集中供冷系统浅谈远距离大温差供冷系统
摘 要 以广州地铁五号线集中供冷系统设计为例，研究远距离大温差供冷系统与常规的空调系统在冷水机组、空调末端和水系统设计中的特殊性，提出系统关键技术，以确保系统运行达到设计温差，最大程度地发挥大温差供冷系统的优势。
关键词 地铁五号线；远距离；大温差；供冷系统；水力平衡
一、引言
远距离大温差系统目前在国内外己经得到较广泛的应用，理论上大温差冷水空调系统具有较大的节能性，但是国内实际运用中成功的项目却不多，绝大多数出现小温差大流量和水泵降低的能耗小于冷水机组增加的能耗等问题，并没有达到预期的节能效果，存在运行能耗高，调节性能低等情况。因此需要研究大温差供冷系统的应用条件及应用准则，充分考虑节能调节控制、运行操作及经济性等问题，以最大程度地发挥大温差供冷系统的优势。笔者以广州地铁五号线集中供冷系统设计为例，谈下体会。
二、工程概况
广州市轨道交通五号线首期工程正线线路全长32km,从东往西依次设置24座车站。由于沿线车站处于市中心繁华地段，地面情况复杂，分散设置冷冻机房十分困难，即使有条件实现分散供冷，其大型冷却塔对周边环境将产生较大破坏，严重影响城市景观，因此五号线共设置三个集中冷站，分别为西村冷站，区庄冷站及猎德冷站。三个冷站总装机容量分别为9705KW、8087KW、4700KW。冷站集中设置制冷机房制备冷冻水，通过区间隧道敷设的供回冷冻水管道，用水泵将冷冻水输送到各车站的大小系统末端。现以西村冷站为例，介绍系统设置情况。
三、设计思路
主要设计思路为：通过充分了解地铁空调特点，考虑近远期要求，由于地铁各站分散距离远，应优化系统设计，有效的节约空调系统运行能耗（特别是冷水输送能耗及主机能耗）及系统投资（特别是管网投资），同时满足系统管理方便、控制简单等要求。
四、空调系统冷源
根据逐时负荷资料计算西村冷站近期总冷负荷为5409kw（不包括远期八号线），其中管网系统冷损失为440kw。系统选用了4台1618kw制冷量的螺杆冷水机组。蒸发器进出水温17℃/7℃，流量139.1m3/h，冷凝器进出水水温度32℃/37℃，流量331.7m3/h。
五、空调水系统
1.冷冻水系统
冷冻水系统采用冷源侧设置一次泵、负荷侧设置二次泵的方式，分为三个部分：
第一部分为冷冻水一次环路，主要由冷冻水一次泵、冷水机组、冷冻水定压系统及附属设备构成。冷冻水一次泵与冷水机组的配置为一一对应。
第二部分为冷冻水二次环路，由二次泵、变频器、管网组成。西村集中冷站二次泵有3组，一组输送东端的火车站、一组输送西端的西场站和中山八站、另外一组给西村站。每组二次泵均为3台，其中2台为变频调速水泵，1用1备,负责空调季节各站大小系统空调冷冻水的输送，另外一台为定速水泵，负责各站夜间或非空调季节冷冻水的输送。变频调速水泵也可作为定速水泵的备用泵。二次泵的变频由末端差压控制。冷冻水管通过区间隧道输送到各个车站。
第三部分为车站末端系统。三个车站均设置为异程式水系统。主要由大小系统的组合式空调器、风机盘管等组成。
2.冷却水系统
西村冷站共设置了4台流量为400m3/h的逆流冷却塔，放置在西村公交场的屋面上。
六、自动控制措施
本工程设置BAS系统，暖通空调自控系统为BAS独立的子系统。冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、组合式空调器、风机盘管、风机、电动阀门等均纳入BAS系统。主控室可实现对上述设备和系统参数的检测、参数与状态显示、故障报警、自动调节及控制，工况自动转换、设备联锁与自动保护。
冷站机房设置群控系统，根据监测到的空调实际负荷合理选择冷水机组、冷冻水一次泵、冷却水泵、冷却塔的运行台数，并实现顺序开启（关闭）及故障自检。
根据设置在车站最不利环路的压差、流量控制冷冻水二次泵的运行台数及实施变频调速。
车站大系统风柜设备及小系统支路的支路总管进出水管设置压差控制装置，其原理是与表冷器出水侧的比例积分二通阀共同作用，稳定盘管、二通阀和差压控制器三部分的压差，以解决水力平衡的问题。
七、运行情况
广州市地铁五号线于2009年12月开通，经过2年多的运行，空调通风系统整体运行良好，室内环境、空调通风节能等各项参数指标均能满足设计要求。2012年5月，我们对其进行了工程回访。通过中央主控系统显示，冷水主机及各车站末端冷冻水供回水温度为7℃/17℃，达到设计要求。
八、远距离大温差供冷系统关键技术
1、冷冻水供回水温差及管网优化分析
（1）冷冻水供水温度和供回水温差的合理确定冷冻水供水温度和供回水温差与系统能耗密切相关，但是如何根据具体的实际情况确定合理的温度及温差，使不同的实际项目对应不同的供水温度和供回水温差，从而更加节能。需综合考虑从以下几个问题：
①大温差下空调末端的运行效率及投资
空调末端实现风、水系统的热湿交换，以保证室内环境热舒适要求。而冷水的供回水温度直接影响着空调末端的冷却除湿效果，常规空调系统下的空调末端在大温差冷水空调系统下不一定能满足热湿交换要求，故需研究如何在大温差下保证空调末端的运行效率，以及由此带来的新的投资。
②大温差下冷水机组的运行方案
冷水机组的能耗在整个空调系统能耗中所占比例很大，而影响冷水机组能耗的COP与冷水供回水温度相关。因此研究冷水机组COP与供回水温度之间的关系，并保证机组合适的运行调节策略，才可获得节能效果。
③地铁五号线冷冻水供水温度及供回水温差的确定
地铁是人员短暂停留的地方，因此室内设计温度比人员长期停留的地方（如办公等）要高，站厅室内设计参数：干球温度29℃，湿球温度23℃，相对湿度60%；站台室内设计参数：干球温度27℃，湿球温度21.2℃，相对湿度60%。对于这样的室内环境，7℃的冷冻水供水温度是可以满足末端的冷却除湿要求，但是在同一进水温度下，进出水温差加大，空气处理机组的制冷量下降，冷风比下降。因此，在冷冻水大温差工况下，不能按常规温差选择空气处理机组。必须对 其采用以下解决方案： ①增加表冷器排数；②增加表冷器传热面积；③改变表冷器管程数；④降低空调机组进水温度；⑤ 改变表冷器的肋片材质等。
对冷水机组而言，蒸发温度越低，主机COP值就越低。我们以末端冷量为1200kW，输送距离2000m情况分析，不同大温差时冷水机组与水泵总能耗变化具体见下表：
经过以上比较分析可以看到，在供回水温度为7℃/17℃时，系统能效最优，因此地铁选用7℃/17℃为系统的供回水温度。
（2）冷冻水输送能耗与管网优化分析
冷冻水的输送能耗较大，特别在远距离系统中更加影响整个空调系统的综合COP。输送能耗的大小通水管管网有关，管道越大，阻力损失越小，能耗就越低。但是管道越大，初投资则越高，因此需要研究处理好管网投资和输送能耗的关系。
五号线集中供冷系统采用以平均最小年费用法为基础的空调水系统优化设计方法。所谓平均最小年费用法，就是把需要进行经济比较的几种方案，从开始施工到施工结束年的所有投资，分摊到项目经济运行期的每一年，再和年运行费用相加，称为年费用。对各个方案的年费用进行比较，年费用最小的为最经济方案。
（3）管网冷损失及水泵温升分析
远距离系统中的管网冷损失由于距离长，冷损失更大。分析研究冷损失的影响因素，从而更好的控制管网冷损失。水泵温升会造成冷负荷增大，所需制冷量更大，对其分析以更精确的确定冷负荷大小。
五号线管道敷设方式借鉴地铁2号线成功经验，采用卡箍连接；管道保温采用泡沫玻璃套管；管网冷损失采用传热学分析，约占系统冷负荷10%。
2、冷冻水系统变频二级泵技术及水力平衡
远距离输送冷冻水，能耗较高，通过研究变频二级泵技术的运用以及利用温差控制保证系统动态水力平衡技术，达到降低输送能耗、提高系统调节性能的目的。
对于地铁集中冷站，当采用每个车站单独设置冷冻水变频二次泵系统、将各车站二次管网分开时，冷冻水二次泵只根据本车站负荷进行调节，系统水力平衡最优。在前面的介绍中，我们知道整个地铁五号线的空调末端是采用了压差控制法的全面水力平衡方案，在较大的流量范围内恒定压差，并控制干管的流速，事实证明可较好的解决水力失调问题。
3、自动控制系统方案
远距离大温差供冷系统由于输送距离远，调节时有一定的滞后性，为保证调节及时，需研究供冷系统的自动控制设计。同时更重要的是通过自动控制，保证系统大温差小流量运行，从而保证系统的节能效果。
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