武漢地鐵車站集成冷凍站節能技術分析

熊秋梅 蔣偉杰

一、引言

武漢地鐵建設工作經過二十余年發展，積累了豐富的工程技術經驗，截至2022年底，武漢地鐵運營里程達460多公里，車站總數291座，躋身世界級地鐵城市行列。為認真總結地鐵工程建設技術經驗，2022年初，武漢市城建局組織武漢市地鐵集團有限公司、武漢光谷交通建設有限公司和武漢市市政工程質量監督站對武漢市軌道交通建設工程質量工作開展“復盤”活動。通過對武漢地鐵的建設管理過程進行了認真總結和回顧，形成了146萬字左右的“建設經驗總結、案例分析、關鍵技術創新和標準化管理”等材料，其中，集成冷凍站的創新技術分析就是這次“復盤”活動所提煉的“關鍵技術創新”之一。

集成冷凍站作為地鐵車站運行的耗能大戶，在其滿足功能的前提下，通過采用相關節能創新技術提高其綜合運行能效，對于提升公共建筑制冷能效，實現公共建筑領域碳達峰、碳中和的目標具有重要的意義。本文就是基于此次“復盤”活動，以武漢地鐵7號線北沿線（前川線）巨龍大道站集成冷凍站為研究對象，分析總結其在優化設計時所采用的節能創新技術，為后續線路和其他城市的地鐵車站集成冷凍站項目實施提供依據和參考。

二、武漢地鐵集成冷凍站特點及節能技術現狀

地鐵車站集成冷凍站是一個由多設備構成，需要聯合協調運行體現綜合性能的有機整體，其實質是一個系統工程。目前國內部分城市，包括武漢市，其車站集成冷凍站采用對各設備分開招標，由集成冷凍站、風水電以及綜合監控等專業分別進行安裝的情況，使得集成冷凍站并沒有按照系統工程來組織，從而造成集成冷凍站占地面積大、現場交叉施工周期長、施工質量控制難度大、接口協調復雜、能耗大等問題。

為解決上述問題及不足，自2012年武漢地鐵2號線一期工程開始，武漢地鐵在全國首次采用集成冷凍站方案，并創新地使用主機群控策略和模糊控制技術等，有效解決了地鐵車站傳統制冷模式所面臨的施工周期長、能耗大等問題。具體來說：

1. 采用預制式集成冷站方案

按照傳統分站供冷的地鐵設備招標模式，面對的廠家較多，比較分散，接口眾多，協調工作量非常大，安裝周期長，且現場的調試難度大。同時沒有對冷凍站的整體最佳運行狀態進行考慮，導致冷凍站的運行效率無法達到最佳。而預制式冷凍站主要由冷凍站基座、冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、控制柜冷卻塔、水處理裝置、定壓補水系統、分水器、集水器、管道閥門和管道支架等組成。集成商通過二次優化設計，提高了系統運行效率和連續運行的可靠性，在工程將機房內設備模塊化，調試完成后再運抵現場拼裝。現場的安裝時間大概在4天左右，將原來傳統模式的安裝時間縮短2倍左右。

2. 采用主機群控策略

主機群控的最優解決方案是通過采用智能模糊控制監測冷水及冷卻水進出水溫度、蒸發溫度、冷凝溫度、油溫、油壓、壓縮機電動機狀態等，即時預測下一時段負荷，并根據負荷變化優化主機啟停，調整主機出力，實施水泵變頻調速，實現遠程控制主機、水泵等設備，使得空調的控制系統達到最優，確保合理的控制設備工況，使空調主機始終運行在最佳工況，從而可減少主機10%～30%的能耗。

3. 將節能控制系統應用在地鐵車站集成冷凍站設計中

地鐵車站集成冷凍站節能控制系統由計算機、交換機、數據庫及應用軟件構成，安裝于車站控制室的工作臺上，它使用以太網與BAS系統進行連接，實現對信息集成，集中監控。

4. 采用最優的冷卻水控制方案

依據傳感器所采集的實時數據及系統的歷史運行數據，根據氣候條件、系統特性和自適應模糊優化算法模型，通過推理計算出所需的冷卻水溫度最佳值，并與檢測到的實際溫度進行比較，根據其偏差值，動態調節冷卻水的流量和冷卻塔風量，使冷卻水溫度趨近于模糊控制器給出的最優值，從而保證整個空調水系統始終處于最佳效率狀態下運行，系統整體能耗最低。經優化后，冷卻水系統節能率達到28%等。

三、車站集成冷凍站節能創新技術應用分析

本文以7號線北沿線（前川線）巨龍大道站集成冷凍站為例，在采取了上文傳統技術優化措施后的基礎上，對其所采用的部分節能創新技術進行了分析。

巨龍大道站為7號線北沿線（前川線）第5座車站，為與2號線的換乘站。車站總建筑面積 36968m2，其中車站主體建筑面積30046m2，車站附屬建筑面積6922m2。冷水機房位于車站左側設備層。車站公共區冷負荷987.64kW，設備用房冷負荷919.55kW，換乘通道冷負荷為101.4 kW，總冷負荷2008.59kW。

巨龍大道站集成冷凍站系統現狀為：（1）冷水機組選用2臺變頻螺桿水冷冷水主機，單臺制冷量1017kW。運行工況為冷凍水7/12℃，冷卻水32/37℃；（2）水泵采用立式清水離心泵，變頻調節；（3）冷卻塔采用超低噪音方形橫流塔，風機電機變頻調節；（4）末端設備配備有節能控制柜，其中公共區組合式空調器采用風機變頻；每臺末端設備均配有動態流量平衡閥。

為提高巨龍大道站集成冷凍站綜合能效，根據巨龍大道站現有的系統配置，在設計院設計的集成冷凍站的基礎上開展二次深化設計和三維仿真，以節能控制系統為核心，進行系統有效整合、設備最優選型匹配，并輔以更合理的控制程序，使得機房COP提高到6.5（原機房COP經測算為4.8）。其主要采用的節能創新技術具體如下：

水冷冷水主機選用磁懸浮離心式壓縮機。由于作為速度型的離心式壓縮機，比容積式的螺桿式具備更高的能效，同時作為速度型的設備，配合變頻能獲得更高的部分負荷運行效率。以巨龍大道站為例，機組采用離心機后，機房COP即可提高到5.35，具體如下表所示：

表1 巨龍大道選用螺桿式壓縮機機房COP測算

表2 巨龍大道選用磁懸浮離心式壓縮機機房COP測算

（2）優化控制策略。對于負荷預測方面，采用了基于歷史氣象人流量的負荷預測，達到系統供需平衡；對空調末端“風水聯動”進行優化控制，實現風系統最大化節能；讓控制系統直接參與主機容量調節，從而減少系統調節環路；采用“主動尋優”控制算法，實現各關聯設備間的解耦控制；采用“風水電”系統大集成，減少接口界面，提高節能效率。

（3）將動態流量平衡閥升級為智慧閥。在采用智慧閥后，控制系統能直接掌握每臺末端設備實時的流量數據，通過在調試時收集的水泵變頻運行數據，編制多個運行場景。在后期運行中，可快速調節，而不需要通過“調節-反饋-再調節”，提高控制效率。而且智慧閥自帶傳感器，可確保采集數據準確。

（4）空調水系統采用供回水大溫差。空調水系統原采用供/回水溫度為7/12℃的常規供回水溫度，溫差為5℃，大溫差空調系統使用的溫差一般在7～ 10℃，最為顯著的特點是減少水系統輸送流量和輸送動力，從而可以提高冷水系統運行能力，使得整個空調系統的經濟效益提升。

（5）采用BIM技術。一是優化管路。各管段順流化處理，在水管各三通交匯處使用順流構件，使水管匯流的沖擊力減少，控制管內流體碰撞損失，可有效減小管段阻力。采用大曲率半徑彎頭，與90°彎頭相比，大曲率半徑彎頭局部管損可降低約30%～50%；二是工廠預制。通過BIM建模可實現精準下料，使管道、管件、附件完全由工廠制作并局部拼接，提高安裝的精度和現場的安裝時間。

（6）其他技術措施。一是通過將冷卻水管采用不銹鋼管，具有更好的耐蝕性，長期使用不易結垢，且使用壽命長，在壽命周期中，管網漏損率最低，其維修和更新費用成本比較低；二是采用膠球在線清洗技術，通過主機和集球器把清洗球發射到冷凝器進水管，小球隨著水流快速進入管道，管道內壁被小球刷洗，掉落的污垢隨著水流被帶走，管道將常年保持干凈，大大改善換熱效率，提高能效；三是機房內冷凍水管采用保溫一體式管道，可實現工廠預制，現場僅簡單拼裝，可提高安裝質量并縮短現場工期。

采用節能創新技術前后車站集成冷凍站的運行能耗及費用分析如下表所示。

表3 巨龍大道站集成冷凍站不同COP運行能耗及費用分析

通過采用上述節能創新技術后，巨龍大道站集成冷凍站COP由優化設計前的4.8提升至6.5，可年節約電量199090度，按電費0.76元/kW·h計算，年節約運行費用約15萬元。

四、結論

地鐵車站集成冷凍站作為地鐵運行中的能耗大戶，節能創新技術的應用，不僅節約了車站設備系統運行的能耗，同時也能夠為社會節約燃煤消耗和減少SO2、CO2、粉塵的排放，為推進全社會節約能源，提高能源利用效率和經濟效益，為保障國民經濟和社會的發展做出了貢獻，符合國家節能環保和可持續發展的戰略方針，同時也為后續線路和其他城市的地鐵項目實施提供依據和參考。