毛細管供冷系統在城市軌道交通地下車站中的應用探索

李長春　郎平

摘 要：簡要介紹了毛細管供冷系統的工作原理及其優勢，通過分析城市軌道交通地下車站的空調負荷特點，評估毛細管供冷系統在地下車站中的適用性。對比不同工況下的能耗和經濟性，闡述了毛細管供冷系統與傳統地鐵環控系統的節能和經濟優勢。

關鍵詞：毛細管供冷系統；地鐵；節能；溫濕度獨立控制

中圖分類號：U231.4；TU831.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.076

1 毛細管供冷系統簡介

毛細管網柵管徑為3.4 mm×0.55 mm 或4.3 mm×0.8 mm，網柵間距為10 mm，大量液體在管道中均勻分配，流入導管中。毛細管內通16 ℃/21 ℃（供水/回水）的冷水，能量在用戶和有效傳熱表面之間以輻射的形式傳輸，這種方式符合所有生物自然形式下的主要體溫調節方式。因此，通毛細管系統采暖或制冷會使房間內的用戶感覺非常舒適，并由此提高了其運行效率。

另外，毛細管供冷系統利用高溫冷水大大節約了能源系統（制冷機）的運行費用，延長了使用壽命，減少了重復投資，同時，節約安裝空間也進一步降低了土建成本。

2 可行性評估

2.1 城市軌道交通地下車站負荷特性

城市軌道交通地下車站內包括公共區（站廳、站臺）和設備管理區。公共區環控系統常稱大系統，設備管理區環控系統常稱小系統。

大系統環控負荷特性有以下四大規律：①負荷波動性比較大，但是，波動率與室內人員的數量有直接關系；②室內濕負荷波動性比較大，但是，波動率與室內人員數量有直接關系；③室內負荷是由一部分（46%～81%）的穩定負荷構成（維護結構負荷、照明負荷、設備負荷）；④滿足使用條件的新風指標高，新風供冷能力大于波動部分冷負荷。

小系統管理用房負荷特性與普通辦公類似，比較適用于溫濕度獨立控制環控系統中。在此，不在贅述這部分內容。

2.2 項目應用適應性結論

通過分析城市軌道交通負荷特性和毛細管仿生供冷系統的應用適應性，可得出以下結論：①地下車站公共區（大系統）可利用毛細管仿生供冷系統承擔穩定部分負荷。滿足使用條件（屏蔽門漏風）新風送風量指標遠大于滿足衛生要求新風量指標，其絕對濕度差充分滿足室內濕負荷需求和目前新風處理設備處理能力的需求，新風供冷能力大于室內冷負荷波動部分指標滿足溫度控制要求。②地下車站設備管理區（小系統）負荷特征與毛細管仿生供冷系統應用適應性比較吻合。③以毛細管仿生供冷系統為手段的溫濕度獨立控制環控系統在城市地下軌道交通地下車站的應用是可行的。

3 項目運用簡介

傳統的地下車站環控系統設置方案如下：①車站公共區通風空調大系統采用全空氣一次回風系統，雙端送風；②根據各房間的使用功能和不同使用環境等要求，設置4個全空氣一次回風空調系統，每個系統包括1臺柜式空調器和1臺回排風機；③在站廳層設冷凍機房，負責整個車站空調設備所需的冷凍水。

毛細管供冷系統設置方案如下：①車站公共區采用頂板輻射加側墻冷卻柜的供冷方式，新風經新風空調機組處理后送入公共區，由出入口和屏蔽門自然排出。②車站小系統根據功能的不同，采用不同的空調方式。人員房間采用頂板輻射供冷，弱電設備用房采用頂板輻射加側墻冷卻柜輔助供冷方式，變電所房間采用的是傳統的一次回風空調系統。③車站冷源采用高溫冷水系統。冷凍水系統供水/回水溫度按16 ℃/21 ℃計算，冷卻水供水/回水溫度為32 ℃/37 ℃。冷凍水系統采用二次泵變水量閉式循環系統。

4 節能性初步評估

4.1 設計工況能耗指標對比

針對已經實施的2個地下車站（簡稱“車站一”和“車站二”），對比設計工況下2種不同空調形式的能耗指標。方案一為傳統的地鐵環控系統，方案二為毛細管網輻射供冷系統，將2種不同環控模式在設計工況下，能耗指標（w/m2）對比情況如圖1所示。

從圖1中可以看出，在標準設計工況下，方案二遠比方案一節能，且節能潛力很大。

4.2 室外大氣環境變化對能耗影響對比分析

4.2.1 環控負荷變化的對比分析

室外大氣環境變化對環控系統負荷的影響主要表現為新風負荷變化。對于空調季節新風量標準相同、室內設計狀態（干球溫度、相對濕度）相同的各方案而言，新風負荷變化對能耗的影響主要反映在新風處理方式的性能系數差別上，性能系數越高，節能經濟性就越好。方案一將新風與回風混合后，經空氣處理機組降溫除濕。新風處理方式下的冷熱源系統綜合性能系數就是反映冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的綜合性能系數。方案二新風處理采用高溫冷水預冷加專用冷源的新風處理方式。由于預冷工況與方案一的回風工況基本接近，所以，其新風處理方式下的冷熱源系統綜合性能系數就是反映高溫冷水機組、一次冷凍水泵、新風預冷的二次能動水泵、冷卻水泵、冷卻塔的綜合性能系數。各方案新風處理方式下的冷熱源系統綜合性能系數（w/w）對比情況如圖2所示。

由圖2可知，隨著室外大氣環境的變化（偏離設計工況），方案二比方案一的節能性好。

4.2.2 冷熱源設備能效的對比分析

室外大氣環境變化對冷熱源設備效率的影響為室外溫濕度偏離標準工況后，能夠為制冷/熱泵系統提供更大的過冷/過熱量，在消耗相同壓縮功的前提下，增大制冷/制熱量，從而提高設備效率。對于冷水機組而言，室外大氣環境焓值變化導致冷卻水系統出水溫度變化，其提供的過冷量反映了大氣環境全熱變化。下面，根據我國《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015），分析設備性能系數（COP）和綜合部分負荷性能系數（IPLV），以呈現出兩者的差別。

對于本文評估的地下車站的2種環控方案，方案一冷源全部為冷水機組，方案二為毛細管仿生供冷系統、新風預冷采用冷水機組，新風除濕降溫部分采用風冷機組。按照負荷權重和相應的綜合部分負荷性能加權平均后，形成各方

案系統綜合部分負荷等效性能系數（IPLV）。各方案IPLV（w/w）對比情況如圖3所示。

由圖3可知，隨著室外大氣環境的變化（偏離設計工況），方案二冷熱源設備的效率明顯優于方案一。

4.3 節能性評估結論

通過分析以上2個地下車站環控系統，采用傳統模式和基于毛細管仿生供冷模式在設計空調工況、客流變化工況、室外大氣環境變化工況的能耗對比情況，可初步判定采用基于毛細管仿生供冷系統具有更好的節能優勢。

5 經濟性初步評估

以一個標準的地下兩層車站為模型，分別按照傳統地鐵環控系統和毛細管供冷系統設計方案，并進行造價分析。由相關分析可知，毛細管網供冷系統的設備造價要高于傳統的環控系統，但是，由于毛細管供冷系統的風管數量和尺寸均有所減小，所以，在滿足凈空要求的前提下，通過對管線的優化布置，可以將正常的站廳層層高由4.8 m降為4.2 m，站臺層層高由4.5 m降為4.2 m。這樣，相當于車站埋深淺了0.9 m，土建造價節約得比較多。

造價分析結果如表1所示。

6 結束語

經過初步分析，將基于毛細管供冷的溫濕度獨立控制系統應用于城市軌道交通地下車站，比傳統全空氣系統更有節能優勢，同時，還能節省一定的建筑高度，節省造價。因此，毛細管供冷系統在城市軌道交通中的應用具有一定的研究開發價值，日后有待開展更加充分的可行性研究工作。

參考文獻

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[3]中國建筑科學研究院.JGJ 142—2012 輻射供暖供冷技術規程[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

〔編輯：白潔〕