集中供冷技术

（一）技术内容

大型的空调系统一般是通过制冷机房生产低温冷冻水，冷冻水在空调风柜内与空气冷热交换产出“冷气”。所谓地铁系统中的集中供冷是相对于每个车站设置制冷机房而言，是通过集中设置制冷机房，供应几个车站的冷冻水来实现空调的效果。

对于地铁车站建设，车站出入口风亭设计及协调难度大，由于分站供冷设置于地面上的冷却塔相对难找到设置的位置，一般都设置在风亭出入口附近等部位，对于人口稠密的老城区，部分位置离民居很近，由于设备运行的噪声及飘水影响了周边市民的生活，甚至在运营后遭到市民的投诉，同时对城市的景观也产生了影响，因地制宜地采用集中供冷新技术可达到“环保满意”、“规划满意”的效果。系统提供了一种新的供冷方式，可以通过集中冷站的选择使空调系统对周围城市环境的影响减小。减小了地铁建设与环保、规划的协调工作量，减小了市民投诉的几率。

合理的供冷系统布置可充分利用线路上的已有“资源”及城市的“综合能源梯级利用”，例如可利用盾构始发井、折返线、联络线上部明挖空间等无法充分使用的建筑空间设置集中冷站，节省被供冷站的制冷机房的面积。热源应优先，当城市具有火力热电厂等“废”热源时可直接实现冷、热、电联产，这是国家推荐的节能技术，通过集中冷站可方便地向多个车站供冷，这也符合现行的《采暖通风与空气调节设计规范GB50019—03》规定：“需设空气调节的商业或公共建筑群，有条件时宜采用热、电、冷联产系统或设置集中供冷、供热站。”可利用城市的江河水进行天然冷却，达到节能运行的效果；城市电网有峰谷电价差别时，可采用蓄冷或蓄冰的集中供冷系统，达到降低制冷机容量，移峰填谷，实现最佳经济性能的目的。

（二）技术性能及技术特点

1. 供冷范围及距离

根据广州地铁多条线路的应用情况以及集中供冷系统的技术比较，采用常规供水温度（7℃）下供冷的较佳距离为2 km左右，根据车站间距的情况，单向分支不宜大于两个车站。广州地铁2号线最大的供冷距离达到了3.2 km。供冷的容量越大，其性能比越高，冷站布置应集中在负荷中心。

2. 冷站容量

冷站宜采用放射状辐射，应根据线网规划的站点布置，做好线网集中供冷的专题研究。根据广州的工程应用，最大的冷站目前做到了9 900 kW（2 815美国冷 t），供应2条线、1个控制中心的规模，采用分期实施的方式。

3. 冷站的占地面积

在同样的供冷半径下，供冷的点越多，辐射的面积越广，经济效益越优。冷站的面积不随容量比例增加，目前采用二级泵系统，1 500冷 t的冷水机房面积约为700 m2（包含了供电及配电用房）。

4. 冷冻水输送保温及能耗

集中供冷的技术难点之一就是冷冻水的长距离输送。保温材料及保温工艺的优劣直接影响各被供冷车站的舒适度，采用了容重80 kg/m3的管壳式玻璃棉及泡沫玻璃两种保温材料，保温材料外表面有防潮及防护层，计算的冷损失为20 W/m左右。

5. 大温差

集中供冷系统采用了冷冻水大温差技术，进一步弥补了长距离输送的缺陷。以往国内空调系统冷冻水温差历来都是按5℃设计，很少有设计人员突破5℃的限制。冷冻水温升wtΔ加大，则水量变小，泵的动力可减少。集中供冷系统目前最高采用了冷冻水10℃的大温差应用，并已成功运营。

6. 二次冷冻泵的扬程及变频控制

为进一步降低输送能耗和便于调节，集中供冷系统采用了二次冷冻泵及变频控制，根据不同的供冷距离选择二次冷冻水泵扬程，水泵采用无级变频控制。二次冷冻水泵的扬程目前在80 m以下，全年的变频控制可在25～50 Hz调节，管网的承压在1.2 MPa以内。

7. 集中供冷系统的集中自动控制

集中供冷系统存在的难点是：每个集中供冷站需控制的设备包括冷水机组、变频泵等智能设备7～10套，末端组合空调10～14台，要求调控的过程变量达30多个，属于多变量调节系统，关联因素多，无法精确建立控制模型；冷冻水传输距离远达3.5 km，系统的时延长，实现实时控制难度大。作为一个完整的控制系统，必须综合考虑所有被控参数的调节、所有被控对象的联动控制与安全互锁问题。

集中自动控制主要思路是：采用解涡的方法，按主元分析法的思路将整个控制系统分解成三个相对独立的调节环节，实现多变量控制系统的动态调节；将三个环节组成一个串级调节系统，把系统中的许多过程变量当做内部干扰量处理，建立自适应抗扰动调节模型；通过对变化趋势的预测，采用超前调节与控制，实现系统的实时控制。

集中自动控制主要技术措施是：采用串级调节的思想，将整个冷站的空调水系统看成是一个三环调节系统，将系统中的诸多变量按负荷传递的作用进行分组分环。图3-14所示为三环调节系统图。

图3-14　三环调节系统图

内环：末端空调机组作为最内环，以环境温度作为控制变量，调节阀开度作为调整控制变量，其他像冷冻水温度、车站客流量、冷冻水压差等作为扰动变量；中环：以变频泵调节作为中间环，冷冻水管网压差作为控制变量，变频泵的运行频率作为调整控制变量，像阀的开度、冷冻水温度、环境温度等作为扰动变量；外环：以冷水机组作为最外环，以冷负荷作为控制变量，结合冷机的运行效率曲线进行冷机群控，实现冷机运行台数的控制和冷冻水出水温度的再设定，将其他因素作为扰动变量。

8. 地铁系统采用集中供冷系统有以下特点

针对集中冷供系统的特点及技术难点，采用了冷冻水大温差及二次泵变频技术，从而提高了制冷机组的能效，降低了冷冻水输送的能耗，解决了在不增加土建工程的基础上利用区间隧道空间敷设冷冻水供回水管道的诸多关键问题，优化了集中冷站作用半径，对集中冷站的合理布局与集中供冷的输送冷负荷损耗及负荷调节的延时问题从工艺设计上控制到了最少，且又通过创新的自动控制与调节得到了较为理想的解决。2号线集中冷站已经运行近两年，成功实现无人值班的全自动化控制，达到了各项预计目标。

（三）适用范围及应用条件

针对集中冷供系统的特点及技术难点，本系统主要适用以下的城市轨道交通线路：

（1）城市具有冷、热、电三联供，可提供经济合理的低品质热源（采用吸收式制冷时）。

（2）可以通过集中冷站的选择使空调系统对周围城市环境的影响减小，集中设置冷冻站便于化零为整，使设备的效率合理利用。

（3）城市老城区或规划限制区域建设轨道交通线路时，可减小地铁建设与环保、规划的协调工作量，减小了市民投诉的几率。

（4）当采用蓄冷空调经济合理时，存在峰谷电价差。

（5）多条线路的交汇站点，供冷时可呈辐射状。

（6）线路存在折返线，上部空间可以充分合理利用，并有条件设置冷却系统。

（7）可以利用天然冷源冷却（如江水或湖水时），水质良好，水处理工艺简单有效。