地鐵車站單端大系統結合冷源設計

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【摘要】為優(yōu)化傳統地鐵車站大系統雙端送回風通風空調系統所存在的機房面積大、空間利用不充分、風水系統輸送能耗大以及管綜壓力大等問題，采用一種僅在車站設備區(qū)小端設置大系統單端送回風系統的通風空調方案。為進一步取消冷水機房，節(jié)省機房面積，以及減少設備初投資，提高制冷能效，降低運行能耗，實現節(jié)能的目的，大系統采用新型高效的水冷直接制冷式空調機組，大小系統冷源分設。本文介紹該系統在洛陽地鐵2號線九都西路站的應用情況，推薦今后設計合理采用此系統方案，并提出需注意的問題以及應對措施。

【關鍵詞】單端送回風系統；輸送能耗；節(jié)省機房面積；水冷直接制冷式空調機組；減少初投資；提高制冷能效；降低運行能耗；節(jié)能

引言

隨著城市軌道交通開通城市及線路越來越多，運行里程數越來越大，地鐵運行能耗大的問題凸顯，而其中地鐵通風空調系統的能耗占相當大的一部分，因此采取有效的節(jié)能措施，降低地鐵通風空調系統的能耗，對降低整個地鐵的能耗具有非常重要的意義。地鐵公共區(qū)作為典型的地下大空間建筑，其運行能耗又是地鐵通風空調運行總能耗的重要組成部分。因此公共區(qū)通風空調系統的優(yōu)化設計以及節(jié)能運行對于地鐵降耗具有舉足輕重的作用。

1大系統雙端送回風與單端送回風通風空調系統的比較

1.1機房占用面積、空間利用方面

傳統大系統雙端送回風通風空調系統在車站兩端設備區(qū)均設置有大系統機房，兩端各設置一臺組合式空調器、回排風機，大小系統機房合用設置，由于大系統組合式空調器與小系統空調器長度懸殊，故機房的縱向（車行方向）長度按組合式空調器長度設計，導致小系統空調器以及風機處縱向長度空間利用不充分，造成機房面積的浪費。單端送回風通風空調系統即僅在車站設備區(qū)小端集中設置2臺大系統的組合式空調器以及回排風機，設備區(qū)大端僅設置小系統機房，則大端機房長度按小系統設備長度進行設計，機房面積整體可縮減50~100m2。

1.2冷凍水系統輸送能耗方面

傳統大系統雙端送回風通風空調系統的冷水機組設置于大端設備區(qū)冷凍機房，為了給小端的組合式空調器提供服務，冷凍水管需跨越大端設備區(qū)以及整個公共區(qū)，輸送水管長度為350~400m，水利輸送阻力為70~80kPa，冷凍水泵揚程可達到26m左右。單端送回風通風空調系統將冷凍機房設置于車站設備區(qū)小端（與組合式空調器同一端），不僅可節(jié)省約300m水管投資，而且減小水利輸送損失。

1.3風系統輸送能耗、管綜壓力方面

傳統大系統雙端送回風通風空調系統的大端送、回排風管需跨越長長的設備區(qū)到達公共區(qū)，需克服送、回排風阻力約為200Pa；且送、回排風管面積一般均為1m2左右，如此大的風管需穿越大端設備區(qū)，造成大端設備區(qū)管線密集、擁擠、檢修不便等問題，一直是讓管綜頭疼的難題。單端送回排風通風空調系統設置于車站設備區(qū)小端，無須跨越設備區(qū)即可到達公共區(qū)，風管輸送距離減少，減小輸送能耗，也大大緩解了大端設備區(qū)的管線壓力。

2傳統冷源與水冷直接制冷式冷源系統方案的比較

2.1傳統冷源系統方案存在的問題

傳統冷源系統由冷水機組、冷凍水泵、空調器、冷卻塔、冷卻水泵以及冷凍水、冷卻水管路多個子系統組成，系統結構復雜。冷凍水側由冷水機組蒸發(fā)器換熱產生的冷凍水經冷凍水泵輸送至空調末端設備，空氣再與水進行二次熱交換，達到制冷的效果，存在熱交換損失。冷凍水管初投資大，且穿越公共區(qū)和設備區(qū)給管綜造成壓力。由于系統結構復雜，控制點位多，造成控制結構復雜，且控制不便。

2.2水冷直接制冷式冷源系統方案原理介紹

水冷直接制冷式冷源系統由水冷直接制冷式空調機組、冷卻水泵、冷卻塔以及冷卻水管路組成，其原理如圖1所示。水冷直接制冷式空調機組的主要功能段有磁懸浮變頻離心式壓縮機、蒸發(fā)器、水冷殼管冷凝器、電子膨脹閥、送風機等。采用冷媒直接膨脹蒸發(fā)將空氣降溫除濕后送風，省去了空調冷凍水循環(huán)系統，無須二次換熱能耗，集成了冷水機組和組合式空調器功能。

2.3水冷直接制冷式冷源系統方案的優(yōu)點

由于此系統組成簡單，機房內僅需設置冷卻水泵，節(jié)省了冷水機房的土建投資；省去冷凍水系統，無須二次換熱能耗，且節(jié)省了設備的初投資；由于水冷直接制冷式空調機組壓縮機采用磁懸浮軸承，無潤滑油，解決了機械軸承的回油問題，改善了冷量衰減問題，機組COP能提高15%以上；噪聲小，振動小，且調節(jié)范圍廣，可實現5%~100%的無級調節(jié)；系統架構簡單，控制接口少，便于維護。

3大系統單端送回風結合水冷直接制冷式冷源在地鐵車站的應用

3.1洛陽地鐵

2號線九都西路站的工程概況本站為洛陽市軌道交通2號線一期的第7個車站，為地下兩層（局部三層）的島式站臺車站，無換乘線路。本線采用B型車6節(jié)編組，有效站臺長度120m，站臺寬度12m，公共區(qū)長度約100m。車站外包總長189m，標準段外包總寬20.7m。

3.2該結合方案在九都西路站的應用情況

3.2.1公共區(qū)通風空調系統設計方案本站大系統機房集中設置于設備小端（右端），和右端小系統機房合設，設備大端（左端）僅設置小系統機房。大系統機房內設置水冷直接制冷式空調機組2臺，回排風機1臺。公共區(qū)采用設備小端（右端）單端送回風的全空氣一次回風通風空調系統，2臺水冷直接制冷式空調機組并聯運行，氣流組織為上部均勻送風，上部集中回風，回排風管僅引短管至公共區(qū)開設集中回排風口，回排風管不兼公共區(qū)排煙管。公共區(qū)排煙風機左右兩端各設置1臺，分別負責半個站廳和半個站臺的火災排煙。本站大系統單端送回風通風空調系統原理如圖2所示。站廳公共區(qū)長度約為92m，從設備小端（右端）機房內水冷直接制冷式空調機組引出2根送風支管至站廳公共區(qū)，共設置送風口28個，每根送風支管上14個；從該機房內回排風機引出1根回排風管至站廳公共區(qū)，設置1個集中回排風口；排煙系統風管雙端布置，在站廳公共區(qū)共設置排煙口12個。站臺公共區(qū)長度約為113m，從站廳設備小端（右端）的水冷直接制冷式空調機組引出1根送風支管至站臺公共區(qū)，共設置送風口28個；引出1根回排風管至站臺公共區(qū)，設置1個集中回排風口；排煙系統風管雙端布置，在站臺公共區(qū)共設置排煙口12個。

3.2.2公共區(qū)冷源系統設計方案本站大小系統冷源分設，大系統采用水冷直接制冷式冷源系統，小系統采用VRV系統。水冷直接制冷式冷源系統由水冷直接制冷式空調機組、冷卻水泵、冷卻塔組成。本站大系統采用單端送回風通風空調系統，2臺水冷直接制冷式空調機組設置于車站設備小端（右端），在小端（右端）大系統機房再增設2臺冷卻水泵即可。以本站為例，大系統的總制冷量為500kW，將大系統采用雙端送回風傳統冷源系統方案與采用單端送回風水冷直接制冷式冷源系統方案進行比較，如表1所示。由此可見，不管是從土建、設備、管道的初投資還是冷機的制冷性能系數以及空調總能耗來說，水冷直接制冷式冷源系統均比傳統冷源系統更有優(yōu)勢，優(yōu)點顯著。不僅減少了土建的初投資，也減少了通風空調系統的初投資，提高了制冷能效，而且使得運行能耗降低20%以上；水冷直接制冷式空調機組自帶智能控制系統，可自動調節(jié)運轉，現場調試操作方便，節(jié)省運維管理成本。

4設計中需注意的問題以及應對措施

4.1解決單端送風系統的水利不平衡問題

單端送風系統會比傳統雙端系統一根風管上設置更多的風口，如果不采取措施，水利不平衡率會很高，公共區(qū)的空調送風不均勻，導致公共區(qū)不同位置溫度的差異，降低人的舒適感。因此必須要采取必要措施，保證水利平衡。根據理論計算，在風管管徑可以任意選擇的情況下，是可以做到水利不平衡率接近于0的。然而，實際工程中，考慮到規(guī)范生產，統一標準，便于施工和加工精度等因素，風管的管徑不可能任意選擇。一般我們會選擇不同國標尺寸的風管，這樣就要注意風管的變徑設計，在均勻送風的原則下進行計算，需變徑時均變徑，最終也可將最大不平衡率控制在10%以內。

4.2建議單端集中回排風系統與雙端排煙系統獨立設置

單端回排風系統建議采用集中回排風，設置集中回排風口，則無須考慮管路的不平衡率造成的影響。排煙風管雙端設置，且與回排風管獨立設置。既可避免回排風兼排煙風管的天然弊端：因回排風量與排煙量不同，風管風速要求不同，共用風管必然要相互遷就風速，結果很難達到最佳的風速要求；又可規(guī)避調試困難的問題：共用風管會出現回排風管路調試平衡，但排煙工況時遠端風口風速極低，近端風口風速極高的現象，影響排煙效果。所以，回排風系統設置集中回排風口，且與排煙風管獨立設置，互不影響，既可避免回排風水利不平衡的問題，又可保證排煙效果。

4.3綜合考慮冷水機房在小端的設置條件

本文所述站點冷源系統形式為水冷直接制冷式冷源系統，故小端機房無須考慮冷水機房的增設條件。若在今后設計中單端送回風通風空調系統采用傳統冷源系統形式，則需考慮在小端設置冷水機房的條件。因小端條件有限，應與建筑專業(yè)密切配合，通過綜合調整設備區(qū)布局給冷水機房找出合理位置。推薦將單端送回風通風空調系統與水冷直接制冷式冷源系統形式結合設計。

5結語

單端送回風通風空調系統方案與水冷直接制冷式冷源系統方案的結合設計，在洛陽地鐵2號線全線得以應用，極大地降低了土建、通風空調系統的初投資以及風系統、水系統的運行能耗；采用智能化的控制系統，將風水的控制集成于一體，減少控制接口問題，使得控制簡單易調試；系統架構簡單，便于安裝維護。在通風空調系統的節(jié)能效果上，兩者的結合設計，可謂相得益彰。此設計為通風空調系統模式一次大的變革，對今后通風空調系統的節(jié)能設計提出新的思路，有非常重要的指導意義。

參考文獻

[1]吳益.單端設置機房地鐵車站公共區(qū)通風空調系統設計探討與實踐[J].暖通空調，2017（12）：54-57.

[2]中國建筑科學研究院.公共建筑節(jié)能設計標準：GB50189—2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015：21-24.

作者：張丹 單位：中鐵第六勘察設計院集團有限公司