籃　杰 楊禮楨

裝配式冷凍站在城市軌道交通工程中的應(yīng)用分析

籃杰 楊禮楨

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

分析了城市軌道交通傳統(tǒng)冷凍站的現(xiàn)狀和存在的問題，結(jié)合鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）的實(shí)際情況進(jìn)行分析，提出采用裝配式冷凍站，可以有效的解決傳統(tǒng)冷凍站在設(shè)計(jì)、采購、施工、建設(shè)管理等過程中的一系列問題，并給出了具體應(yīng)用方案和對(duì)比分析，可供相關(guān)工程參考。

城市軌道交通；地鐵車站；裝配式冷凍站

0 引言

冷凍站設(shè)計(jì)是城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)專業(yè)的核心設(shè)計(jì)內(nèi)容，傳統(tǒng)冷站存在占地面積大，設(shè)計(jì)施工界面多，施工周期長，施工環(huán)境差，質(zhì)量難以控制等問題。

當(dāng)前我國正處于大規(guī)模城市軌道交通建設(shè)時(shí)期，構(gòu)件預(yù)制化技術(shù)水平越來越高，同時(shí)構(gòu)件預(yù)制化也是工廠化的一個(gè)必然趨勢(shì)。采用預(yù)制構(gòu)件不僅可以提高工程質(zhì)量還可以縮短工期降低成本，同時(shí)提高地下工程施工的工業(yè)化程度，尤其對(duì)改善地下工程內(nèi)的施工環(huán)境更是明顯[1]。但是目前國內(nèi)車站裝配式建造大多專注于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裝配，隨著裝配建造的不斷發(fā)展，機(jī)電安裝工程也逐漸進(jìn)入到裝配建造階段，且可實(shí)施性更強(qiáng)，效益十分顯著。

車站裝配式冷凍站技術(shù)，即是在機(jī)電安裝工程中裝配建造的典型應(yīng)用，可以解決傳統(tǒng)冷凍站設(shè)計(jì)施工存在的一系列問題。目前在鄭許市域鐵路工程（鄭州段）工程中，全線冷水機(jī)房均采用裝配式冷凍站技術(shù)方案，本文結(jié)合該實(shí)際工程對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行分析，可供相關(guān)工程參考。

1 傳統(tǒng)冷凍站存在的問題

1.1 設(shè)備布置分散，占地面積較大，建造成本高

地鐵地下標(biāo)準(zhǔn)車站建筑面積約14000m2左右，冷水機(jī)房建筑面積一般在150m2左右，地鐵車站一般均建設(shè)在地下，造價(jià)較高，土建造價(jià)每平方約1萬～1.2萬左右。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)車站冷水機(jī)房土建造價(jià)約150～180萬元。

1.2 傳統(tǒng)冷凍站設(shè)計(jì)造型各異，不利于開展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

因地下車站具有狹長型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且規(guī)范要求冷水機(jī)房不得布置在變電所的正上方，因此布置較為困難，為滿足冷水機(jī)房功能要求，一般根據(jù)站內(nèi)房間布局進(jìn)行布置，導(dǎo)致各站形狀各異，全線各車站冷凍站的設(shè)備布置散亂，一站一景，不利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

1.3 設(shè)計(jì)、設(shè)備采購及施工界面繁雜

冷凍站在地鐵車站的設(shè)計(jì)、供貨施工及建設(shè)管理整個(gè)過程中，界面交叉較多，責(zé)任劃分不清，導(dǎo)致問題頻出。

設(shè)計(jì)界面：通風(fēng)空調(diào)專業(yè)負(fù)責(zé)所有設(shè)備及管路附件的設(shè)計(jì)（部分設(shè)計(jì)單位冷卻水部分由給排水專業(yè)設(shè)計(jì)），低壓配電專業(yè)負(fù)責(zé)提供變頻器及各設(shè)備的配電設(shè)計(jì)，BAS專業(yè)負(fù)責(zé)傳感器、變頻控制等控制部分的設(shè)計(jì)。因冷凍站設(shè)備及閥門接口眾多，經(jīng)常出現(xiàn)遺漏情況。

設(shè)備采購界面：冷凍站內(nèi)設(shè)備眾多，冷凍站設(shè)備及材料主要有冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、變頻設(shè)備及各類傳感器、控制閥門、管材、強(qiáng)弱電纜等由不同的供貨商供貨，不同設(shè)備接口各異，有大量的接口需要整合協(xié)調(diào)。

施工界面：冷站施工主要有風(fēng)水電施工單位及弱電施工單位，風(fēng)水電施工單位主要是根據(jù)設(shè)備安裝要求完成設(shè)備安裝，并負(fù)責(zé)配電，弱電施工單位負(fù)責(zé)控制部分的模塊箱及控制線路的敷設(shè)。在施工過程中有大量的協(xié)調(diào)工作需要完成，如設(shè)備、管道安裝于傳感器安裝的矛盾，設(shè)備與控制系統(tǒng)的接口協(xié)調(diào)，配電箱與控制模塊箱的安裝協(xié)調(diào)，管路系統(tǒng)安裝于配電箱及模塊箱的安裝協(xié)調(diào)，各類接口協(xié)調(diào)任務(wù)繁重且容易出錯(cuò)。在完成安裝及線路敷設(shè)后，風(fēng)水電單位需要與環(huán)控柜廠家及弱電施工單位配合完成整個(gè)系統(tǒng)的接口調(diào)試、控制調(diào)試，此部分工作量相當(dāng)繁雜，在以往的工程建設(shè)中往往需要消耗大量的人力和精力且效果不好。

建設(shè)管理：冷凍站內(nèi)甲供設(shè)備與乙供設(shè)備分屬不同的部門及專業(yè)管理，施工現(xiàn)場由項(xiàng)目管理部進(jìn)行大量的協(xié)調(diào)管理。

1.4 施工周期長，設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量都難以把控

因設(shè)備零散，供貨商多，需采購的材料多，各類安裝均需在現(xiàn)場進(jìn)行，現(xiàn)場協(xié)調(diào)的內(nèi)容多，地下施工環(huán)境惡劣，這一系列原因均導(dǎo)致了施工周期較長。傳統(tǒng)安裝工序一般為主體接收—設(shè)備基礎(chǔ)—設(shè)備就位—管道定位—管道焊接—閥件安裝—管道保溫—調(diào)試。按照以上傳統(tǒng)方式施工，所有管件設(shè)備在現(xiàn)場定位、開料、焊接施工，需 5個(gè)技術(shù)工人連續(xù)工作45個(gè)工作日[2]。

在質(zhì)量把控方面，設(shè)備、管道及閥件選型和布置的是否合理取決于設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平，安裝過程是否完全按圖施工，是否遵循相關(guān)工藝規(guī)范也取決于工人的熟練程度和技術(shù)水平，因此極易造成最后各車站冷凍站完成質(zhì)量的良莠不齊。

1.5 群控系統(tǒng)實(shí)施無序

部分線路采用冷站群控系統(tǒng)，但無系統(tǒng)級(jí)的控制理念，簡單滿足負(fù)荷需求而被迫做出加減機(jī)，節(jié)能能力完全由單個(gè)設(shè)備的“單兵作戰(zhàn)”來完成，其結(jié)果是單一設(shè)備很節(jié)能，組合在一起能耗高，節(jié)能多少的隨機(jī)性大。缺乏通過實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測，不能主動(dòng)分配系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備的電力需求．實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍站各設(shè)備的集中優(yōu)化控制。

2 裝配式冷凍站具體應(yīng)用方案

2.1 鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）簡介

鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）線路長約35.16km，設(shè)站16座，均為地下站，其中換乘站5座。各站均采用分站供冷，單個(gè)車站冷負(fù)荷均在900kW左右，冷源系統(tǒng)采用水冷螺桿機(jī)+冷卻塔的方案，每個(gè)車站設(shè)置有2臺(tái)冷水機(jī)組，2臺(tái)冷凍水泵，2臺(tái)冷卻水泵，2臺(tái)冷卻塔及水處理裝置，采用膨脹水箱高位補(bǔ)水。冷卻塔和膨脹水箱均布置在靠近冷水機(jī)房的地面上，其余設(shè)備均布置在地下的冷水機(jī)房內(nèi)。

2.2 裝配式冷凍站設(shè)計(jì)理念和思路

針對(duì)傳統(tǒng)冷凍站設(shè)計(jì)存在的問題，本工程提出采用工程產(chǎn)品化思想將較為零散的冷凍站整體當(dāng)做一個(gè)工程產(chǎn)品進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、集約化設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)是解決以下幾個(gè)方面的問題：

（1）從分散責(zé)任主體到裝配式冷凍站單一責(zé)任主體；

（2）從各車站單獨(dú)設(shè)計(jì)到所有車站進(jìn)行統(tǒng)一專業(yè)的設(shè)備優(yōu)化選型和水力計(jì)算，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量；

（3）從工程項(xiàng)目到標(biāo)準(zhǔn)的裝配式產(chǎn)品生產(chǎn)，生產(chǎn)和測試工序標(biāo)準(zhǔn)化，保障產(chǎn)品質(zhì)量；

（4）從項(xiàng)目現(xiàn)場施工轉(zhuǎn)變到工廠預(yù)制，現(xiàn)場拼裝，縮短施工周期，提高施工質(zhì)量；

（5）從雜亂無序的群控策略升級(jí)成系統(tǒng)級(jí)的集中優(yōu)化控制；

（6）全線車站實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

2.3 裝配式冷凍站模塊設(shè)計(jì)方案

根據(jù)本工程提出的目標(biāo)，對(duì)裝配式冷凍站進(jìn)行了模塊化分解，各主要模塊的具體設(shè)計(jì)方案如下：

（1）主機(jī)模塊和主機(jī)管路模塊

主機(jī)模塊的可調(diào)整性較小，根據(jù)不同的主機(jī)廠家尺寸略有不同，因主機(jī)本身結(jié)構(gòu)的整體完好性和專業(yè)性，將其與鋼結(jié)構(gòu)整體基礎(chǔ)單獨(dú)作為一個(gè)模塊。與主機(jī)連接的管路，在適當(dāng)?shù)姆ㄌm盤位置分開單獨(dú)作為一個(gè)模塊，詳見圖1和圖2。

圖1 冷水機(jī)組模塊

圖2 冷水機(jī)組模塊

（2）循環(huán)水泵模塊

為縮小冷水機(jī)房面積，均采用立式水泵，與相連接的管路閥門附件一起作為一個(gè)模塊。水泵可采用水平布置，為了進(jìn)一步集約化，也可以采用上下層立體布置方案，但是上下層立體布置需要解決好檢修的吊裝和上層水泵的振動(dòng)等問題，詳見圖3和圖4。

圖3 循環(huán)水泵模塊（水平布置）

圖4 循環(huán)水泵模塊（水平布置）

（3）分集水器模塊

將集分水器與基礎(chǔ)和平衡管道一起作為一個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步集約化設(shè)計(jì)，還可以考慮采用立式的集分水器方案，立式布置方案與國標(biāo)圖集布置方式不一致，宜進(jìn)行水力模擬以確定其分集水效果，詳見圖5和圖6。

圖5 循環(huán)水泵模塊（水平布置）

圖6 循環(huán)水泵模塊（豎向布置）

（4）模塊整體拼裝應(yīng)用效果

結(jié)合本工程實(shí)際情況，考慮到檢修和工程實(shí)施的方便，循環(huán)水泵模塊未采用上下層布置，集分水器仍采用水平臥式布置。機(jī)房預(yù)留1.5m主檢修通道，冷水機(jī)組距墻按1m控制，兩臺(tái)主機(jī)間間距為1.5m，機(jī)組一側(cè)預(yù)留3m左右的拔管空間；另為充分利用機(jī)房空間，循環(huán)水泵采用斜側(cè)布置，同時(shí)預(yù)留有相應(yīng)的檢修空間。整個(gè)冷水機(jī)房尺寸控制在14m（H）×7m（W），機(jī)房面積為98m2，整體布置平面圖和三維效果圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 裝配式冷凍站平面布置圖

圖8 裝配式冷凍站三維示意圖

2.4 群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為更好的實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)集中控制功能，提升冷站能效水平，本工程將冷源群控部分設(shè)計(jì)單獨(dú)從BAS中剝離開，由專業(yè)的通風(fēng)空調(diào)集成商深化設(shè)計(jì)、供貨和調(diào)試。每個(gè)冷站配置1面冷源集中控制柜，并根據(jù)冷站規(guī)模配置相應(yīng)數(shù)量的下位輔機(jī)（水泵、冷卻塔、電動(dòng)蝶閥等）水系統(tǒng)智能控制柜，配置實(shí)現(xiàn)冷源系統(tǒng)群控以及水系統(tǒng)變流量控制所需的全部傳感器及智能電表，以及控制系統(tǒng)所涉及到的專用軟件等。

本工程群控系統(tǒng)所有控制柜設(shè)置在車站靠近冷水機(jī)房端的環(huán)控電控室內(nèi)，優(yōu)化控制柜工作環(huán)境的同時(shí)，也從物理上將群控系統(tǒng)與裝配式冷凍站分開，更有利于界面的劃分。

冷源群控系統(tǒng)采用基于實(shí)時(shí)負(fù)荷需求的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、電動(dòng)閥門等的設(shè)備啟動(dòng)、停機(jī)控制及狀態(tài)、信號(hào)的監(jiān)視，各設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)、連鎖保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷源系統(tǒng)的“一鍵啟?！惫δ?，并實(shí)現(xiàn)無人值守。同時(shí)能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行啟、停操作以及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定。具體控制策略本文不做過多贅述，群控系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖9所示。

2.5 具體實(shí)施流程

在具體應(yīng)用上，實(shí)施流程可按照優(yōu)化選型—三維仿真—模塊化設(shè)計(jì)—力學(xué)分析—工廠預(yù)制—模塊運(yùn)輸—現(xiàn)場拼裝—群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)幾個(gè)步驟進(jìn)行。

（1）優(yōu)化選型：根據(jù)提供的冷負(fù)荷對(duì)主機(jī)和循環(huán)水泵等進(jìn)行優(yōu)化選型，對(duì)冷凍站管路阻力進(jìn)行精算，使設(shè)備功率及機(jī)房各環(huán)路阻力均控制在合理的范圍。

（2）三維仿真：通過結(jié)合設(shè)計(jì)、運(yùn)營各方建議，根據(jù)設(shè)備選型和管路設(shè)計(jì)情況，建立三維仿真模型，滿足設(shè)計(jì)、使用及后期檢修要求。

（3）模塊化設(shè)計(jì)：根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)輸路徑和孔洞尺寸，結(jié)合生產(chǎn)加工工藝，對(duì)冷凍站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，對(duì)各部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

（4）力學(xué)分析：裝配式冷站內(nèi)的設(shè)備基礎(chǔ)、管路閥門附件的支吊架均由供貨商統(tǒng)一提供并裝配完成，因此需對(duì)基礎(chǔ)和支吊架等進(jìn)行力學(xué)分析，確保拼裝完成后牢固可靠，并達(dá)到防晃抗震等要求。

（5）工廠預(yù)制：各模塊和管件的標(biāo)準(zhǔn)化工藝生產(chǎn)，包括對(duì)管道的除銹、焊接、吹掃、防腐、沖洗、試壓、觸感器的定位、對(duì)冷站的效率測試等，均在工廠完成。

（6）模塊運(yùn)輸：裝配式冷凍站在工廠預(yù)制并測試驗(yàn)收合格后，拆分為不同的模塊運(yùn)輸并吊裝到施工現(xiàn)場。

（7）現(xiàn)場拼裝：裝配式冷凍站供貨商在現(xiàn)場負(fù)責(zé)各模塊的拼裝工作。

（8）群控系統(tǒng)：根據(jù)設(shè)計(jì)提供的控制策略，結(jié)合主機(jī)的安全保護(hù)控制要求，實(shí)現(xiàn)群控要求和功能。

具體步驟如圖10所示。

圖9 群控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖10 群控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.6 界面及接口劃分

在傳統(tǒng)的冷凍站實(shí)施模式下，建設(shè)單位對(duì)各主要設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)招標(biāo)，再由風(fēng)水電安裝總承包商統(tǒng)一進(jìn)行施工管理，各專業(yè)間交叉接口較多，而采用裝配式冷凍站，冷凍站系統(tǒng)作為整體單獨(dú)招標(biāo)，此方式改變了傳統(tǒng)的專業(yè)分工與協(xié)作，界面和接口需重新劃分。

（1）與風(fēng)水電安裝總承包商的施工接口

裝配式冷凍站供貨商責(zé)任：負(fù)責(zé)所提供的所有供貨設(shè)備、管道及附件的拼裝；另在本工程中，供貨商負(fù)責(zé)將冷凍水管、冷卻水管、定壓補(bǔ)水接管、冷媒事故泄放管均預(yù)留至機(jī)房隔墻外0.5m考慮，并負(fù)責(zé)與風(fēng)水電安裝總承包商的管路和配電對(duì)接工作。

風(fēng)水電安裝總承包商責(zé)任：在裝配式冷凍站進(jìn)場前根據(jù)需要完成冷凍站機(jī)房內(nèi)部的地面平整工作；負(fù)責(zé)提供并敷設(shè)配電電纜至主機(jī)本體和群控柜接線端子處。

（2）與低壓配電的設(shè)計(jì)接口

低壓配電責(zé)任：低壓配電為冷水機(jī)組、水系統(tǒng)控制柜和群控柜提供電源，接口位置在控制柜進(jìn)線端子；低壓配電在冷水機(jī)房內(nèi)設(shè)弱電接地端子箱。

裝配式冷凍站供貨商責(zé)任：提供電纜截面、型號(hào)等參數(shù)要求；完成冷站內(nèi)設(shè)備及管道的接地；對(duì)群控系統(tǒng)進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)；配合低壓配電指導(dǎo)電纜的敷設(shè)安裝工作。

（3）與BAS的設(shè)計(jì)接口

群控系統(tǒng)提供冗余的串口或以太網(wǎng)接口，通過Modbus、BACnet、CONTROLNET等開放協(xié)議與BAS接口。接口數(shù)據(jù)線由BAS提供并敷設(shè)、接線。所有底層設(shè)備與BAS均無直接物理接口。

3 裝配式冷凍站與傳統(tǒng)冷凍站對(duì)比分析

與傳統(tǒng)冷凍站相比，采用裝配式冷凍站，招標(biāo)模式有所變化，其實(shí)現(xiàn)了設(shè)備管路優(yōu)化、工廠模塊化預(yù)制、現(xiàn)場直接組裝，縮短了現(xiàn)場施工周期，簡化了接口界面，節(jié)約了占地面積，提高了工程質(zhì)量。兩者的對(duì)比詳見表1。

表1 裝配式冷凍站與傳統(tǒng)冷凍站對(duì)比分析

4 結(jié)語

本文通過分析傳統(tǒng)冷凍站存在的一些問題，對(duì)鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）的實(shí)際情況進(jìn)行分析，提出采用裝配式冷凍站，可以有效的解決傳統(tǒng)冷凍站在設(shè)計(jì)、采購、施工、建設(shè)管理等過程中的一系列問題，并給出了具體應(yīng)用方案和對(duì)比分析，可供城市軌道交通相關(guān)工程參考。

目前，鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）機(jī)電設(shè)備（含裝配式冷凍站）尚處于招標(biāo)階段，需對(duì)后續(xù)實(shí)施過程和效果進(jìn)一步關(guān)注，特別是在裝配式冷凍站整體能效的提高上，本文未做過多敘述，待運(yùn)營后還需進(jìn)一步根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析。

總的來說，裝配式冷凍站是目前國家大力發(fā)展的裝配式建造技術(shù)的具體應(yīng)用，通過模塊化、集約化設(shè)計(jì)及工廠預(yù)制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場直接組裝，可以縮短施工周期，簡化接口界面，節(jié)約占地面積，提高工程質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)地下車站冷水機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)化布置，裝配式建造技術(shù)將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 甄敬斌.預(yù)制裝配式地鐵車站施工技術(shù)研究[J].低碳世界,2018,(3):268-269.

[2] 張瑞,劉昶,馮澤.基于BIM的城市軌道交通地下車站裝配式高效制冷機(jī)房應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2018,(1):99-103.

Application of Assembly Refrigeration Station in Urban Rail Transit Project

Lan Jie Yang Lizhen

(China Railway Siyuan Survey And Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

This paper analyzes the present situation of a traditional refrigeration station in the underground station of urban rail transit, Combined with a practical rail transit project from Zhengzhou airport to Xuchang (section in Zhengzhou), a proposition of assembly refrigeration station is presented. It can effectively solve a series of problems in the entire construction process of rail transit system from design to operation, and also a specific application scheme and comparative analysis are given. This can provide a reference for related projects.

Urban rail transit; Subway station; Assembly refrigeration station

TU96

A

1671-6612（2019）03-245-06

籃 杰（1978-），男，本科，高級(jí)工程師，E-mail：13149221@qq.com

2018-06-15