陳強(qiáng)

（福州軌道交通設(shè)計院有限公司，福建 福州 350000）

地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計的探討研究

陳強(qiáng)

（福州軌道交通設(shè)計院有限公司，福建 福州 350000）

作為地鐵車站運(yùn)行的一個重要子系統(tǒng)，地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)在滿足人們出行方便舒適性，保證人員乘坐環(huán)境、地鐵設(shè)備順暢運(yùn)行的同時，也因耗能大越來越受到重視。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)既要求可靠穩(wěn)定，又要求經(jīng)濟(jì)節(jié)能。本文僅從地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計中尋找出一些技術(shù)措施優(yōu)化設(shè)計。

地鐵車站；空調(diào)；冷卻水

受到現(xiàn)代城市地面區(qū)域空間不足、景觀道路影響限制，地鐵系統(tǒng)成為最常見的軌道交通形式，一般都處于城市地下。作為地鐵車站的一個重要子系統(tǒng)，地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)既為乘客創(chuàng)造了地面車站入口至地鐵列車內(nèi)的過渡性舒適環(huán)境，還為地鐵各系統(tǒng)專業(yè)設(shè)備房間提供符合工藝要求的運(yùn)行環(huán)境。

1 設(shè)計現(xiàn)狀及其問題

考慮到地鐵車站內(nèi)部巨大空間和人員、設(shè)備負(fù)荷，同時為了滿足日益重視的環(huán)境衛(wèi)生安全以及舒適度的要求，目前國內(nèi)城市地鐵車站絕大部分都采用全空氣系統(tǒng)的空調(diào)形式。這種系統(tǒng)形式能夠在過渡季、冬季利用室外空氣與室內(nèi)空氣的焓差負(fù)擔(dān)室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，并且在全新風(fēng)或通風(fēng)工況下，能夠改善深埋于地下的地鐵車站的空氣品質(zhì)，同時能利用回排風(fēng)機(jī)兼用排煙工況，因而在地鐵車站的空調(diào)設(shè)計中廣泛采用。一般典型的標(biāo)準(zhǔn)車站整體空調(diào)冷負(fù)荷約為1500kW（福州地區(qū)，并按遠(yuǎn)期高峰客流考慮），根據(jù)公共區(qū)及設(shè)備管理用房不同的使用功能設(shè)置若干臺末端組合式空調(diào)風(fēng)柜，冷源采用兩臺螺桿式冷水機(jī)組，配備相應(yīng)的冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔。

地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)即由上述中的冷水機(jī)組、冷卻水泵及冷卻塔構(gòu)成。冷水機(jī)組、冷卻水泵設(shè)置在地鐵車站地下站廳層的環(huán)控機(jī)房內(nèi)，冷卻塔一般就近設(shè)置在冷水機(jī)組側(cè)的室外地面通風(fēng)良好處，循環(huán)冷卻水通過冷卻塔進(jìn)行降溫處理。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)一般有規(guī)律可尋，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷一般隨季節(jié)、晝夜相差較大，在同一季節(jié)的單日正常運(yùn)營時間內(nèi)負(fù)荷基本保持穩(wěn)定，為了便于與冷水機(jī)組工況保持一致，設(shè)計時往往按與冷水機(jī)組一一對應(yīng)的方式配置冷卻水泵與冷卻塔。

為了便于闡述討論，按照上述標(biāo)準(zhǔn)站的空調(diào)負(fù)荷來設(shè)置兩臺冷水機(jī)組、兩臺冷卻水泵、兩臺冷卻塔，三者一一對應(yīng)。根據(jù)空調(diào)冷負(fù)荷1500kW，單臺冷水機(jī)組的冷量為750kW，不少設(shè)計人員因此根據(jù)冷水機(jī)組樣本對應(yīng)的冷卻水參數(shù)或者直接按照750kW的冷量輸入水力計算軟件得出的冷卻水量，選配相應(yīng)的單臺冷卻水泵及冷卻塔，此兩種設(shè)計思路是不妥的。冷卻水泵及冷卻塔的設(shè)計選型在地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計中是極為關(guān)鍵的一環(huán)，對循環(huán)冷卻水進(jìn)而對冷水機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著舉足輕重的作用。地鐵車站作為城市內(nèi)提供主要公共交通服務(wù)，擁有強(qiáng)大輸送能力的特殊公共建筑，即使在福州這樣目前僅開通一條地鐵線路的城市，近期人均載客量都已達(dá)到15萬人次/日，地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計的合理性對于保障地鐵系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能經(jīng)濟(jì)也顯得愈加重要，因為空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計直接關(guān)系到冷水機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計不當(dāng)輕則造成出水溫度不達(dá)標(biāo)，冷卻效果差，進(jìn)而影響冷機(jī)冷量的輸出，嚴(yán)重的甚至?xí)鹄錂C(jī)停機(jī)停轉(zhuǎn)。

2 冷卻水泵的設(shè)計選型

冷卻水泵的設(shè)計選型一般分為兩個步驟，水泵流量的計算確定和水泵揚(yáng)程的計算確定。

2.1 冷卻水量確定

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》第二版2058頁所列公式計算：

式中：G——冷卻水量，kg/s；

Q0——制冷機(jī)冷負(fù)荷，kW；

k——制冷劑制冷時耗功的熱量系數(shù)，對于壓縮

式制冷機(jī)，取1．2～1．3左右。

c——水的比熱容kJ/kg，取4．19。

tw1、tw2——冷卻塔的進(jìn)、出水溫度，℃；

壓縮式制冷機(jī)取4～5℃。

由于上述式中的G冷卻水量是以kg/s為單位，要換算成m3/h單位只需直接乘以3．6即可，k取1．25，c取4．19，tw1-tw2取5，將這些數(shù)據(jù)代入公式，按前述標(biāo)準(zhǔn)站的空調(diào)冷負(fù)荷1500kW，算出的冷卻水量G=3．6×1．25×1500/4．19/5=322m3/h。

我們看到計算出的冷卻水量考慮了水機(jī)制冷時的耗功，上述公式中的k值可以理解為就是1+1/cop，因此按公式算出來的冷卻水量比按水力計算軟件算出的冷卻水量一般偏大20%～30%左右。對比冷水機(jī)組樣本上的冷卻水量，有的廠家在產(chǎn)品樣本上會標(biāo)識出冷卻水側(cè)的進(jìn)出水溫度，各個廠家標(biāo)識的水溫各不相同，常見的有30/35、32/37甚至32/37．5等，設(shè)計人員在設(shè)計時應(yīng)小心查閱求證，根據(jù)實(shí)際情況咨詢水機(jī)廠家積極修正冷卻水量，切不可馬虎大意。

2.2 冷卻水泵的流量選型

我們知道水泵的并聯(lián)運(yùn)行會引起單臺水泵出水量的衰減，隨著并聯(lián)臺數(shù)的增多，每并聯(lián)上一臺設(shè)備所增加的流量越小，疊加效果就越差，這就是水泵的并聯(lián)特性。根據(jù)上述典型標(biāo)準(zhǔn)地鐵車站的冷卻水泵的設(shè)計配置，一般配置兩臺冷卻水泵并聯(lián)運(yùn)行，因此在地鐵車站冷卻水系統(tǒng)設(shè)計時就應(yīng)充分考慮這一因素。

由《流體輸配管網(wǎng)》圖7-1-11（水泵并聯(lián)運(yùn)行的工況分析圖）可以看出，兩臺水泵并聯(lián)運(yùn)行時，單臺水泵的流量衰減5%，兩臺水泵并聯(lián)后輸出的總流量為單臺流量的190%。根據(jù)這一特性，單臺冷卻水泵的選型值應(yīng)考慮并聯(lián)特性，亦即取單臺冷卻水泵計算值的110%作為選型值，根據(jù)上述計算的冷卻水量322m3/h，則單臺冷卻水泵的選型值確定為322×1．1/2=177m3/h。

2.3 冷卻水泵的揚(yáng)程計算

地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)一般為開式系統(tǒng)，僅在冷卻塔噴嘴處斷開，在冷卻塔集水池內(nèi)重新積聚，可以理解為類似U型管的壓力傳導(dǎo)形式，因此冷卻水泵的揚(yáng)程一般可由下式計算得出：

式中：H——冷卻水泵的揚(yáng)程；

H1——管路沿程阻力損失；

H2——管路局部阻力損失；

H3——設(shè)備阻力損失（水冷機(jī)組冷凝器阻力）；

H4——冷卻塔中水的提升高度（具體以實(shí)際冷卻塔廠家提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)）；

H5——冷卻塔中噴嘴的噴霧壓力（具體以實(shí)際冷卻塔廠家要求為準(zhǔn)）；

安全系數(shù)：地鐵系統(tǒng)一般要求為1．05～1．2之間，具體以總體設(shè)計要求為準(zhǔn)。

值得注意的是，冷卻塔設(shè)置位置的高度對冷卻水泵揚(yáng)程的影響僅僅體現(xiàn)在冷卻水系統(tǒng)管路的沿程、局部阻力損失上，不應(yīng)直接附加上冷卻塔設(shè)置位置的垂直高度。另外大多數(shù)設(shè)計人員在設(shè)計過程中為了規(guī)避不可預(yù)見的因素，例如施工質(zhì)量、水質(zhì)影響等，經(jīng)常加大各項阻力或者再放大安全系數(shù)，造成冷卻水泵的揚(yáng)程選型值比計算值、實(shí)際需求值偏大不少，這也間接增大了地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)中冷卻水泵的能耗，造成了不必要的浪費(fèi)。

3 冷卻塔的設(shè)計選型

有些設(shè)計人員根據(jù)上述的冷卻水量計算值直接選取冷卻塔，這種選型方法也是不妥的，這種設(shè)計思路忽略了影響冷卻塔處理水量的兩個關(guān)鍵因素：室外環(huán)境濕球溫度和冷卻塔進(jìn)出水溫度。

一般冷卻塔的樣本上會標(biāo)明冷卻塔型號的選型工況，例如入口水溫37℃，出口水溫32℃，室外濕球溫度28℃為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計條件。應(yīng)當(dāng)要注意的是，每個地區(qū)的濕球溫度都不一樣，例如根據(jù)氣象資料，福州地區(qū)夏季室外濕球溫度為28℃，而不遠(yuǎn)處的廈門則為27．5℃。另外相對濕度越高濕球溫度也就越高，例如夏季、雨季等等。冷卻塔的冷卻效果不但取決于水流量的大小，更取決于室外濕球溫度的變化。因此我們在選型時應(yīng)當(dāng)充分考慮當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境下的實(shí)際室外濕球溫度，因為氣象資料是過去歷史數(shù)據(jù)的檢測統(tǒng)計，而現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中感受到的氣象環(huán)境則更具有實(shí)際工程設(shè)計借鑒意義。

對比某冷卻塔廠家同一型號的冷卻塔在外部環(huán)境濕球溫度分別為27℃、28℃、29℃下的處理水量，按上述冷卻水量322m3/h，得出單臺冷卻塔計算冷卻水量為322/2=161m3/h，列表如表1。

表1

由表1可以看出，在環(huán)境濕球溫度由28℃上升為29℃時，同一型號的冷卻塔處理水量由167m3/h衰減為138m3/h，衰減了20%，也就是說當(dāng)室外濕球溫度為29℃時，冷卻塔的實(shí)際處理水量就只剩下冷卻水量計算值的80%。

根據(jù)以上工況分析，在地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)充分考慮這一環(huán)境因素的影響。地鐵車站的冷卻塔一般就近設(shè)置在車站地面出入口附近，由于處于地面，受到周邊冷卻塔濕氣流、低矮建筑物側(cè)壁、道路車流行駛的氣流擾動影響，實(shí)際環(huán)境濕球溫度早已不是標(biāo)準(zhǔn)工況下的狀態(tài)。再加上福州城區(qū)三面環(huán)山，一面環(huán)水，獨(dú)特的山水地理環(huán)境造就了臨海丘陵盆地的地形，福州地區(qū)近年來夏季高溫氣候不斷，夏季濕度高，濕氣不容易吹散，酷日炎炎下塔周溫度十分接近地面地表溫度（福州地區(qū)有監(jiān)測記錄的數(shù)據(jù)甚至到達(dá)過40℃），因此有必要對選型值進(jìn)行適當(dāng)放大，以保證夏季高溫酷暑下的空調(diào)季冷卻水處理水量滿足冷水機(jī)組冷凝器所匹配的循環(huán)水量。仍以上述典型標(biāo)注車站為例，單臺冷卻塔的選型值應(yīng)為322/2/0．8=201m3/h更為合理科學(xué)。

4 結(jié)語

通過以上對影響地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的各個部分因素進(jìn)行考究，以及通過設(shè)計演算，我們將冷卻水量計算值、選型值在冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔之間串聯(lián)銜接起來，倡導(dǎo)尊重實(shí)際工況環(huán)境下的精心設(shè)計，降低自然因素的復(fù)雜性和不可控性，保證地鐵車站空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，為踐行安全運(yùn)行、綠色地鐵做出努力。

[1]陸耀慶．實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊,第二版[M]．中國建筑工業(yè)出版社．

[2]付祥釗．流體輸配管網(wǎng)[M]．中國建筑工業(yè)出版社,2001．

[3]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所．全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施暖通空調(diào)·動力．

U231.4

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1671-0711（2017）09（上）-0136-03