地鐵車站空調系統冷卻塔設置方式對地面環境影響分析

梁 艷，唐春華

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;2.深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

近年來，伴隨著各城市地鐵的陸續開通，雖然市民出行交通得到了便利，但沿線部分車站由于周邊用地條件限制及城市快速發展，冷卻塔設置位置與周邊的城市景觀不協調的現象逐漸凸顯;冷卻塔塔體的震動、散熱、飄水、軍團菌污染［1］、噪聲［2－4］等對周邊建筑和人流干擾也越來越明顯。地鐵車站建成后，因冷卻塔擾民問題遭投訴，最終導致搬遷、改造的事件屢見不鮮。

在國內有關供冷方式的相關研究中［5－7］，地鐵車站冷卻塔的布置方式仍以常規的地面冷卻塔為主，非常規的各種布置方式也有了一定探索和應用。本文主要從對周邊環境的影響和技術特點論述各種情況下冷卻塔布置方式的優缺點。在距離敏感點較近或沒有合適位置布置地面冷卻塔的車站，在方案比選初期，上述對比就不能滿足確立方案的判定依據。對各種布置方式的深入探討及對比研究就顯得尤為重要。本文除了對上述2方面進行詳細比較外，還對各種布置方式的初投資、運營費用進行了分析，全面地對各種方案進行綜合論述。

1 系統方案

國內地鐵車站空調制冷方式分為分站制冷和集中制冷2種方式。冷卻塔被廣泛用于冷卻空調制冷裝置的冷卻水，通過水與空氣直接或間接的熱質交換來達到冷卻目的。其過程是:熱水從塔內上部噴淋而下，經填料層分割成水滴微粒，與此同時，塔頂的抽風機將自然風自進風口處吸入，經過水滴微粒的表面將水中的熱量帶走。

地鐵線路穿越繁華地段時，地面冷卻塔的設置既要易于配管和配電、空間上方便操作維護和檢修，又要考慮對建筑物的視覺感官、運轉時對環境的影響及用地成本等因素，導致冷卻塔的選址越來越困難。而設計者對冷卻塔設置突破常規布置方式的探索和應用是解決工程矛盾的重要手段，以下對各種優化方案進行研究比較。

1.1 地面冷卻塔

地面冷卻塔設置在地面，塔體周邊空氣暢通，可以保證塔體與室外空氣進行充分的熱交換。常用的是橫流式低噪聲冷卻塔，流量一般≤400 m3/h。地面冷卻塔布置形式常與景觀結合，如圖1和圖2所示。這種方式換熱效率高、運營費用低、檢修維護方便，但部分車站由于地面條件限制，會產生以下幾個方面的問題。

圖1 與廣場結合冷卻塔Fig.1 Arranging cooling tower by combining with the square

圖2 出入口邊冷卻塔Fig.2 Arranging cooling tower nearby the entrance of Metro station

1)GB/T 7190.1—2008《玻璃纖維增強塑料冷卻塔》［8］要求，冷卻塔產品本身噪聲值≤66 dB(A)。GB 3096—2008《聲環境質量標準》［9］規定的功能區4a類晝間標準為70 dB(A)，夜間標準值為55 dB(A)。地鐵項目中，環境評價報告一般要求冷卻塔與周邊建筑物距離滿足≥15 m時，冷卻塔傳播噪聲的衰減會達到功能區的要求，但有敏感建筑物時，距離要求更大，這使冷卻塔選址更加困難。

2)當車站周邊地面無冷卻塔設置條件時，將冷卻塔設置在風亭頂部，這將破壞城市景觀，且不利于運營維護、檢修。

3)冷卻塔靠近人行道設置時，飄水和散熱會對行人產生不利影響。

4)塔體在長期使用后會滋生軍團菌，對空氣產生污染，進而影響周邊居民及行人健康。

1.2 下沉式冷卻塔

下沉式冷卻塔塔體全部或部分設置在地下基坑內，塔體距離基坑四周留有必要的進風空間，風速滿足冷卻塔的進風要求。若下沉基坑較深，冷卻塔出風則需加裝倒流彎頭以減小熱回流的影響。下沉式冷卻塔如圖3所示。

圖3 下沉式冷卻塔Fig.3 Sunk cooling tower

其優點是對地面景觀、周邊住戶與行人的散熱、噪聲影響較小;缺點是占地面積大、在基坑內易形成熱回流，導致冷卻塔換熱效率降低。根據冷卻塔廠家相關資料，基坑必須保證塔體周邊凈空至少滿足2 m，因此下沉基坑往往需要開挖得很大。

下沉式冷卻塔在深圳地鐵、上海地鐵、廣州地鐵都已投入運行，基本可以滿足空調水系統的運行要求。

1.3 地下封閉式冷卻塔

封閉式冷卻塔設置在地下封閉空間內，通過進、排風亭進行熱量交換，在上海地鐵和成都地鐵中已經有應用。

其優點是解決了冷卻塔放置在地面的各種問題;缺點是增大了地面風亭體量，增加了土建造價，冷卻塔換熱效率較差，導致設備初投資及運營維護費用增加。

目前有3種地下封閉式冷卻塔的設置方案。

1)方案1。采用新風亭進風，冷卻塔出口結合地面設置，直接排向大氣。塔體出口可結合地面綠化隱蔽布置，對城市景觀影響較小。具體布置情況見圖4。

2)方案2。采用新風亭進風，冷卻塔出口排風通過風管集中排至排風井，由排風亭統一排到大氣中。并在新、排風井設置風機，當自然通風無法滿足冷卻塔參數設定值時，開啟風機進行機械送、排風。由于采用側進上排式冷卻塔，對地下空間凈高要求較高。具體布置情況見圖5。

圖4 方案1:地下封閉式冷卻塔Fig.4 Closed underground cooling tower:Option I

圖5 方案2:地下封閉式冷卻塔Fig.5 Closed underground cooling tower:Option II

3)方案3。與第2種設置方式基本一致。不同的是采用側進側排式冷卻塔或離心風機側面壓入式進風上部排風冷卻塔，可以有效降低地下空間凈高要求。側進側排式冷卻塔由于只有一側進風，其換熱效率比兩側進風大為降低，導致冷卻塔的用地面積加大。離心風機側面壓入式進風上部排風冷卻塔排風壓頭較高，無需在風井設置輔助排風機就能將熱氣排出室外，但是由于冷卻塔排風量大，當提高風機壓頭后引起電機功率較大幅增大，長期運營費用高。這種布置方式在實際工程中應用甚少。

1.4 蒸發式冷水機組

蒸發式冷水機組［10－12］是把冷卻塔和冷凝器合二為一，取消了冷卻水系統，減少了冷卻水與冷媒之間能量傳遞的損失。

蒸發式冷水機組已取消冷卻塔設置，因此冷凝排風成為對環境影響的主要因素。由于單位冷量機組的冷凝排風量為冷卻塔排風量的60% ～70%，風量較小，機組可以在室內安裝，并設置風機進行強制排風。

蒸發式冷水機組在民用領域已有應用，并有成熟的運營經驗，但在地鐵領域還處于方案研究和實際落實階段，已在北京地鐵改造、重慶地鐵、武漢地鐵部分車站得到了應用。其布置如圖6和圖7所示。

2 方案比選

集中供冷在廣州地鐵中已有應用，并進行了各方面經濟、技術比較，是一套相對成熟的系統，本文不再詳細介紹。下文以分站供冷為前提，對解決冷卻塔問題的各種方案進行比較分析。

以一個2層的標準地下站為例:車站總計算冷量為2×680 kW，機組冷凍水側的溫差為7/12℃、冷卻水側溫差為32/37℃，計算冷凍水量為2×117 m3/h，冷卻水量為2×140 m3/h，冷卻塔流量為2×196 m3/h。

圖6 蒸發式冷水機組示意圖Fig.6 Evaporative chiller

圖7 蒸發式冷水機組布置示意圖Fig.7 Layout of evaporative chiller

以下對不同布置方式的冷卻塔方案從對周邊環境的影響、技術特點、設備及土建造價、運營費用等方面進行分析比較。對周邊環境的影響比較見表1，技術特點比較見表2，工程初投資情況比較見表3，運營費用比較見表4。

表1 對周邊環境影響比較Table 1 Influence of different cooling tower arrangement modes on surrounding environment

通過表1的比較可以看出，地面冷卻塔對城市景觀及地鐵周邊環境噪聲影響最大。若地面冷卻塔設置位置距離敏感點較近，一般可根據噪聲源的位置采取有針對性的處理措施。噪聲源主要為冷卻塔風機噪聲和冷卻塔進風口傳播的淋水噪聲。根據產生原因可在以下幾方面采取措施:1)冷卻塔頂部風機出風口增加消聲器;2)在冷卻塔與敏感點間增設百葉式隔聲吸聲屏障;3)冷卻塔落水盤增加消聲毯等。以上措施均可有效降低冷卻塔傳播的噪聲，在工程中均有實施的案例。

表2 技術特點比較Table 2 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of technical features

通過表2的比較可以看出，各布置方式在技術上均可行。封閉式冷卻塔是以犧牲能耗為代價來減少塔體對周邊的各種不利影響，并增加維護費用;下沉式冷卻塔需考慮足夠的換氣空間，往往需較大的基坑來滿足換熱效果;蒸發冷凝式冷水機組在地下封閉空間運行暫無工程實例，機組尺寸大，對設備的運輸、檢修、維護、使用壽命都無經驗借鑒，其他地鐵也只在嘗試階段。

表3中各方案的設備單價是通過市場詢價取得。通過初投資比較發現:地面冷卻塔造價最低，封閉式造價最高，下沉式造價居中，蒸發冷凝式冷水機組造價稍高于地面冷卻塔。

表3 工程初投資匯總表Table 3 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of initial investment 萬元

表4 運營費用匯總表Table 4 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of operation cost

表4中運營費用按車站每天運行18 h，全年空調水系統同時使用系數0.6，電價按0.68元/(kW·h)計算。通過比較發現，地面冷卻塔造價最低，封閉式中采用離心風機的運營費用最高，下沉式運營費用居中，蒸發冷凝式冷水機組稍低于地面冷卻塔。

3 結論與建議

根據各方案經濟、技術比較，對地鐵車站，建議采用因地制宜策略。

1)優先采用地面冷卻塔方案。對于距離敏感點過近的冷卻塔，可在方案階段加入降噪處理措施。

2)當影響地面景觀，且具備綠化條件時，可采用下沉式冷卻塔。

3)當地面條件困難，可采用封閉式冷卻塔和集中供冷方式。

4)蒸發冷凝式冷水機組方案從長期運營的角度是整體投資最低的方案。由于在地鐵中沒有得到廣泛應用，特別是在封閉的環境下無準確的數據依據，還需要在設備安裝、運輸維護、運行安全、噪聲控制等方面積累經驗。

隨著城市化進程步伐的加快和人們對生活環境、品質要求的不斷提高，地鐵工程的冷卻塔暴露出的擾民問題越來越明顯。為了減少地鐵建設與環境保護、規劃等的協調工作，減少對市民的擾動，在地鐵建設的前期方案中應根據環境評價要求，以人為本，針對地鐵車站的規模、形式采取適當的冷卻塔布置方式及對應的措施，摒棄以往地鐵建設被動情況為設計方案主動，真正做到設計先行，從而避免建成后的改造及搬遷。同時，在新技術、新工藝不斷涌現的現代社會，應用于地鐵行業的冷卻技術的進步必將為地鐵建設帶來新的突破。

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