廣州地鐵設計研究院　劉承東☆
提要　分析了地鐵車站冷負荷的變化特點,考慮集中供冷的運行要求,結合機組部分負荷下的運行性能,推薦在使用屏蔽門系統的情況下,集中冷站應選用多機頭螺桿式冷水機組。
關鍵詞　地鐵　集中供冷　屏蔽門系統　冷負荷　離心機組　多機頭螺桿機組
1 　目前世界地鐵集中供冷情況
　　隨著城市建設的發展,為方便居民出行、減少交通堵塞和環境污染、提高城市的經濟效益,地鐵作為一種大運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展。目前大多數城市的地鐵中均設計了空氣調節系統,以滿足乘客對舒適性的要求。為了減小地鐵車站規模、減少車站冷卻塔的設置數量以及冷卻塔對周圍環境的影響,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”的空調冷源配置方式。廣州地鐵二號線也將采用集中供冷方式。它的主要特點為:將原設于每個地鐵車站的空調冷凍站相對集中于多處設立,各車站所需的空調冷水由鄰近的集中冷凍站輸送至其空調機房;冷負荷變化時,通過改變集中冷凍站冷水流量和冷水機組運行臺數來實現負荷調節,從而使冷水機組運行。
　　廣州地鐵二號線計劃全線15 個地下車站設4個集中冷站,每個冷站給3～5 個車站供冷,車站間距為800～1 700 m。冷水通過沿隧道壁敷設的冷水管輸送至各相鄰車站。
2 　地鐵車站冷負荷變化特點
　　地鐵為間歇運行,其運行時間一般從早晨約6 :00 到深夜12 :00 ,故集中冷站（僅提供車站公共區冷負荷） 同樣間歇運行。同時,地鐵車站作為一個有大量人員集散的場所,其客流量隨時間不斷變化,故冷負荷也隨時間和客流量而變化。廣州地鐵二號線由于采用屏蔽門系統（即在地鐵車站沿站臺邊緣安裝了一套玻璃門系統,平時處于關閉狀態,列車進站停穩后,受信號控制與列車門同時打開和關閉,供乘客上下車,這樣,可在大多數時間內將車站氣流與隧道隔開,以避免車站冷氣流入隧道,同時減少隧道內熱空氣進入車站） ,車站冷負荷更大程度地與客流量有關。下面即以廣州地鐵二號線為例,簡要說明地鐵車站冷負荷的變化特點。
　　廣州地鐵二號線首期工程計劃于2004 年開通,2007 年、2014 年、2029 年分別為初期、近期和遠期運行年限。根據首期工程可行性研究報告,地鐵客流量隨時間推移而增長。在每天中,客流量出現早、晚兩次高峰,見表1 。早晨8 :00 的客流系數為1 ,晚18 : 00的客流系數為0 . 8 ,明顯高于其它時段內的客流量。地鐵車站的冷負荷為客流量的函數,即車站冷負荷隨年時推移和客流量增長而增大。
以曉港站遠期2029 年為例可看出,冷負荷除隨客流量變化外,還隨時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,但冷負荷卻幾乎與18 :00 客流高峰時相等,可見車站的冷負荷應是時間、室外氣溫和車站客流量（當然還包括車站建筑物及其埋深、車站設備、照明等） 的函數。

3 　冷水管預冷計算
　　集中冷站在運行上應滿足地鐵車站間歇運行情況下的冷負荷需求,并根據冷負荷變化實現節能運行。
　　按一般地鐵運行時間表6 :00～24 :00 ,空調季節時車站內的空調機組要提前半小時即在5 :30 啟動運行進行預冷,集中冷站為滿足此要求,應在5 :30提供7 ℃的冷水至機組。由于集中冷站距各車站較遠且距離不等,而地鐵停運期間,集中冷站也不運行,管網內的冷水與周圍環境進行換熱后,其溫度必將回升,另外,將符合設計溫度的冷水輸送至各車站也需要一定的時間。因此,集中冷站需提前于車站空調機組運行,以對管網冷水進行預冷。
　　這里以鷺江冷站為例,說明集中冷站的供冷范圍及冷量,并進行了預冷計算。預冷計算主要考慮管網冷水與冷水管、保溫材料的熱傳導、與周圍環境的對流換熱,同時分別以供回水溫度作為初始溫度,其計算原理基本同文獻[1 ] ,計算結果見表2 。

4 　冷水機組機型的確定
　　仍以鷺江冷站為例,在采用屏蔽門系統后,地鐵車站的冷負荷均在1 050 kW 左右,約為同樣規模車站閉式系統的1/ 3 ,故集中供冷可選用的冷水機組機型有離心機組和螺桿機組（尤其是多機頭螺桿機組） 兩種。針對地鐵的運行特點及其冷負荷變化特點,筆者認為應主要從以下幾個方面進行分析,確定地鐵集中供冷應選用的冷水機組型式。
4. 1 　機組在滿負荷及部分負荷時的性能、耗電功率
根據計算（見表3） ,在滿負荷及部分負荷情況下,多機頭螺桿機組的性能均優于離心機組,具有較低的耗電功率。

4. 2 　使用壽命
　　根據有關統計,離心機組壓縮機免維護的使用壽命為5 萬h ,螺桿機組為7. 5 萬h 。
4. 3 　運行安全性、備用性、可維護性
　　離心機組為單壓縮機的高轉速機組,多機頭螺桿機組為采用多臺壓縮機的低轉速機組。后者可實現壓縮機逐臺啟動,從而減少對電網的沖擊,同時具有更好的備用性。這與地鐵工程追求良好的社會效益和服務質量,尤其是采用集中供冷后,冷站的冷水機組應具有更好的備用性,以免機組故障影響車站服務水平的要求是一致的。
　　為實現設備的可維護性、減少維修成本（維修人員培訓、維修工具、備品備件等費用） ,全線冷水機組應采用同一機型,其冷凝器、蒸發器均應采用殼管式。
　　根據地鐵車站冷負荷的變化規律,尤其在強調機組部分負荷時性能情況下,目前國內地鐵多選用螺桿機組。
　　另外,從設備的投資、設備尺寸、安裝所需空間、設備的運輸（整體式和可拆卸式） 等方面比較,多機頭螺桿機組均比離心機組具有優勢。
5 　結論
　　推薦選用多機頭螺桿式（冷凝器為殼管式,蒸發器為滿液式） 冷水機組。
由于本文的計算依據為屏蔽門系統地鐵車站,因此其結論并不適用于非屏蔽門系統車站。