周偉

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030）

1 引言

地鐵車(chē)站通風(fēng)空調(diào)按服務(wù)區(qū)域及范圍分為隧道通風(fēng)系統(tǒng)、公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、設(shè)備管理用房區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及水系統(tǒng)，其運(yùn)行能耗約占地鐵總耗能的25%～40%，其中水系統(tǒng)能耗占空調(diào)系統(tǒng)總耗能的45%左右。本文主要依托福州市軌道交通2號(hào)線工程，提出冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、調(diào)節(jié)閥門(mén)等設(shè)備的選型方法和運(yùn)行策略，確保水系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行。

2 設(shè)備選型及工況分析

2.1 冷水機(jī)組

冷水機(jī)組選型冷量應(yīng)按實(shí)際計(jì)算冷負(fù)荷直接選定，不做附加；如果計(jì)算冷負(fù)荷與機(jī)組的規(guī)格型號(hào)不匹配，應(yīng)保證機(jī)組選型冷量與計(jì)算冷負(fù)荷的比值不大于1.1。冷水機(jī)組的性能與工作條件（實(shí)際運(yùn)行工況）有關(guān)，離開(kāi)工況來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)組的性能沒(méi)有參考意義，比如冷水機(jī)組名義工況下蒸發(fā)器水側(cè)污垢系數(shù)為0.018m2.℃/kW，冷凝器水側(cè)污垢系數(shù)為0.044m2.℃/kW；而新機(jī)組性能測(cè)試時(shí)，冷凝器和蒸發(fā)器的水側(cè)應(yīng)被認(rèn)為是完全清潔的，實(shí)際污垢系數(shù)應(yīng)考慮為0m2.℃/kW，即新機(jī)組出廠測(cè)試的制冷量應(yīng)大于銘牌標(biāo)定的額定制冷量，這是我們工程設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的。關(guān)于冷水機(jī)組水側(cè)污垢系數(shù)修正溫差的計(jì)算詳見(jiàn)《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組》GB/T18430.1附錄C。福州2號(hào)線車(chē)站均分別設(shè)置2臺(tái)相同制冷量的機(jī)組，并通過(guò)通信接口將負(fù)荷數(shù)據(jù)上傳BAS系統(tǒng)，BAS根據(jù)負(fù)荷情況對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體策略如下：(1)單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)：如機(jī)組的負(fù)荷率＞90%，持續(xù)時(shí)間＞20min，且冷凍水出水溫度＞8℃，預(yù)計(jì)實(shí)際負(fù)荷還會(huì)繼續(xù)上升，則增加1臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行；(2)兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)：當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷率之和＜90%，持續(xù)時(shí)間＞20min，且冷凍水供水溫度＜7℃，預(yù)計(jì)實(shí)際負(fù)荷會(huì)繼續(xù)下降，則減少1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。

2.2 水泵

福州2號(hào)線冷凍水采用一級(jí)泵變流量系統(tǒng)，冷卻水采用一級(jí)泵定流量系統(tǒng)，水泵與冷水機(jī)組、冷卻塔一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。

2.2.1 水泵運(yùn)行工況分析

冷凍水泵按工頻運(yùn)行時(shí)的管路特性進(jìn)行計(jì)算選型，假設(shè)單臺(tái)水泵運(yùn)行的理論工況為圖1中的A點(diǎn)，但工程實(shí)際中，水泵特性基本不可能與管路特性完全匹配，比如管路特性曲線一定時(shí)，對(duì)水泵流量選型正確，揚(yáng)程選型偏大，相當(dāng)于圖1中水泵特性曲線由1變?yōu)?，即水泵銘牌的額定數(shù)值就是B點(diǎn)的參數(shù)，而水泵運(yùn)行的實(shí)際工況卻在C點(diǎn)，此時(shí)水泵超流量運(yùn)行，有燒毀電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 冷凍水泵運(yùn)行工況分析

冷卻水泵定流量運(yùn)行，假設(shè)單臺(tái)水泵的額定流量為Q，揚(yáng)程為H，兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的管路特性為曲線2，水泵特性為曲線2，系統(tǒng)的理論工況為圖2中的A點(diǎn)。

圖2 冷卻水泵運(yùn)行工況分析

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷降低，只有1臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)水泵的理論工況點(diǎn)C一定會(huì)落在單臺(tái)水泵實(shí)際運(yùn)行特性曲線1上，即通過(guò)O’和C兩點(diǎn)就可以確定水泵實(shí)際運(yùn)行特性曲線1；單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)阻抗會(huì)增大，循環(huán)管路的特性曲線由2變?yōu)?。此時(shí)單臺(tái)水泵的實(shí)際運(yùn)行工況在B點(diǎn)，水泵超流量運(yùn)行，有燒毀電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

以上僅是對(duì)水泵可能出現(xiàn)的某一種情況進(jìn)行分析，實(shí)際工程中水泵的功能特性與管路的阻力特性很難做到完全匹配，會(huì)出現(xiàn)偏離工況點(diǎn)運(yùn)行的情況，因此設(shè)計(jì)中需進(jìn)行詳細(xì)的水力計(jì)算，對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理選型，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2.2.2 冷凍水泵運(yùn)行策略

冷凍水泵啟動(dòng)時(shí)，初始運(yùn)行頻率設(shè)置為40Hz，按供回水溫差（設(shè)計(jì)溫差為5℃）進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，當(dāng)實(shí)際溫差大于5℃時(shí)提高頻率，反之則降低頻率，冷凍水泵的頻率變化速率按不大于2Hz/min控制。

冷凍水泵變頻運(yùn)行時(shí)，針對(duì)最不利空調(diào)末端可能出現(xiàn)壓力不夠的情況，還有設(shè)置最不利末端壓差保護(hù)功能，當(dāng)最不利末端壓差傳感器實(shí)測(cè)值小于設(shè)定值時(shí)，停止按照供回水溫差進(jìn)行的變頻控制，保持水泵當(dāng)前運(yùn)行頻率不變，具體策略如下：

如實(shí)測(cè)值小于設(shè)定值并且持續(xù)時(shí)間＞5min，則以2Hz/min的速度逐步提高水泵運(yùn)行頻率，直到實(shí)測(cè)值大于設(shè)定值，停止提高頻率，水泵保持當(dāng)前運(yùn)行頻率運(yùn)行。

如實(shí)測(cè)值大于設(shè)定值并且持續(xù)時(shí)間＞5min，恢復(fù)按照供回水溫差進(jìn)行變頻控制。

2.3 冷卻塔

冷卻塔是利用空氣濕球溫度較低的特點(diǎn)對(duì)冷卻循環(huán)水進(jìn)行等焓冷卻，進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)冷卻塔散熱效果影響較大，因此對(duì)冷卻塔的布置提出如下建議：

進(jìn)風(fēng)量保證措施。如圖3，如果圍避物鏤空率＜70% ，冷卻塔與圍避物的間距應(yīng)滿足S＞h1；如果S＜h1，則應(yīng)保證圍避物的鏤空率＞70%。

進(jìn)風(fēng)溫度保證措施。為防止冷卻塔氣流短路，其出風(fēng)口上方一定高度范圍內(nèi)，不應(yīng)有障礙物。如圖3，如果圍避物鏤空率＜70%，出風(fēng)口與圍避物頂部的高差（h2-h4）＞h1；如果（h2-h4）＜h1，應(yīng)保證圍避物的鏤空率＞70%，同時(shí)確保（h2-h3）＞h1。

圖3 冷卻塔布置示意圖

冷卻塔校核計(jì)算。冷卻塔不能僅根據(jù)循環(huán)冷卻水水流量進(jìn)行選型，還應(yīng)按照使用環(huán)境的實(shí)際工況進(jìn)行校核，具體可近似參考下式：

福州2號(hào)線冷卻塔定頻運(yùn)行，若冷卻塔有采用變頻風(fēng)機(jī)，可由設(shè)定的出水溫度直接控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.4 動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于空調(diào)水系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)，它一般與執(zhí)行器一起完成各種工況的控制任務(wù)，其中兩通閥門(mén)適用于變水量系統(tǒng)，三通閥適用于定水量系統(tǒng)。

調(diào)節(jié)閥是通過(guò)的流量系數(shù)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，流量系數(shù)是指在給定行程下，閥門(mén)兩端壓差為0.1MPa，水密度為1g/cm3時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的水流量，具體可參考下式：

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)支管路的壓降（可參考末端空調(diào)器水盤(pán)管阻力降）和流量計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的流通能力C，然后再對(duì)照閥門(mén)廠家的選型樣本曲線選擇合適的閥門(mén)即可。

2.5 壓差旁通閥

福州2號(hào)線冷凍水泵最低運(yùn)行頻率為25Hz，且冷水機(jī)組蒸發(fā)器對(duì)掠過(guò)的水流量仍有限值要求，因此壓差旁通閥應(yīng)按照變頻冷凍水泵和冷水機(jī)組蒸發(fā)器兩者之間最低流量限值的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。其中壓差旁通閥的初始?jí)翰钤O(shè)定值按單臺(tái)冷凍水泵滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，壓差旁通閥所在支管路與水系統(tǒng)并聯(lián)管路分流點(diǎn)和匯流點(diǎn)的實(shí)測(cè)壓差值確定，其具體控制邏輯參考如下：

當(dāng)末端冷負(fù)荷需求降低時(shí)，相應(yīng)末端設(shè)置的動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度會(huì)減小，管路阻抗S增大，為維持循環(huán)管路壓差恒定，冷凍水泵變頻調(diào)速，降低流量Q，如果水泵變頻到最低限流情況下管路實(shí)際壓差仍然大于壓差旁通閥設(shè)定的初始?jí)翰睿▽?shí)際流量＞末端需求流量），壓差旁通閥就會(huì)動(dòng)作，讓富裕的冷凍水回流至冷水機(jī)組以維持管路壓降不變。即壓差旁通閥的使命就是維持循環(huán)管路末端的壓差恒定，并滿足冷水機(jī)組和水泵最低流量限值要求。

3 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)際中應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，保證設(shè)備性能與管路特性相匹配，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠。根據(jù)設(shè)備特性和末端負(fù)荷特點(diǎn)，制定適合的運(yùn)行策略，確保系統(tǒng)高效運(yùn)行。因?yàn)椴煌褂铆h(huán)境的影響，導(dǎo)致設(shè)備實(shí)際使用工況與名義工況有所區(qū)別，建議根據(jù)廠家提供的參數(shù)對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行校核計(jì)算。