涂旭煒

(廣州中咨城軌工程咨詢有限公司，廣州 510030)

0 引言

我國城市軌道交通處于建設高峰期，目前有近30個城市在建設中，同時有多個城市在開展前期研究與項目申報。城市軌道交通的運營將會大大改善城市交通環(huán)境，為市民出行提供方便、快捷、舒適的服務;同時，項目建設將消耗大量資源，運營將消耗大量能源。

通風空調系統(tǒng)是軌道交通能源消耗大戶之一，能源消耗點主要為系統(tǒng)設備(冷水機組、空調機組、通風機、水泵、冷卻塔等)，設備選型的合理性對系統(tǒng)能耗具有關鍵影響。通風空調系統(tǒng)設備選型基于設計參數(shù)，在參數(shù)確定過程中，先通過系統(tǒng)確定計算值，然后在計算值上計入適當?shù)倪x型附加系數(shù)以確定設備最終參數(shù)。影響設備參數(shù)的主要因素有系統(tǒng)方案的合理性、計算參數(shù)的準確性、選型附加系數(shù)取值的合理性等。本文就設備選型附加系數(shù)進行探討，期望為城市軌道交通通風空調系統(tǒng)選擇合適設備提供參考。

1 設計規(guī)范、手冊、技術措施等對選型附加系數(shù)的規(guī)定

GB 50159—2003《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》、《實用供熱空調設計手冊》、《全國民用建筑工程設計技術措施》等對通風空調系統(tǒng)設備選型參數(shù)附加系數(shù)作出了相關規(guī)定，主要規(guī)定歸納如表1［1-3］所示。

表1 設計規(guī)范、手冊、技術措施對附加系數(shù)規(guī)定匯總表Table 1 Addition coefficients provided in related existing design codes，handbooks and technical measures

從表1可看出，在規(guī)定設備選型附加系數(shù)時有以下特點:

1)風系統(tǒng)按特性進行了分類，根據(jù)系統(tǒng)特性不同，設備選型時的附加系數(shù)取值存在差異;

2)通風機采用變頻調速時，只對電動機的功率在計算值上進行了修正;

3)設計手冊、設計技術措施給出的附加系數(shù)在水泵上略有不同。

同時，《設計手冊》對水泵采用并聯(lián)運轉時的流量折減提出了相應要求，選型時可參照執(zhí)行。

2 相關城市軌道交通工程設計技術要求對設備選型附加系數(shù)的規(guī)定

表2為國內較具有代表性軌道交通線路的設計技術要求(包含已投入運營線路、已完成施工圖設計正在進行工程建設線路、正處于設計階段線路等)對通風空調系統(tǒng)設備選型附加系數(shù)規(guī)定的匯總表。

從表2可以看出，各工程在對設備選型附加系數(shù)作規(guī)定時存在以下問題:

1)系數(shù)取值及修正內容不盡相同，且與規(guī)范、手冊、措施規(guī)定不一致;

表2 相關城市軌道交通工程設計技術要求對通風空調系統(tǒng)設備選型附加系數(shù)匯總表Table 2 Addition coefficients of ventilation and air conditioning equipment selection provided in technical design measures for urban rapidrail transit works in relevant cities

2)未考慮通風機采用變頻調速時電機功率的修正;

3)水泵并聯(lián)運行時大部分線路沒有考慮流量的折減修正;

4)相關工程對空調機組的冷量不必要進行修正;

5)在修正壓力時，空調機組應為機外余壓、通風機應為全壓，大部分工程未進行區(qū)分;

6)都未考慮冷卻塔流量如何修正。

3 選型附加系數(shù)取值分析及建議

通風空調系統(tǒng)主要設備有空調機組、通風機、冷水機組、冷卻塔、水泵等。選型時可能需要修正的參數(shù):空調機組為冷量、風量、機外余壓、風機電機軸功率;通風機為風量、風機全壓、風機電機軸功率;冷水機組為冷量;冷卻塔為水流量;水泵為流量、揚程、水泵電機軸功率。

3.1 計入附加系數(shù)的原因分析

目前普遍認為需要修正的主要原因為:避免計算值偏小的修正;對系統(tǒng)客觀存在缺陷的修正。

3.1.1 計算不準確因素

當前許多設計對設備選型參數(shù)只做簡單估算，然后計入附加系數(shù)來確定最終參數(shù)，這種簡單工作方法在設計中應予避免。由于設備選型未做詳細計算及分析，從相關工程調試過程來看，往往實測參數(shù)比所選型設備參數(shù)(尤其是流量、壓力/揚程)偏大，造成了不必要浪費，同時給調試及運行帶來相關問題(如設備壓頭選擇過大，設備過載運行、電機發(fā)熱嚴重，以至影響電機正常使用壽命)。該因素不屬于正常的設計方法，本文不做詳細討論。

3.1.2 系統(tǒng)客觀存在缺陷因素

在系統(tǒng)運行過程中，考慮到風管和設備漏風可能導致室內參數(shù)(溫度、相對濕度、風速、有害物濃度等)達不到設計和衛(wèi)生標準要求，為了彌補漏風可能產生的不利影響，選擇通風機、空調機組時會考慮一定的附加系數(shù)。同時，對通風機、水泵并聯(lián)運行流量折減進行修正;設備運行環(huán)境與產品的設計標準存在差異的修正(如冷卻塔等)。

3.2 流量、壓力/揚程、軸功率間的關系式

3.2.1 水泵

設水泵計算流量G，m3/h;計算揚程H，m;軸功率NZ，kW。采用當量局部阻力法［4］有以下關系式:

式中S為水管系統(tǒng)的管道特性系數(shù)，與系統(tǒng)的局部阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)、管徑、管道長度等相關，當水系統(tǒng)方案穩(wěn)定后，S是一個常數(shù)。

同時有以下關系式:

式中:ρ為水密度，1 000 kg/m3;η為水泵效率，一般為0.5～0.8;S′為綜合管道特性系數(shù)。

從上述關系式可以看出:水泵的流量、揚程、軸功率之間相互關聯(lián)，在修正其中一個參數(shù)時，其他關聯(lián)參數(shù)將會隨之變化，如修正流量時，揚程將以平方關系變化、軸功率將以立方關系變化。

3.2.2 通風機(含空間機組的通風機)

設通風機計算風量Q，m3/h;計算全壓p，Pa;軸功率NZ，kW。當風系統(tǒng)方案穩(wěn)定后，按照水系統(tǒng)的方式類比，同樣可得出下列關系式［2］:

式中:η為風機效率;ηm為風機的傳動效率(電動機直連為100%、聯(lián)軸器連接為98%、三角皮帶傳動為95%);S′為綜合管道特性系數(shù)。

從上述的關系式可以看出，通風機的風量、壓力、軸功率之間相互關聯(lián)，在修正其中一個參數(shù)時，其他關聯(lián)參數(shù)將會隨之變化。

3.3 各設備選型附加系數(shù)分析

表1，2都對同一臺設備給予了多個參數(shù)修正，從式(1)—(4)來看，設備各參數(shù)間是相互關聯(lián)的，當對一個參數(shù)修正后，設備運行過程中其他參數(shù)將會自動實現(xiàn)調整;因此，建議在選型時，對同一臺設備只對其中一個主要參數(shù)實施修正，這樣選擇的設備不但能滿足系統(tǒng)運行要求，同時可以避免多個參數(shù)修正后設備容量的重復加大。下面對通風空調各類設備選型的附加系數(shù)進行分析。

3.3.1 冷水機組

冷水機組可能需要修正的參數(shù)為冷量。冷水機組容量由空調空間的冷負荷，風系統(tǒng)空調機組風機溫升、送風管道的冷量損失，水系統(tǒng)水泵溫升、水管冷損失等幾大部分組成。

3.3.1.1 冷負荷附加系數(shù)K1

當冷源供冷范圍確定后，最合理的冷源負荷計算方法是將整個供冷范圍作為一個“大房間”、綜合圍護結構、人員、照明、設備、新風等各類熱濕負荷同時進行逐時計算［5］。

但軌道交通車站空調負荷計算時難以將整個車站看成一個“大房間”來計算。常用的計算方法:首先，將車站公共區(qū)域看作一個“大房間”進行逐時負荷計算，以獲得公共區(qū)的空調負荷(大系統(tǒng)空調負荷);然后，對設備管理用房的各需要空調房間進行負荷計算，將各空間負荷合計以獲得設備管理用房空調的負荷(小系統(tǒng)負荷);最后，將大、小系統(tǒng)負荷進行疊加以獲總冷負荷。

從上面的計算方法可看出，大系統(tǒng)與小系統(tǒng)的負荷間、小系統(tǒng)各個空間負荷間會存在逐時負荷最大值不發(fā)生在同一時間區(qū)域的情況，形成了不同時間段的負荷疊加，使得計算結果比實際值偏大。由于常規(guī)計算方法的缺陷，據(jù)經驗，在確定冷源容量時應給予的附加系數(shù)K1=90%左右。

3.3.1.2 空調機組風機溫升、送風管道的冷量損失附加系數(shù)K2

1)風機溫升冷損失附件率估算。以大系統(tǒng)組合式空調機組為例，對常規(guī)的車站，一般組合式空調機組風機全壓在650～700 Pa(機組機外余壓450～500 Pa)，電機效率按80%計算，電機安裝在組合式空調機組內，此時送風溫升約為△t=0.82℃［3］，送風溫差一般為10℃，則大系統(tǒng)風機溫升冷損失附加率約為0.82/10=8.2%;而小系統(tǒng)空調機組的全壓相對小于大系統(tǒng)，風機溫升冷損失的附加率在5%［5］左右。按照常規(guī)車站采用屏蔽門系統(tǒng)時，大小系統(tǒng)負荷比例為70%∶30%計算的話，整個車站由于風機溫升造成的冷損失附加率= 8.2%×70%+5%×30%=7.24%。

2)送風管道冷損失附加率分析。由于大、小系統(tǒng)的空調送、回管均布置在車站內部，在選擇冷源容量作空調負荷計算時，將整個車站看作一個“大房間”來計算，風管的冷損失也是散發(fā)在“大房間”內部，因此，分管的冷損失的附加在此不應計算。

綜合上述風機、風管的冷損失的附加率后，K2=7.24%。

3.3.1.3 水泵溫升、水管冷損失附加系數(shù)K3

1)水泵溫升冷損失附加率估算。以分站供冷方式為例，冷凍水泵的揚程在30 m以下可以滿足要求，當水泵效率在80%左右時，則水泵引起冷凍水溫升約為0.09℃［3］，常規(guī)系統(tǒng)冷水機組供、回水溫差取5℃(供水7℃、回水12℃)，則冷凍水泵溫升冷損失附加率=0.09/5=1.8%。

2)水管溫升冷損失附件率分析。由于水系統(tǒng)的水管均布置在車站內部，在選擇冷源容量作空調負荷計算時，將整個車站看作一個“大房間”來計算，水管的冷損失也散發(fā)在“大房間”內部。因此，水管的冷損失的附加在此不應計算。

綜合上述水泵、水管管的冷損失的附加率后，K3=1.8%。

對于集中供冷系統(tǒng)，由于二級泵的揚程較大、冷凍水管敷設很長，其冷損失應通過詳細的計算來確定，在此不作詳細分析。

綜合上述K1，K2，K3，冷水機組選型附加系數(shù)K=K1+K2+K3=0.990 4，取K=1.0。

3.3.2 通風機

通風機可能需要修正的參數(shù)為風量、全壓、電機軸功率。對全壓可考慮進行適當?shù)男拚?風量修正主要是考慮風管的漏風因素，而軌道交通車站通風系統(tǒng)風管大部分布置在通風空間室內，同時對風壓進行修正將引起風量的相應變化，建議不對風量進行修正。因此，建議對通風空調及排煙系統(tǒng)通風機，采用定速運轉時只修正風機的壓力，參照表1，取壓力修正系數(shù)KP=1.15較為合適;當采用變頻調速時只修正電機軸功率，參照表1，取軸功率修正系數(shù)KN=1.15～1.2較為合適。

風系統(tǒng)管網(wǎng)方案穩(wěn)定后，從式(3)中可看出，S是常數(shù)，當修正后的壓力p′=1.15 p時，存在關系式:Q′=，即實際上風量進行了KQ=1.072的修正。

當通風機采用變頻調速時，風量、風壓可采用調節(jié)電機電源頻率來實現(xiàn)，為了防止頻率調高時電機過載運行，需對通風機軸功率進行適當?shù)男拚?。當取KN= 1.15～1.2時，根據(jù)式(4)可得關系式:

實際上風量進行了KQ=1.048～1.063的修正、風壓發(fā)生了Kp=1.098～1.13的修正。

3.3.3 空調機組

空調機組可能需要修正的參數(shù)為冷量、機外余壓、風量、電機軸功率。空調機組的通風機參數(shù)修正見“3.3.2”中的分析。對于冷量的修正，由于冷負荷計算值采用逐時負荷的最大值，而系統(tǒng)處于最大負荷運行時段比例不大;同時，當通風機風壓修正后會引起風量和空調機組供冷量變化，不應再對計算負荷進行修正。因此，空調機組建議只對其機外余壓進行修正，其他參數(shù)不作調整。

3.3.4 水泵

水泵可能需要修正的參數(shù)為流量、揚程、電機軸功率。此處只討論分站供冷工況，分站供冷的水系統(tǒng)一般采用一次泵、定轉速運行為宜，也不考慮水泵的變頻調節(jié)工況，因此不考慮電機軸功率的修正。

水系統(tǒng)水管不應存在滲漏損失，流量不應進行修正;對于水泵參數(shù)的修正，可參考通風機的修正方案，其原理相同，在此不做詳細討論。因此，建議只對水泵的揚程進行修正，取Kp=1.15，水泵的流量不應再作修正。此處的附加系數(shù)是指系統(tǒng)單臺水泵運行的修正，當水系統(tǒng)采用多臺水泵并聯(lián)運行時，對其流量應進行折減修正。

3.3.5 冷卻塔

冷卻塔可能需要修正的參數(shù)為水流量。冷卻塔的標準設計工況(非工業(yè)型)為［2］:進水溫度37℃，出水溫度32℃，設計溫差5℃，濕球溫度28℃，干球溫度31.5℃，大氣壓力99.4 kPa。

軌道交通空調冷卻水系統(tǒng)設計工況普遍采用冷水機組進水溫度32℃，出水溫度37℃，進出水溫差5℃，在冷卻塔選型時可作為恒定條件。冷卻塔的散熱主要是通過冷卻水的蒸發(fā)、水由液態(tài)變氣態(tài)的相變吸熱來達到冷卻水降溫的目的。而水的蒸發(fā)量與空氣的含濕量密切相關，空氣的濕球溫度是影響冷卻塔水蒸發(fā)的關鍵因素，也是冷卻塔選型應重點關注的因素。

根據(jù)全國各城市的室外氣象資料［2］，目前正在進行的軌道交通建設或規(guī)劃城市，長江流域以南城市的夏季室外計算干球溫度(空調)普遍超過冷卻塔的標準設計工況的31.5℃;而夏季空調室外計算空氣濕球溫度超過冷卻塔的標準設計工況28℃的城市有南京、合肥、南昌、福州、武漢、長沙等地。因此，冷卻塔在選型時應對比當?shù)氐氖彝鈿庀髤?shù)與冷卻塔標準設計工況，然后通過計算來確定冷卻塔實際需要的流量。由于冷卻塔選型計算過程較為復雜，可參考冷卻塔參考資料中的選型曲線進行計算。

3.4 各設備附加系數(shù)取值建議值匯總

通過“3.3”分析，對城市軌道交通通風空調系統(tǒng)設備選型附件系數(shù)建議的匯總見表3。

表3 城市軌道交通通風空調系統(tǒng)設備選型附加系數(shù)建議值匯總表Table 3 Proposed addition coefficients in ventilation and air conditioning equipment selection in urban rapid rail transit program

4 舉例計算不同附加系數(shù)取值存在的差異

利用地下車站大系統(tǒng)作為算例:空調季節(jié)大系統(tǒng)每d運行17 h(6:00—23:00)，電費按照1元/(kW· h)計算(只按照軸功率計算)?；?排機、空調機組(各2臺)采用定速運轉，通風機計算風量為30 000 m3/h、計算風機全壓為500 Pa;空調機組計算風量為40 000 m3/h、計算機外余壓為500 Pa(設機組本身風壓損失200 Pa，則風機全壓為700 Pa)、冷量300 kW。軸功率計算:空調機組配置高效離心風機，η一般為70%～85%，取η=75%，電機與風機采用三角皮帶傳動，ηm= 95%;回/排風機采用軸流風機，η一般不超過90%，取η=85%，電機與風機采用直聯(lián)傳動，ηm=100%。設備選型附加系數(shù)取值按照下面3種模式:

按文中推薦方案:只對通風機全壓、空調機組機外余壓進行修正，取K=1.15。

按設計規(guī)范、手冊、技術措施規(guī)定方案:參見表1中“匯總”欄，通風機風量取K=1.1，全壓取K=1.15;空調機組風量取K=1.1，機外余壓取K=1.15。

按軌道交通設計技術要求規(guī)定方案:參見表2中“匯總”欄，通風機風量取K=1.1，全壓取K=1.2;空調機組風量取K=1.1，機外余壓取K=1.2，冷量K=1.15。

大系統(tǒng)按照各種附加系數(shù)調整后的設備參數(shù)及運行費用見表4。

表4 不同附加系數(shù)方案大系統(tǒng)設備參數(shù)及運行費用對比表Table 4 Comparison and contract of parameters and cost of equipment with different addition coefficients

5 結論與討論

根據(jù)軌道交通工程通風空調設備運行環(huán)境及系統(tǒng)特性的分析，對于冷水機組，由于車站負荷主要受客流的影響，且冷負荷(尤其是大系統(tǒng))逐時最大值基本同時發(fā)生，建議機組選型負荷可直接采用計算負荷;對流體輸送設備(如通風機、水泵)，建議只對風壓(揚程)進行修正，不宜再對風量(水流量)進行修正;冷卻塔選型時，應對比實際的室外氣象參數(shù)與冷卻塔標準設計參數(shù)的差異，通過計算來確定冷卻實際流量。

對于通風機、水泵，按照現(xiàn)行設計規(guī)范、手冊、技術措施等規(guī)定，均要求對風量(流量)、風壓(揚程)同時進行修正。經過文中分析，由于參數(shù)間的關聯(lián)性，風壓(揚程)修正后風量(水流量)也隨著發(fā)生調整，因此文中建議不再對風量(水流量)進行修正，該觀點是否合適希望同行探討。

［1］ 中華人民共和國建設部.GB 50159—2003 采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2004:47-48.

［2］ 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:187-2056.

［3］ 住房和城鄉(xiāng)建設部工程質量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施:暖通空調·動力［S］.北京:中國計劃出版社，2009:63-157.

［4］ 賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993:67-68.

［5］ 涂旭煒.對確定制冷容量的幾點想法［J］.暖通空調，1992 (4):24-44.