分别进行安装的情况，使得集成冷冻站并没有按照系统工程来组织，从而造成集成冷冻站占地面积大、现场交叉施工周期长、施工质量控制难度大、接口协调复杂、能耗大等问题。

为解决上述问题及不足，自2012年武汉地铁2号线一期工程开始，武汉地铁在全国首次采用集成冷冻站方案，并创新地使用主机群控策略和模糊控制技术等，有效解决了地铁车站传统制冷模式所面临的施工周期长、能耗大等问题。具体来说：

1. 采用预制式集成冷站方案

按照传统分站供冷的地铁设备招标模式，面对的厂家较多，比较分散，接口众多，协调工作量非常大，安装周期长，且现场的调试难度大。同时没有对冷冻站的整体最佳运行状态进行考虑，导致冷冻站的运行效率无法达到最佳。而预制式冷冻站主要由冷冻站基座、冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、控制柜冷却塔、水处理装置、定压补水系统、分水器、集水器、管道阀门和管道支架等组成。集成商通过二次优化设计，提高了系统运行效率和连续运行的可靠性，在工程将机房内设备模块化，调试完成后再运抵现场拼装。现场的安装时间大概在4天左右，将原来传统模式的安装时间缩短2倍左右。

2. 采用主机群控策略

主机群控的最优解决方案是通过采用智能模糊控制监测冷水及冷却水进出水温度、蒸发温度、冷凝温度、油温、油压、压缩机电动机状态等，即时预测下一时段负荷，并根据负荷变化优化主机启停，调整主机出力，实施水泵变频调速，实现远程控制主机、水泵等设备，使得空调的控制系统达到最优，确保合理的控制设备工况，使空调主机始终运行在最佳工况，从而可减少主机10%～30%的能耗。

3. 将节能控制系统应用在地铁车站集成冷冻站设计中

地铁车站集成冷冻站节能控制系统由计算机、交换机、数据库及应用软件构成，安装于车站控制室的工作台上，它使用以太网与BAS系统进行连接，实现对信息集成，集中监控。

4. 采用最优的冷却水控制方案

依据传感器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，从而保证整个空调水系统始终处于最佳效率状态下运行，系统整体能耗最低。经优化后，冷却水系统节能率达到28%等。

三、车站集成冷冻站节能创新技术应用分析

本文以7号线北沿线（前川线）巨龙大道站集成冷冻站为例，在采取了上文传统技术优化措施后的基础上，对其所采用的部分节能创新技术进行了分析。

巨龙大道站为7号线北沿线（前川线）第5座车站，为与2号线的换乘站。车站总建筑面积 36968m2，其中车站主体建筑面积30046m2，车站附属建筑面积6922m2。冷水机房位于车站左侧设备层。车站公共区冷负荷987.64kW，设备用房冷负荷919.55kW，换乘通道冷负荷为101.4 kW，总冷负荷2008.59kW。

巨龙大道站集成冷冻站系统现状为：（1）冷水机组选用2台变频螺杆水冷冷水主机，单台制冷量1017kW。运行工况为冷冻水7/12℃，冷却水32/37℃；（2）水泵采用立式清水离心泵，变频调节；（3）冷却塔采用超低噪音方形横流塔，风机电机变频调节；（4）末端设备配备有节能控制柜，其中公共区组合式空调器采用风机变频；每台末端设备均配有动态流量平衡阀。

为提高巨龙大道站集成冷冻站综合能效，根据巨龙大道站现有的系统配置，在设计院设计的集成冷冻站的基础上开展二次深化设计和三维仿真，以节能控制系统为核心，进行系统有效整合、设备最优选型匹配，并辅以更合理的控制程序，使得机房COP提高到6.5（原机房COP经测算为4.8）。其主要采用的节能创新技术具体如下：

水冷冷水主机选用磁悬浮离心式压缩机。由于作为速度型的离心式压缩机，比容积式的螺杆式具备更高的能效，同时作为速度型的设备，配合变频能获得更高的部分负荷运行效率。以巨龙大道站为例，机组采用离心机后，机房COP即可提高到5.35，具体如下表所示：

表1 巨龙大道选用螺杆式压缩机机房COP测算

表2 巨龙大道选用磁悬浮离心式压缩机机房COP测算

（2）优化控制策略。对于负荷预测方面，采用了基于历史气象人流量的负荷预测，达到系统供需平衡；对空调末端“风水联动”进行优化控制，实现风系统最大化节能；让控制系统直接参与主机容量调节，从而减少系统调节环路；采用“主动寻优”控制算法，实现各关联设备间的解耦控制；采用“风水电”系统大集成，减少接口界面，提高节能效率。

（3）将动态流量平衡阀升级为智慧阀。在采用智慧阀后，控制系统能直接掌握每台末端设备实时的流量数据，通过在调试时收集的水泵变频运行数据，编制多个运行场景。在后期运行中，可快速调节，而不需要通过“调节-反馈-再调节”，提高控制效率。而且智慧阀自带传感器，可确保采集数据准确。

（4）空调水系统采用供回水大温差。空调水系统原采用供/回水温度为7/12℃的常规供回水温度，温差为5℃，大温差空调系统使用的温差一般在7～ 10℃，最为显著的特点是减少水系统输送流量和输送动力，从而可以提高冷水系统运行能力，使得整个空调系统的经济效益提升。

（5）采用BIM技术。一是优化管路。各管段顺流化处理，在水管各三通交汇处使用顺流构件，使水管汇流的冲击力减少，控制管内流体碰撞损失，可有效减小管段阻力。采用大曲率半径弯头，与90°弯头相比，大曲率半径弯头局部管损可降低约30%～50%；二是工厂预制。通过BIM建模可实现精准下料，使管道、管件、附件完全由工厂制作并局部拼接，提高安装的精度和现场的安装时间。

（6）其他技术措施。一是通过将冷却水管采用不锈钢管，具有更好的耐蚀性，长期使用不易结垢，且使用寿命长，在寿命周期中，管网漏损率最低，其维修和更新费用成本比较低；二是采用胶球在线清洗技术，通过主机和集球器把清洗球发射到冷凝器进水管，小球随着水流快速进入管道，管道内壁被小球刷洗，掉落的污垢随着水流被带走，管道将常年保持干净，大大改善换热效率，提高能效；三是机房内冷冻水管采用保温一体式管道，可实现工厂预制，现场仅简单拼装，可提高安装质量并缩短现场工期。

采用节能创新技术前后车站集成冷冻站的运行能耗及费用分析如下表所示。

表3 巨龙大道站集成冷冻站不同COP运行能耗及费用分析

通过采用上述节能创新技术后，巨龙大道站集成冷冻站COP由优化设计前的4.8提升至6.5，可年节约电量199090度，按电费0.76元/kW·h计算，年节约运行费用约15万元。

四、结论

地铁车站集成冷冻站作为地铁运行中的能耗大户，节能创新技术的应用，不仅节约了车站设备系统运行的能耗，同时也能够为社会节约燃煤消耗和减少SO2、CO2、粉尘的排放，为推进全社会节约能源，提高能源利用效率和经济效益，为保障国民经济和社会的发展做出了贡献，符合国家节能环保和可持续发展的战略方针，同时也为后续线路和其他城市的地铁项目实施提供依据和参考。