轨道交通直膨磁悬浮空调系统研究

陈明辉

（北京市轨道交通运营管理有限公司，北京 100068）

0 引言

传统地铁车站普遍采用的空调水系统包括冷冻水和冷却水，系统机电设备占用车站空间大、间接导热能源转换效率低、地面环境噪声影响大及维护成本高昂的缺点，这些缺点随着区域化轨道交通进程的不断加快而更加突显，迫切需要一种新工艺、新技术来解决目前的发展瓶颈。

本文通过优化研究地下车站通风空调系统设计方案，研发直膨磁悬浮式空气净化一体化机组（下文简称为“直膨机组”）代替传统的车站通风空调系统，结合下置的车站内冷却循环水定流量平衡技术，以及工业网络和交互软件平台等的先进理念，将现代化控制技术应用于既有示范工程，取得了良好效果。

1 研究背景

1.1 目的、意义及必要性

既有的地铁线路空间紧凑、能效低下、环境噪声及维护成本高昂，行业遇到了显著的技术瓶颈。为冲破既有的技术瓶颈，迫切需要一种新的通风空调解决方案，结合群控制技术，满足日益扩大的城镇化建设需求。化繁为简、极致创新、节能、节地、节资，研发一种能够突破传统行业瓶颈的新型空调系统很有必要。

1.2 现状及发展趋势

传统地铁车站的通风空调系统分为风系统和水系统。水系统通过冷水机组和相应的冷冻、冷却循环水辅联设备进行热负荷传递，并为风系统的空调末端提供冷水介质，满足空间热交换需求。该系统配置于国内大多数地铁车站，已经无法满足现阶段城镇化区域发展的要求。

为突破传统地铁车站的通风空调系统的瓶颈，课题的首要任务以新型空调系统，结合先进的自动控制理论，打造化一体化空调机电系统的解决方案，给一体化城市建设项目注入新工艺、新技术，满足日新月异的轨道交通行业建设要求。

2 课题调研

传统空调系统和新型空调系统构成分析对比如图1 所示。本文研发的主要核心设备是直膨机组以及适应下置在车站内的集成新型冷却塔。可以利用站厅层原空调机房安装直膨机组，原空调机房不需调整，站台层原冷冻机房内空调设备取消，大大简化了系统工艺环节，并节省投资成本和占地空间。

图1 空调系统对比

3 优化设计方案

3.1 课题研究重点

3.1.1 研究内容

解决传统空调系统的技术瓶颈，实现模块化、智能化的空调系统。新型空调设备的各个组成部分，通过高度集成的自动化节点进行有机结合，实现集散式控制的先进理念，网络层级由低到高分别为现场总线级、工业以太网级、OA 办公网络级，与搭载可视化系统的上位机级联，实现系统优化控制，为轨道运营企业提供现代化的调度、管理、监控及运行的手段。

3.1.2 技术路线

优化车站冷水系统的构成，明确冷却水系统与空调末端有效融合、冷媒介质直接蒸发，并基于冷塔环境噪声污染的特性，从满足实用性的角度设置塔体于排风道，借助废气外排的路径达到冷却水散热的工艺要求。

3.1.3 技术创新点

（1）高效能。磁悬浮变频压缩机提升效率+直膨技术可以大大降低换热损失。以KT/B1 机组为例，测试条件为蒸发温度7 ℃、冷凝温度22.5 ℃、送风温度18.5 ℃、混风温、湿度24.3 ℃，54.09%；测得机组能效为6.62、冷站能效比6.12、制冷循环能效11.24。

（2）高健康。空调箱内采用自清洁低阻高效一体化的空气净化装置和等离子杀菌消毒技术，可以大幅度提高车站空气质量。此装置具有全自动、免巡视、低维护的运行模式，可以有效降低维护工作量。

（3）高智慧。基于群智能+人工智能的通风空调运行控制技术，实现了系统的自识别、自组网、自优化及自适应。群智能改变了传统上层逻辑控制的架构，在底层每个智能化节点模块实现就地逻辑控制，打造了集散式控制系统的先进网络架构（图2）。

图2 直膨磁悬浮系统网络拓扑

（4）低成本。建设投资成本：省去冷冻机房面积约200 m2，减少土地投资；地面无冷塔，减少地面征地成本。施工调试成本：设备采用模块化设计，可在工厂进行预制化生产，大大节约了现场安装调试的时间。

（5）低碳排。预计节约电耗25%以上（与相邻风、水联动车站相比），以20 年运营周期计算，单站可减少碳排放3140 t。该站系统年耗电量约50 万千瓦时，实现了打造“百万度车站”的目标。

（6）低维护。磁悬浮技术、直膨技术与自清洁技术的结合应用，可以使系统维护工作量降低45%以上。

3.2 技术优势分析

3.2.1 直膨机组

采用丹佛斯磁悬浮压缩机，实现变频无级调节。通过调整压机电机转速及进气导叶开度，可以有效避开喘振区域。磁悬浮轴承喘振保护反应迅速，当磁轴承受力不均匀时，信号立即反馈至压缩机控制器，以便及时调整运行状态，必要时压缩机控制器会发出警告或发出故障停机指令。该压缩机为完全模块化设计，能够本体实现闭环控制。

自洁式过滤系统通过过滤段前后压差信号联锁启动自清洁装置，系统采用模块化分组结构设计，可视化的人机接口可以实现故障查询、状态预览以及参数在线调节等功能。

机组风机控制系统能够结合新风道含湿量的对比运算，自动切换不同季节工况，以满足制冷、风机频率等分程控制的调控功能。可视化人机接口能够对主要设备（如冷机、风机）关键参数进行修整和预览需求。

以上3 个子系统均向上级联直膨机组控制器，以实现机组自身温度控制和下发过程指令完成加减载、自清洁、风机季节工况调节功能。

3.2.2 系统网络架构

系统网络实现了分布式集中控制系统，同时完成辅联设备启停顺控（如电动阀门、水泵、冷塔、直膨机组等）。系统是控制层级的中枢，既可以监测、控制、分析分布式智能节点状态，又能够与中心级可视化平台的数据级联，为轨道运营企业提供现代化的调度、管理、监控及运行手段。

3.2.3 集数据交互功能的可视化平台

19 号线牡丹园站直膨机组示范项目应用轨道院研发的可视化智能平台，集成标准工业网络、就地可视化人机接口，同时开发了历史、应用数据库，便于未来的数据应用及开发，为群控系统、环境监控系统提供信息交互平台，并预留有用于满足未来地铁OA 系统对接需要的物理、应用接口，为实现大数据信息交互做好前期规划。系统功能主要涵盖以下6 个方面：

（1）从分析车站空气质量，间接判断客流趋势，并为运营疏导措施提供客观依据。

（2）利用三维立体画面呈现环境监控系统和群智能系统的重要设备参数，并以图表和趋势图的方式进行显示、分析。

（3）累计设备运转时间、故障频次，并为运营企业维护管理系统提供应用接口，实现计划性维修、改造的数据支持。

（4）群智能系统结合车站内外环境温、湿度，联动环境监控系统切换通风模式，部署直膨机组启停顺序控制。

（5）环境监控系统作为车站级人机接口，实现风、水联动系统各项指标参数的调取和应用。

（6）新型空调系统借助先进的现代工业自动控制技术，合理进行网络层级规划，为轨道交通线路运维管理系统及后期的大数据平台建设提供了可拓展的应用接口和物理链路，满足轨道交通行业快速发展的要求。

3.3 新型空调系统需求分析

3.3.1 节能减排

轨道交通行业推动绿色建设，提升建筑节能，加快超低能耗建筑已成为行业当前主流趋势。未来，随着北京城乡一体化及京津冀一体化的发展，北京中心城区与郊区新城、近京部分地区的联系日益加强，规划线路迫切需要解决当前主要负荷耗电过大的问题。

3.3.2 释放车站空间

为使城市交通的建筑内部空间与城市空间彼此渗透，地铁建筑综合体与城市交通整合的内部空间环境应与城市空间环境相适应。同时，引入地铁站厅、全面开发地下空间，实现空间之间的穿插渗透，有利于增强空间的整体性，加之线路交叉换乘对空间错落挤压，使得新建线路的建筑内部空间一再受到缩减。

根据新线建筑内部空间状况需求分析，为了最大化发挥机房节地优势，降低土建投资和控制运营成本，针对地下车站热环境控制需求，迫切需要改变传统的空调水系统结构。轨道交通车站磁悬浮式空调设备及其智能控制技术研发依托19 号线牡丹园站示范工程，将直接蒸发和磁悬浮制冷技术集成创新，实现了冷机与空调末端相结合的方式，既减少了空间占地，又解决了间接水系统的能量传递带来的效率低下问题，提高了建筑空间的利用率（图3）。

图3 直膨机组科研样机

3.3.3 消除冷却塔环境噪声

地铁系统的建设不仅充分开拓了城市空间，而且能够缓解交通压力。地铁车站在给人们带来便利的同时，往往也造成了噪声污染，其中空调水系统的冷却塔单元是重要的噪声来源。地面的低频声污染困扰着行业建设进程。为解决车站地面设置冷却塔的难题，研发基于单进风技术隐蔽于车站内的小型化冷却塔，可以结合车站风道进行安装，解决后期环评验收的痛点。作为地面无塔技术推广项目，19 号线牡丹园站示范工程减少地面占地150～200 m2，既节省了投资，又解决了低频噪声污染的问题。

3.3.4 维护成本低

空调水系统的核心单元冷水机组由螺杆式压缩机、冷凝器、蒸发器、干燥过滤器、吸气过滤器、油分离器、油冷却器、油滤器和自动控制、自动保护装置等组成。从工艺单元不难发现，螺杆机的工作离不开润滑油，从而维护过程往往需要对润滑单元的部件进行维修更换，而油润滑系统热损失是不可避免的损耗（图4）。

图4 螺杆机内部结构

19 号线牡丹园站示范工程首次将直接蒸发和磁悬浮压缩技术结合，实现了无润滑油润滑，既延长了压缩机的使用寿命，又降低了维护成本，同时降低了工作人员的劳动强度（图5）。

图5 磁悬浮变频离心压缩机结构

由图6 可以看出，螺杆机负荷分配与能效输出的线性关系实现部分对应。磁悬浮变频离心压缩机采用模块化设计，应用了无油压缩技术，可以通过轴承的位置检测与控制实现内部闭环，达到精准的转子位置调节，可靠性极高，并可延长设备寿命。

图6 油含量—换热效率损失关系曲线

4 项目实施

4.1 项目实施情况

直膨磁悬浮系统公共区组空和房间区大容量组空采用直膨机组。车站两端各设置一台冷却塔和冷却水泵。车站管线短、阻力小、水泵扬程小，更加节能。

4.2 群智能系统控制策略

4.2.1 冷却塔单元

自成系统，其中能量调节阀具备流量及温度远传功能，是单元内主要的受控参数。流量检测实现能量调节阀开度闭环控制，满足布水器对冷却水均匀布水的定流量需求。供水温度检测实现冷却塔单元的塔扇频率自身闭环控制。控制方式均以PID 闭环方式实现，确保冷却水散热效率提升，同时减少电能消耗。

4.2.2 水泵及管路单元

群控实现辅联设备调控，水泵控制以供水的出口压力与满足管网中配水压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q 之间的关系为ΔP=KQ2，其中K 为修正系数。设PL为压力最不利点所需的最低工作压力值，则水泵出口总管压力P=PL+ΔP=PL+KQ2，可满足各用水点的要求压力值，并达到最佳节能效果。因此供水系统的出口设定压力不随流量的变化而变化，这种供水技术称为变流量恒压供水，其供水系统出口总管压力恒定不变。系统可根据冷却塔用水量的变化自动调整水泵的运行频率，以提高系统的稳定性及供水质量。自动恒压供水系统控制原理如图7 所示。

图7 自动恒压供水系统原理

4.2.3 磁悬浮机组单元

磁悬浮机组主要分为进风段、初效过滤段、电子净化段、蒸发旁通段、风机段、均流段、消声段和送风段，压缩冷凝机组内置于进风段（图8）。机组自带控制单元，能实现机组内所有配电及控制，包含压缩冷凝调节、静电除尘、送风机变频调节等功能。

图8 机组分段

压缩冷凝机组自带控制器及变频调节装置，通过内部的位置传感器实现永磁轴承的间隙耦合，调节压缩机转子的转速，可以使机组调节范围扩大，并减少因负荷降低造成的停机次数。

静电除尘系统是多模块化的除尘过滤装置，通过初效过滤器两端的压差实现机组任何工况下的自清洁工作。系统配置的人机接口可以切换时控模式，方便用户调整启动除尘作业的时间，实现特定时间段的除尘作业需求，为乘客营造更加清洁的搭乘体验。

送风机变频器以控制区域（公共区或设备房间）温度作为受控参数，通过环境温、湿度判断进行夏季、冬季或过渡季节工况。各工况采用不同的控制策略，并进行针对性的参数设定与受控参数补偿，同时结合风阀系统的切换，更精准地实现了控制策略的季节性优化，达到节能减排的目的性。

5 课题完成情况及技术成果

针对轨道交通地铁空调系统特点进行模块化设计，成功研制出工厂预制化的集通风、制冷和空气自净化等功能于一体的空调机电设备，并在19 号线牡丹园站安装调试完成。该设备在2022 年空调制冷季试运行效果良好，邀请建研院空调所进行实地数据测算，测算结果如表1 所示。

表1 实地数据测算结果

从测算数据不难看出，制冷系统运行能效尚未达到设计目标，其中空调季运行期间加大新风量引入，是影响机组能耗激增、制冷系统运行能效不达标的主要原因。

6 结论

（1）运营需求。传统的空调水系统占地空间大、能耗效率低、地上冷塔低频噪声污染严重、建设维护成本高的特点，是轨道交通行业必须攻克的技术屏障。直膨机组适应下置在车站内的集成冷却水系统，在传统系统基础上优化设计方案，弥补了传统空调水系统的不足。

（2）技术优势。综合了直膨机组、群智能、可视化平台及BAS 等技术，多专业协同，网络互联互通，为轨道运营企业提供了现代化的调度、管理、监控及运行管理手段。

（3）控制策略。相比传统的空调水系统，直膨机组优化了设计方案，弥补完善了以往的不足，引入了集散型分布式控制理念，将各个局部系统以小闭环控制为主，群控层面向上实现可视化平台数据接入，向下完成控制与监测相结合，巧妙地达成了风、水联动的控制要求。

直膨机组依托19 号线一期，旨在开拓一种采用新工艺、新技术的制冷设备，以解决地铁线路空间紧凑、能效不足、环境噪声及维护成本高昂等发展瓶颈。该系统是提高运营线路设备和服务水平的重要手段，在中心城区的应用中表现出明显的技术优势，为轨道交通行业的发展拓宽了思路，体现了新地铁建设的前瞻性。