廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院　劉承東☆
提要　分析了地鐵車站冷負(fù)荷的變化特點(diǎn),考慮集中供冷的運(yùn)行要求,結(jié)合機(jī)組部分負(fù)荷下的運(yùn)行性能,推薦在使用屏蔽門系統(tǒng)的情況下,集中冷站應(yīng)選用多機(jī)頭螺桿式冷水機(jī)組。
關(guān)鍵詞　地鐵　集中供冷　屏蔽門系統(tǒng)　冷負(fù)荷　離心機(jī)組　多機(jī)頭螺桿機(jī)組
1 　目前世界地鐵集中供冷情況
　　隨著城市建設(shè)的發(fā)展,為方便居民出行、減少交通堵塞和環(huán)境污染、提高城市的經(jīng)濟(jì)效益,地鐵作為一種大運(yùn)量的城市軌道交通工具,正在越來越多的國家中得到大力發(fā)展。目前大多數(shù)城市的地鐵中均設(shè)計(jì)了空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng),以滿足乘客對舒適性的要求。為了減小地鐵車站規(guī)模、減少車站冷卻塔的設(shè)置數(shù)量以及冷卻塔對周圍環(huán)境的影響,目前世界上已有埃及開羅、中國香港的地鐵車站采用了一種稱為“集中供冷”的空調(diào)冷源配置方式。廣州地鐵二號(hào)線也將采用集中供冷方式。它的主要特點(diǎn)為:將原設(shè)于每個(gè)地鐵車站的空調(diào)冷凍站相對集中于多處設(shè)立,各車站所需的空調(diào)冷水由鄰近的集中冷凍站輸送至其空調(diào)機(jī)房;冷負(fù)荷變化時(shí),通過改變集中冷凍站冷水流量和冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié),從而使冷水機(jī)組運(yùn)行。
　　廣州地鐵二號(hào)線計(jì)劃全線15 個(gè)地下車站設(shè)4個(gè)集中冷站,每個(gè)冷站給3～5 個(gè)車站供冷,車站間距為800～1 700 m。冷水通過沿隧道壁敷設(shè)的冷水管輸送至各相鄰車站。
2 　地鐵車站冷負(fù)荷變化特點(diǎn)
　　地鐵為間歇運(yùn)行,其運(yùn)行時(shí)間一般從早晨約6 :00 到深夜12 :00 ,故集中冷站（僅提供車站公共區(qū)冷負(fù)荷） 同樣間歇運(yùn)行。同時(shí),地鐵車站作為一個(gè)有大量人員集散的場所,其客流量隨時(shí)間不斷變化,故冷負(fù)荷也隨時(shí)間和客流量而變化。廣州地鐵二號(hào)線由于采用屏蔽門系統(tǒng)（即在地鐵車站沿站臺(tái)邊緣安裝了一套玻璃門系統(tǒng),平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài),列車進(jìn)站停穩(wěn)后,受信號(hào)控制與列車門同時(shí)打開和關(guān)閉,供乘客上下車,這樣,可在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)將車站氣流與隧道隔開,以避免車站冷氣流入隧道,同時(shí)減少隧道內(nèi)熱空氣進(jìn)入車站） ,車站冷負(fù)荷更大程度地與客流量有關(guān)。下面即以廣州地鐵二號(hào)線為例,簡要說明地鐵車站冷負(fù)荷的變化特點(diǎn)。
　　廣州地鐵二號(hào)線首期工程計(jì)劃于2004 年開通,2007 年、2014 年、2029 年分別為初期、近期和遠(yuǎn)期運(yùn)行年限。根據(jù)首期工程可行性研究報(bào)告,地鐵客流量隨時(shí)間推移而增長。在每天中,客流量出現(xiàn)早、晚兩次高峰,見表1 。早晨8 :00 的客流系數(shù)為1 ,晚18 : 00的客流系數(shù)為0 . 8 ,明顯高于其它時(shí)段內(nèi)的客流量。地鐵車站的冷負(fù)荷為客流量的函數(shù),即車站冷負(fù)荷隨年時(shí)推移和客流量增長而增大。
以曉港站遠(yuǎn)期2029 年為例可看出,冷負(fù)荷除隨客流量變化外,還隨時(shí)間和室外溫度的變化而變化,如表1 所示,14 : 00 的客流量僅為8 : 00 的一半,但冷負(fù)荷卻幾乎與18 :00 客流高峰時(shí)相等,可見車站的冷負(fù)荷應(yīng)是時(shí)間、室外氣溫和車站客流量（當(dāng)然還包括車站建筑物及其埋深、車站設(shè)備、照明等） 的函數(shù)。

3 　冷水管預(yù)冷計(jì)算
　　集中冷站在運(yùn)行上應(yīng)滿足地鐵車站間歇運(yùn)行情況下的冷負(fù)荷需求,并根據(jù)冷負(fù)荷變化實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。
　　按一般地鐵運(yùn)行時(shí)間表6 :00～24 :00 ,空調(diào)季節(jié)時(shí)車站內(nèi)的空調(diào)機(jī)組要提前半小時(shí)即在5 :30 啟動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行預(yù)冷,集中冷站為滿足此要求,應(yīng)在5 :30提供7 ℃的冷水至機(jī)組。由于集中冷站距各車站較遠(yuǎn)且距離不等,而地鐵停運(yùn)期間,集中冷站也不運(yùn)行,管網(wǎng)內(nèi)的冷水與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱后,其溫度必將回升,另外,將符合設(shè)計(jì)溫度的冷水輸送至各車站也需要一定的時(shí)間。因此,集中冷站需提前于車站空調(diào)機(jī)組運(yùn)行,以對管網(wǎng)冷水進(jìn)行預(yù)冷。
　　這里以鷺江冷站為例,說明集中冷站的供冷范圍及冷量,并進(jìn)行了預(yù)冷計(jì)算。預(yù)冷計(jì)算主要考慮管網(wǎng)冷水與冷水管、保溫材料的熱傳導(dǎo)、與周圍環(huán)境的對流換熱,同時(shí)分別以供回水溫度作為初始溫度,其計(jì)算原理基本同文獻(xiàn)[1 ] ,計(jì)算結(jié)果見表2 。

4 　冷水機(jī)組機(jī)型的確定
　　仍以鷺江冷站為例,在采用屏蔽門系統(tǒng)后,地鐵車站的冷負(fù)荷均在1 050 kW 左右,約為同樣規(guī)模車站閉式系統(tǒng)的1/ 3 ,故集中供冷可選用的冷水機(jī)組機(jī)型有離心機(jī)組和螺桿機(jī)組（尤其是多機(jī)頭螺桿機(jī)組） 兩種。針對地鐵的運(yùn)行特點(diǎn)及其冷負(fù)荷變化特點(diǎn),筆者認(rèn)為應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析,確定地鐵集中供冷應(yīng)選用的冷水機(jī)組型式。
4. 1 　機(jī)組在滿負(fù)荷及部分負(fù)荷時(shí)的性能、耗電功率
根據(jù)計(jì)算（見表3） ,在滿負(fù)荷及部分負(fù)荷情況下,多機(jī)頭螺桿機(jī)組的性能均優(yōu)于離心機(jī)組,具有較低的耗電功率。

4. 2 　使用壽命
　　根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì),離心機(jī)組壓縮機(jī)免維護(hù)的使用壽命為5 萬h ,螺桿機(jī)組為7. 5 萬h 。
4. 3 　運(yùn)行安全性、備用性、可維護(hù)性
　　離心機(jī)組為單壓縮機(jī)的高轉(zhuǎn)速機(jī)組,多機(jī)頭螺桿機(jī)組為采用多臺(tái)壓縮機(jī)的低轉(zhuǎn)速機(jī)組。后者可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)逐臺(tái)啟動(dòng),從而減少對電網(wǎng)的沖擊,同時(shí)具有更好的備用性。這與地鐵工程追求良好的社會(huì)效益和服務(wù)質(zhì)量,尤其是采用集中供冷后,冷站的冷水機(jī)組應(yīng)具有更好的備用性,以免機(jī)組故障影響車站服務(wù)水平的要求是一致的。
　　為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可維護(hù)性、減少維修成本（維修人員培訓(xùn)、維修工具、備品備件等費(fèi)用） ,全線冷水機(jī)組應(yīng)采用同一機(jī)型,其冷凝器、蒸發(fā)器均應(yīng)采用殼管式。
　　根據(jù)地鐵車站冷負(fù)荷的變化規(guī)律,尤其在強(qiáng)調(diào)機(jī)組部分負(fù)荷時(shí)性能情況下,目前國內(nèi)地鐵多選用螺桿機(jī)組。
　　另外,從設(shè)備的投資、設(shè)備尺寸、安裝所需空間、設(shè)備的運(yùn)輸（整體式和可拆卸式） 等方面比較,多機(jī)頭螺桿機(jī)組均比離心機(jī)組具有優(yōu)勢。
5 　結(jié)論
　　推薦選用多機(jī)頭螺桿式（冷凝器為殼管式,蒸發(fā)器為滿液式） 冷水機(jī)組。
由于本文的計(jì)算依據(jù)為屏蔽門系統(tǒng)地鐵車站,因此其結(jié)論并不適用于非屏蔽門系統(tǒng)車站。