地铁工程集中冷站冷冻水温差优化设计

侯喜快 刘伊江 李俊飞

中铁二院工程集团有限责任公司

地铁工程集中冷站冷冻水温差优化设计

侯喜快 刘伊江 李俊飞

中铁二院工程集团有限责任公司

本文从经济技术的角度出发，建立了冷送水供回水温差对系统各部分能耗及初投资影响的数学模型，分析供回水温差对系统各部分的影响，提出一种地铁车站集中冷站供回水温差优化计算的方法，并以成都地铁四号线某集中冷站为例进行计算和分析，得出其最适宜的供水温差为8～9℃，为地铁车站冷站的设计提供参考。

地铁车站集中供冷冷冻水温差优化设计节能

地铁车站集中供冷是相对于每个车站设置制冷机房而言，采用集中制冷、分散供冷的方式，集中设置冷冻机房，沿隧道敷设冷冻水管，利用水泵将冷冻水送至各地铁车站。相对于传统的分散供冷，避免了在车站外设置大型冷却塔，减少对周围环境的影响，有利于满足城市规划的要求。广州地铁从建设二号线开始采用集中供冷系统，目前在成都、长沙等城市的地铁建设中也有使用[1～3]。

地铁车站集中供冷与普通的区域供冷本质上是相同的，但是，由于其服务的对象是地下车站，故具有以下特殊性：1）集中冷站的服务半径较大，一般在1000～3000m之间；2）由于车站沿着地铁线路呈直线布置，相对于普通区域供冷，其负荷分布较分散；3）冷冻水管道沿隧道布置，对于空调季节，列车的发热导致隧道内温度大于室外温度，且隧道内风速较大。冷冻水温差对集中冷站的初投资及运行费用影响复杂，十分有必要对其进行优化设计。

本文建立了冷冻水供回水温差对系统各部分能耗影响的数学模型，提出了一种对冷冻水供回水温差优化计算的方法，并以成都地铁四号线某集中冷站为例进行分析计算，为该工程设计提供参考。

1 计算模型

1.1优化模型

集中冷站冷冻水系统主要包括冷水机组、一次冷冻水泵、二次冷冻水泵、输送管路和空调末端设备，以其各部分年运行能耗作为目标函数，建立优化计算模型：

式中：Sjy为冷水机组的年运行能耗，kWh/a；Sby为冷冻水泵的年运行能耗，kWh/a；Smy为空调末端的年运行能耗，kWh/a。

1.2系统输送冷量损失

由传热学可以得出输送管道的单位长度冷量损失q1的计算公式为[4]：

式中：λ为保温材料的导热系数，W/(m℃)；tw为输送管道内冷水的温度，℃；t0为输送管道外区间隧道内的温度，℃；α1、α2为管道内、外表面的传热系数，W/(m2℃)；d1、d2为管道内径、外径，m。

α2值主要与隧道内的风速有关，其计算公式为：

式中：v为管道外区间隧道内的风速，m/s。

忽略冷水温升对管道内外传热温差的影响，在供水温度为7℃的条件下，输送系统总冷量损失△Q可以通过下式计算：

式中：L为冷站输送管道的总长度。

1.3冷水机组全年能耗

对于冷水机组，在蒸发器换热面积保持不变的情况下，由冷水放热系数与流速的关系、总传热系数与流体对数平均温差的关系、蒸发器的总传热热阻与冷水侧热阻的关系以及蒸发器对数平均温差的计算表达式，可以推导出冷水出口温度、冷水进出口温差与制冷剂蒸发温度之间的关系表达式为[5]：

式中：te为大温差工况时制冷剂的蒸发温度，℃；tout为冷水机组的出口温度，℃；△t为冷冻水进出口温差，℃

从式（6）可以看出，在本文的研究前提下，假设冷水机组冷冻水出口温度为7℃不变，则制冷剂的蒸发温度随着冷冻水进出口温差的增大而提高。对于某种制冷剂的压缩机来说，影响其工作性能的主要因素是蒸发温度和冷凝温度这两个参数。本文中假设冷却水的供、回水温度为30/35℃不变，然后使用较常见的曲线拟合法来求解出冷水机组COP值与冷冻水进出口温差的关系。

分别就样本上给出的对应于不同冷冻水温差△t下的制冷量除以机组耗功率得出相对应的机组COP值，然后将冷水机组冷冻水温差△t作为自变量，COP作为应变量，拟合出其回归曲线方程：

再根据冷站的逐时负荷以及机组运行COP值求得冷水机组的能耗。

1.4水泵全年能耗

对于一次环路，冷源侧冷水机组为定流量运行，故一次泵和相对应的冷水机组一般只进行台数控制，水泵能耗N1的表达式为：

式中：m为一次泵并联的台数；Ti为i台水泵工作的时间（i=1，2，…，m），h；Q1为单台一次水泵所输送的热交换量，kW；γ为被输送液体的容重，N/m3；H1为单台一次水泵的扬程，m；η1为一次水泵的运行效率；C为水的比热，kJ/(kg℃)。

对于二次环路，假设输送管道不随供回水温差发生改变，即每个环路的管路特性曲线均不变，则二次泵能耗N2的表达式为：

式中：Q2-j为第i组二次环路所输送的热交换量，kW；η2-j为第i组二次水泵的运行效率；H2-j为第i组二次水泵运行工况点的扬程，m。

可以根据冷站全年的负荷、管道的输送冷量损失按照上面的公式计算出冷冻水泵全年的运行能耗计算。

1.5空调末端能耗

对于地铁工程，空调末端的类型主要是组合式空调机组和柜式风机盘管，根据以往的研究，表冷器在大温差工况下运行，会出现冷量不够、机组除湿能力下降等问题。要保持表冷器冷量不变，需要通过增加表冷器的排数、增加表冷器的迎风面积以及降低冷冻水供水温度等措施解决。为了不至于增大换热器的水阻力或增大空调机组的安装面积，一般采用增加表冷器排数的方法。

目前空调设备表冷器的计算方法很多，但大部分计算公式对实验数据依赖性十分强，只能选用已知型号的表冷器。而且，表冷器的换热性能受迎面风速、析湿系数、接触系数、水流速度、空气初终参数、冷水初终参数、传热系数等多个参数的影响，很难明确换热量、换热器排数、空气阻力等参数之间的关系表达式。文献[6]中利用回归方法建立表冷器的数学模型，通过编制计算机程序，得出冷量与供回水温差、表冷器排数之间的关系。以供水温度7℃为例，结果如表1所示[6]。

表1 供回水温差对表冷器换热量的影响

根据上面的数据，在同样的换热量下，在大温差供水条件下，将表冷器的排数由4排增加值6排，或由6排增加至8排，能满足要求。但表冷器的阻力会增加。根据文献[7]，JW型表冷器空气侧阻力的增加情况如表2所示，其他类型的表冷器空气侧阻力损失基本与JW型差别不大。

表2 表冷器空气侧压力损失（Pa）

对于空调末端其能耗的计算公式为：

式中：L为末端设备的风量，m3/h；p为末端设备全压，Pa；η为末端设备的运行效率。

空调设备末端表冷器的风速按照2.5m/s进行计算，其中公共区空调设备变频运行，设备区空调设备定风量运行。

2 工程概况

以成都市地铁4号线太升路集中冷站为例进行计算分析。该集中冷站承担6个车站的供冷负荷，供冷最大半径2700m。冷站全年逐时负荷如图1所示。

图1 冷站全年逐时负荷

该冷站水系统采用二次泵变流量系统，根据该冷站所服务地铁车站的具体情况，考虑到地铁隧道界限的限制条件，对二次环路的划分提供两种方案，两种方案的详细情况详表3、表4所示。

表3 方案一中二次环路划分情况

表4 方案二中二次环路划分情况

方案一、方案二的布置示意图分别如图2、3所示。

图2 方案一中二次泵环路设置示意图

图3 方案二中二次泵环路设置示意图

对于冷水机组，假设冷却水侧运行于标准工况，选定10个不同的冷冻水供回水温差，计算出对应温差下机组运行的COP值，将上述数据其作为输入条件，通过拟合可以得到机组运行COP值和供回水温差△t之间曲线关系：

该冷站选用3台一次水泵，定流量运行，水泵的运行效率为70%，二次水泵变频运行。利用1.4中所述的曲线拟合法计算各方案中二次泵运行的工况点。

3 计算结果分析

经过对冷水机组、冷冻水泵、末端设备的模拟计算，可以得出该冷冻水系统能耗在不同供回水温差条件下的全年能耗，结果如图4所示。

图4 供回水温差对全年能耗的影响

从图4中可以看出，该集中冷站冷冻水系统能耗随着供回水温差的增加而减小，当供回水温差增加到8℃以后，能耗随温差变化缓慢，考虑到末端设备初投资和运行工况的优化，集中冷站最适宜的供回水温度为8～9℃。能耗的变化趋势与二次管网的布置方案有关，供回水温差对方案一中全年能耗的影响明显大于方案二。表5为各部分全年能耗的分布情况。

表5 各部分能耗情况

根据上表，对于冷水机组，随着温差的增加，其COP值呈增长趋势，从而全年能耗有一定的降低；对于空调末端，随着温差的增加，表冷器的阻力会增加，其全年能耗呈增长趋势，二者变化均比较缓慢。对于冷冻水泵，其全年运行能耗基本随温差呈二次方关系降低，变化趋势十分明显，在设计方案的论述中，尤为需引起注意。

4 结论

本文根据冷冻水供回水温差对系统各部分能耗影响的数学模型，以成都地铁四号线某集中冷站为例进行分析计算，得出以下结论：

1）冷冻水系统能耗随着供回水温差的增加而减小，当供回水温差增加到8℃以后，能耗值随温差变化缓慢，考虑到末端设备初投资和运行工况的优化，集中冷站最适宜的供回水温度为8～9℃。

2）供回水温差对冷水机组以及空调末端的全年能耗影响较小。对于冷水机组，随着温差的增加，其COP值呈增长趋势，从而全年能耗有一定的降低；对于空调末端，随着温差的增加，表冷器的阻力会增加，其全年能耗呈增长趋势，二者变化均比较缓慢。而对于冷冻水泵，其全年运行能耗基本随温差呈二次方关系，变化趋势十分明显。

3）本文只针对冷冻水系统的运行能耗进行计算分析，冷冻水温差的增大会引起水泵设备初投资的降低和空调末端设备初投资的增加，具体的增减费用与设备品牌等因素关系较大，文中未进行考虑，故其在工程中的应用待进行综合性经济、技术比较后确定。

[1]付强.集中供冷系统在广州地铁二号线的应用[J].暖通空调, 2004,34(7):78-80

[2]史京,田小梅.集中冷站在地铁中的应用[J].城市轨道交通研究, 2010,13(11):88-92

[3]许新明,陈诒春,刘莹,等.空调系统冷水大温差运行特性分析[J].制冷,2001,20(1):71-74

[4]杨世民.传热学[M].北京:高等教育出版社,1998

[5]彦启森.空调调节用制冷技术(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2010

[6]于丹,陆亚俊.冷水大温差对表冷器及风机盘管性能的影响[J].暖通空调,2004,34(3):77-79

[7]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

Optim iza tion De s ign of Chille d Wa te r Te m pe ra ture Diffe re nc e for Ce ntra l Cooling Sta tion in Me tro Engine e ring

HOU Xi-kuai,LIU Yi-jiang,LI Jun-fei
China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.

From the visual angle of economic and technology,this paper establishes mathematical models to analyze the effect of chilled water temperature difference on primary and operating costs of the systems.Then the relationship between the chilled water temperature difference and the costs is analyzed,and the optimization calculation methods of chilled water temperature difference for central cooling Station in underground railway stations are presented.Taking one central cooling station of Chengdu metro line No.4 as an example,the results indicate that optimum temperature difference is 8～9℃,which provides suggestions for the design of metro engineering.

underground railway station,central cooling,chilled water temperature difference,optimization design, energy conservation

1003-0344（2014）06-096-4

2013-10-21

侯喜快（1985～），男，硕士，工程师；成都市金牛区通锦路3号中铁二院地下铁道设计研究院（610013）028-86445879；E-mail:houxikuai@163.com