米青松

(中鐵現(xiàn)代勘察設計院有限公司， 300301， 天津∥工程師)

地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)能耗在地鐵總能耗中的占比較大,降低通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗已成為地鐵節(jié)能的重要措施之一。與此同時，國內(nèi)經(jīng)過多年的城市軌道交通建設，地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的設計、運營積累了豐富的經(jīng)驗。地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的模式趨于成熟和固定，為總結分析系統(tǒng)規(guī)律和設計參數(shù)范圍、研究空調(diào)系統(tǒng)的共性特征提供了條件。

地鐵車站冷水系統(tǒng)循環(huán)水泵的運行能耗約占地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的15%[1]。冷水系統(tǒng)的輸配節(jié)能是車站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要部分。GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》中對通風空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源、輸配系統(tǒng)、末端系統(tǒng)提出了明確的節(jié)能標準。其中，輸配系統(tǒng)的節(jié)能控制參數(shù)主要是空調(diào)冷水系統(tǒng)的耗電輸冷比E。該標準要求冷水系統(tǒng)的輸冷比計算值不能大于系統(tǒng)輸冷比的節(jié)能判定值。

本文通過對典型地鐵車站冷水系統(tǒng)循環(huán)阻力的總結分析，提出冷水系統(tǒng)循環(huán)水泵揚程的常規(guī)取值范圍。在此基礎上，研究典型車站冷水系統(tǒng)耗電輸冷比常規(guī)計算結果，給出水泵選型一致的一次泵耗電輸冷比計算簡式和水泵揚程限值圖，以方便設計人員在設計初期對地鐵車站冷水系統(tǒng)循環(huán)阻力的限值進行預估。最后，提出地鐵車站冷水系統(tǒng)滿足節(jié)能標準耗電輸冷比限值的控制措施。

1 冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的計算公式

冷水系統(tǒng)耗電輸冷比E是冷水系統(tǒng)輸送單位冷量所需要的能耗，其計算式如下：

E=0.003 096∑(GH/ηb)/Q≤A(B+α∑L)/ΔT[2]

(1)

式中：

G——每臺運行水泵的設計流量，m3/h；

H——每臺運行水泵對應的設計揚程，m(1 m水柱=10 kPa)；

ηb——每臺運行水泵對應的設計工作點效率；

Q——車站設計冷負荷，kW；

A——與水泵流量有關的計算系數(shù)；

B——與機房及用戶的水阻力有關的計算系數(shù)；

∑L——從機房出口至該系統(tǒng)最遠用戶供回水管道的總輸送長度，m；

α——與ΣL有關的計算系數(shù)；

ΔT——規(guī)定的計算供回水溫差，℃。

2 地鐵車站空調(diào)冷水系統(tǒng)及循環(huán)阻力分析

如圖1所示，典型地鐵車站空調(diào)冷水系統(tǒng)為冷水機組定流量運行的一級泵變流量系統(tǒng)，末端空調(diào)機組設水路兩通閥，通常配置2臺水冷螺桿式冷水機組。本文首先對典型車站冷水系統(tǒng)的阻力進行分析，選取式(1)所需的各項參數(shù)，再對耗電輸冷比進行計算分析。

注:實線為供水管;虛線為回水管;Δp為壓差閥。

2.1 車站冷水系統(tǒng)的阻力分析

車站冷水系統(tǒng)阻力包括機房內(nèi)阻力和末端側阻力，以分水器及集水器為界。

2.1.1 冷水系統(tǒng)機房內(nèi)阻力分析

基于實際運行情況，車站冷凍機房內(nèi)冷水系統(tǒng)各阻力計算參數(shù)選用值如下：車站內(nèi)分水器及集水器冷凍機房側水循環(huán)沿程阻力通常為8～15 kPa，本文取10 kPa(即1 m水柱)；冷水機組蒸發(fā)器阻力不大于70 kPa，本文取70 kPa(即7 m水柱)；機房內(nèi)管道局部阻力損失一般不小于30 kPa，本文取40 kPa(即4 m水柱)；冷凍水泵出水管側的全自動水處理器阻力不大于30 kPa，本文取30 kPa(即3 m水柱)。由此，車站冷水系統(tǒng)機房內(nèi)阻力合計為15 m水柱。

2.1.2 冷水系統(tǒng)末端側阻力分析

地鐵車站冷水系統(tǒng)末端側管網(wǎng)主要包括由設備集中端1臺組合式空調(diào)機組和3臺小空調(diào)機組(分別服務于人員房間、弱電設備房間、變電所房間)組成的供回水管路，以及由設備非集中端1臺組合式空調(diào)機組和1臺小空調(diào)機組組成的供回水管路。各空調(diào)機組的阻力分別為：

1) 車站兩端各設1臺組合式空調(diào)機組，分別負擔車站公共區(qū)的一半空調(diào)冷負荷。2臺空調(diào)機組的選型相同，其機組制冷量一般為300～550 kW。典型地鐵車站計算選型風量為75 000 m3/h，表冷器按6排管制冷量400 kW考慮，水阻力不大于50 kPa，組合式空調(diào)機組機外余壓為600 Pa。

2) 設備集中端人員房間空調(diào)機組和非集中端小空調(diào)機組的制冷量一般為40～85 kW，典型車站計算選型表冷器制冷量為50 kW，表冷器水阻力約為30 kPa。

3) 弱電設備房間空調(diào)機組制冷量一般為210～320 kW，典型車站計算選型表冷器制冷量為250 kW，表冷器水阻力約為50 kPa。

4) 變電所房間空調(diào)機組制冷量一般為100～250 kW，典型車站計算選型表冷器制冷量為150 kW，表冷器水阻力約為50 kPa。

通過負荷和流量的估算，冷水系統(tǒng)末端側管網(wǎng)阻力的計算結果如表1所示。

表1 冷水系統(tǒng)末端側管網(wǎng)阻力計算 單位：m水柱

由表1可知，車站冷水系統(tǒng)的最不利環(huán)路為設備非集中端組合式空調(diào)機組的供回水管路。冷水系統(tǒng)末端側管網(wǎng)的最不利環(huán)路循環(huán)阻力為16.0 m水柱。

2.1.3 冷凍水泵揚程取值

由上文可知，典型車站冷水系統(tǒng)計算管道阻力為機房內(nèi)阻力和末端側阻力之和，計算值為31.00 m水柱。因此，在典型地鐵車站E的計算中，G取123 m3/h；考慮1.15倍安全系數(shù)，H取35.65 m。

2.2 其余參數(shù)的選取

1) 一般的地鐵地下線路，設備集中和客流集中的車站其空調(diào)冷負荷較大，非設備集中站和線路端頭車站的空調(diào)冷負荷通常較小。冷水機組制冷量選型范圍一般在500～800 kW之間。由此，典型地鐵車站計算選擇制冷量為650 kW的螺桿式冷水機組2臺，則Q取1 300 kW。

2) 冷水系統(tǒng)的供水溫度、回水溫度分別為7 ℃、12 ℃，則ΔT為5 ℃。

3) 根據(jù)天津某地鐵線招標后水泵選型設計文件，其車站水泵的綜合效率普遍在0.7～0.8之間，故在典型地鐵車站E的計算中，ηb取0.75。

4) 常規(guī)的地鐵車站主體長度為180～300 m，冷凍機房到非設備集中端空調(diào)機房的距離一般為150 m～250 m，車站的冷凍機房到非設備集中端空調(diào)機房供回水管道的總長度ΣL一般為350 m～550 m,故在典型地鐵車站E的計算中，ΣL取450 m。

5) 當60 m3/h

2.3 冷水系統(tǒng)E的計算

將上文得到的計算參數(shù)代入式(1)，可得到典型車站冷水系統(tǒng)E為0.027 847 806。由GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》可知，E的判定值為0.028 39488。因此，根據(jù)本文典型車站選取的計算參數(shù)，E的計算值小于判定值，滿足節(jié)能設計標準的規(guī)定。但是，E的計算值與判定值較為接近，在設計過程中需要嚴格控制管道阻力和水泵設計效率，否則容易導致超標。

3 地鐵車站冷水系統(tǒng)E值分析

地鐵車站冷水系統(tǒng)的形式相對固定和簡單。典型車站通常設置2臺電動壓縮螺桿式冷水機組，冷水循環(huán)系統(tǒng)設置2臺選型相同的冷凍水泵。當冷水系統(tǒng)為循環(huán)水泵型號一致的一次泵系統(tǒng)時，G、Q的計算式為[3]：

G=KP/(1.163ΔT)

(2)

Q=nP

(3)

式中：

K—水泵流量附加系數(shù)；

P—單臺水泵所負擔的冷負荷，kW；

n—水泵臺數(shù)。

考慮各地鐵車站的實際設計情況，K取1.1，n取2。將式(2)、(3)式代入式(1)，E的計算式可進一步簡化為：

E=0.000 585 658H/ηb

(4)

由式(4)可知,對于水泵選型一致的一次泵冷水系統(tǒng)，E只取決于循環(huán)水泵的揚程H和效率ηb。式(1)中的A、B、ΔT均為固定值，根據(jù)ΣL是否大于400 m，α有2種取值。因此，在計算得出不同水泵效率情況下，ΣL對應的水泵揚程限值圖如圖2所示。

圖2 水泵揚程限值圖

在冷水系統(tǒng)管道設計前，可通過查詢圖2，根據(jù)ΣL和ηb來確定滿足輸冷比要求最大的H值，從而有效減少冷水系統(tǒng)設計過程的反復調(diào)整次數(shù)。例如：如某車站ΣL為450 m、ηb選0.75時，查圖2可得到H不應大于36 m。

考慮到ηb為水泵的綜合效率，其值達到0.7～0.8，已屬高效節(jié)能[4]。因此，通過節(jié)能設計標準推算得到的H對地鐵車站冷水系統(tǒng)的循環(huán)水泵阻力選型影響較大。按目前水泵常用的設計效率，查圖2可知，H不宜大于40 m。

一般情況下，地鐵車站冷凍機房內(nèi)阻力較為固定，其值一般為15 m水柱左右。由此，H取決于最不利環(huán)路的循環(huán)阻力。由上文可知，地鐵車站冷水系統(tǒng)的最不利環(huán)路是通往設備非集中端組合式空調(diào)機組的供回水管路。對最不利管路壓降進行估算(見表2)，循環(huán)水泵的選型壓力為冷凍機房內(nèi)阻力與最不利管路壓降之后并附加安全余量,通常在29～44 m水柱之間。

在實際的設計過程中，H容易出現(xiàn)大于40 m的情況，需要通過冷水系統(tǒng)管路優(yōu)化將H控制在40 m以內(nèi)。由此可進行反向推算，由于冷凍機房和表冷器的水阻力為固定值，最不利環(huán)路的沿程阻力不宜大于10 m水柱。ΣL的常用取值450～500 m，比摩阻為200～220 Pa/m，因此建議地鐵車站冷水系統(tǒng)最不利環(huán)路的比摩阻不宜大于200 Pa/m。

表2 典型車站最不利環(huán)路壓降估算

4 結論

1) 在典型地鐵車站冷水系統(tǒng)的設計中，輸冷比容易超過節(jié)能設計標準規(guī)定的限值。因此，在冷水系統(tǒng)設計前，根據(jù)冷水系統(tǒng)管路最大長度提前掌握水泵揚程限值是必要的。

2) 本文提供了冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的簡化計算式，以及滿足節(jié)能設計標準耗電輸冷比要求的水泵揚程限值圖。當水泵效率固定時，地鐵車站冷水系統(tǒng)耗電輸冷比取決于循環(huán)水泵設計揚程。

3) 為滿足運行節(jié)能要求，地鐵車站冷水系統(tǒng)需嚴格控制管路阻力損失。建議冷凍水泵的設計揚程不宜大于40 m，冷水系統(tǒng)最不利環(huán)路的比摩阻不宜大于200 Pa/m。