地铁集中供冷冷水机组选型初探

广州地铁设计研究院　刘承东☆
提要　分析了地铁车站冷负荷的变化特点,考虑集中供冷的运行要求,结合机组部分负荷下的运行性能,推荐在使用屏蔽门系统的情况下,集中冷站应选用多机头螺杆式冷水机组。
关键词　地铁　集中供冷　屏蔽门系统　冷负荷　离心机组　多机头螺杆机组
1 　目前世界地铁集中供冷情况
　　随着城市建设的发展,为方便居民出行、减少交通堵塞和环境污染、提高城市的经济效益,地铁作为一种大运量的城市轨道交通工具,正在越来越多的国家中得到大力发展。目前大多数城市的地铁中均设计了空气调节系统,以满足乘客对舒适性的要求。为了减小地铁车站规模、减少车站冷却塔的设置数量以及冷却塔对周围环境的影响,目前世界上已有埃及开罗、中国香港的地铁车站采用了一种称为“集中供冷”的空调冷源配置方式。广州地铁二号线也将采用集中供冷方式。它的主要特点为:将原设于每个地铁车站的空调冷冻站相对集中于多处设立,各车站所需的空调冷水由邻近的集中冷冻站输送至其空调机房;冷负荷变化时,通过改变集中冷冻站冷水流量和冷水机组运行台数来实现负荷调节,从而使冷水机组运行。
　　广州地铁二号线计划全线15 个地下车站设4个集中冷站,每个冷站给3～5 个车站供冷,车站间距为800～1 700 m。冷水通过沿隧道壁敷设的冷水管输送至各相邻车站。
2 　地铁车站冷负荷变化特点
　　地铁为间歇运行,其运行时间一般从早晨约6 :00 到深夜12 :00 ,故集中冷站（仅提供车站公共区冷负荷） 同样间歇运行。同时,地铁车站作为一个有大量人员集散的场所,其客流量随时间不断变化,故冷负荷也随时间和客流量而变化。广州地铁二号线由于采用屏蔽门系统（即在地铁车站沿站台边缘安装了一套玻璃门系统,平时处于关闭状态,列车进站停稳后,受信号控制与列车门同时打开和关闭,供乘客上下车,这样,可在大多数时间内将车站气流与隧道隔开,以避免车站冷气流入隧道,同时减少隧道内热空气进入车站） ,车站冷负荷更大程度地与客流量有关。下面即以广州地铁二号线为例,简要说明地铁车站冷负荷的变化特点。
　　广州地铁二号线首期工程计划于2004 年开通,2007 年、2014 年、2029 年分别为初期、近期和远期运行年限。根据首期工程可行性研究报告,地铁客流量随时间推移而增长。在每天中,客流量出现早、晚两次高峰,见表1 。早晨8 :00 的客流系数为1 ,晚18 : 00的客流系数为0 . 8 ,明显高于其它时段内的客流量。地铁车站的冷负荷为客流量的函数,即车站冷负荷随年时推移和客流量增长而增大。
以晓港站远期2029 年为例可看出,冷负荷除随客流量变化外,还随时间和室外温度的变化而变化,如表1 所示,14 : 00 的客流量仅为8 : 00 的一半,但冷负荷却几乎与18 :00 客流高峰时相等,可见车站的冷负荷应是时间、室外气温和车站客流量（当然还包括车站建筑物及其埋深、车站设备、照明等） 的函数。

3 　冷水管预冷计算
　　集中冷站在运行上应满足地铁车站间歇运行情况下的冷负荷需求,并根据冷负荷变化实现节能运行。
　　按一般地铁运行时间表6 :00～24 :00 ,空调季节时车站内的空调机组要提前半小时即在5 :30 启动运行进行预冷,集中冷站为满足此要求,应在5 :30提供7 ℃的冷水至机组。由于集中冷站距各车站较远且距离不等,而地铁停运期间,集中冷站也不运行,管网内的冷水与周围环境进行换热后,其温度必将回升,另外,将符合设计温度的冷水输送至各车站也需要一定的时间。因此,集中冷站需提前于车站空调机组运行,以对管网冷水进行预冷。
　　这里以鹭江冷站为例,说明集中冷站的供冷范围及冷量,并进行了预冷计算。预冷计算主要考虑管网冷水与冷水管、保温材料的热传导、与周围环境的对流换热,同时分别以供回水温度作为初始温度,其计算原理基本同文献[1 ] ,计算结果见表2 。

4 　冷水机组机型的确定
　　仍以鹭江冷站为例,在采用屏蔽门系统后,地铁车站的冷负荷均在1 050 kW 左右,约为同样规模车站闭式系统的1/ 3 ,故集中供冷可选用的冷水机组机型有离心机组和螺杆机组（尤其是多机头螺杆机组） 两种。针对地铁的运行特点及其冷负荷变化特点,笔者认为应主要从以下几个方面进行分析,确定地铁集中供冷应选用的冷水机组型式。
4. 1 　机组在满负荷及部分负荷时的性能、耗电功率
根据计算（见表3） ,在满负荷及部分负荷情况下,多机头螺杆机组的性能均优于离心机组,具有较低的耗电功率。

4. 2 　使用寿命
　　根据有关统计,离心机组压缩机免维护的使用寿命为5 万h ,螺杆机组为7. 5 万h 。
4. 3 　运行安全性、备用性、可维护性
　　离心机组为单压缩机的高转速机组,多机头螺杆机组为采用多台压缩机的低转速机组。后者可实现压缩机逐台启动,从而减少对电网的冲击,同时具有更好的备用性。这与地铁工程追求良好的社会效益和服务质量,尤其是采用集中供冷后,冷站的冷水机组应具有更好的备用性,以免机组故障影响车站服务水平的要求是一致的。
　　为实现设备的可维护性、减少维修成本（维修人员培训、维修工具、备品备件等费用） ,全线冷水机组应采用同一机型,其冷凝器、蒸发器均应采用壳管式。
　　根据地铁车站冷负荷的变化规律,尤其在强调机组部分负荷时性能情况下,目前国内地铁多选用螺杆机组。
　　另外,从设备的投资、设备尺寸、安装所需空间、设备的运输（整体式和可拆卸式） 等方面比较,多机头螺杆机组均比离心机组具有优势。
5 　结论
　　推荐选用多机头螺杆式（冷凝器为壳管式,蒸发器为满液式） 冷水机组。
由于本文的计算依据为屏蔽门系统地铁车站,因此其结论并不适用于非屏蔽门系统车站。