地鐵車站空調冷卻水系統設計的探討研究

陳強

（福州軌道交通設計院有限公司，福建 福州 350000）

地鐵車站空調冷卻水系統設計的探討研究

陳強

（福州軌道交通設計院有限公司，福建 福州 350000）

作為地鐵車站運行的一個重要子系統，地鐵車站空調系統在滿足人們出行方便舒適性，保證人員乘坐環境、地鐵設備順暢運行的同時，也因耗能大越來越受到重視。地鐵車站空調系統既要求可靠穩定，又要求經濟節能。本文僅從地鐵車站空調冷卻水系統設計中尋找出一些技術措施優化設計。

地鐵車站；空調；冷卻水

受到現代城市地面區域空間不足、景觀道路影響限制，地鐵系統成為最常見的軌道交通形式，一般都處于城市地下。作為地鐵車站的一個重要子系統，地鐵車站空調系統既為乘客創造了地面車站入口至地鐵列車內的過渡性舒適環境，還為地鐵各系統專業設備房間提供符合工藝要求的運行環境。

1 設計現狀及其問題

考慮到地鐵車站內部巨大空間和人員、設備負荷，同時為了滿足日益重視的環境衛生安全以及舒適度的要求，目前國內城市地鐵車站絕大部分都采用全空氣系統的空調形式。這種系統形式能夠在過渡季、冬季利用室外空氣與室內空氣的焓差負擔室內空調冷負荷，并且在全新風或通風工況下，能夠改善深埋于地下的地鐵車站的空氣品質，同時能利用回排風機兼用排煙工況，因而在地鐵車站的空調設計中廣泛采用。一般典型的標準車站整體空調冷負荷約為1500kW（福州地區，并按遠期高峰客流考慮），根據公共區及設備管理用房不同的使用功能設置若干臺末端組合式空調風柜，冷源采用兩臺螺桿式冷水機組，配備相應的冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔。

地鐵車站空調冷卻水系統即由上述中的冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔構成。冷水機組、冷卻水泵設置在地鐵車站地下站廳層的環控機房內，冷卻塔一般就近設置在冷水機組側的室外地面通風良好處，循環冷卻水通過冷卻塔進行降溫處理。地鐵車站空調系統負荷側一般有規律可尋，空調系統負荷一般隨季節、晝夜相差較大，在同一季節的單日正常運營時間內負荷基本保持穩定，為了便于與冷水機組工況保持一致，設計時往往按與冷水機組一一對應的方式配置冷卻水泵與冷卻塔。

為了便于闡述討論，按照上述標準站的空調負荷來設置兩臺冷水機組、兩臺冷卻水泵、兩臺冷卻塔，三者一一對應。根據空調冷負荷1500kW，單臺冷水機組的冷量為750kW，不少設計人員因此根據冷水機組樣本對應的冷卻水參數或者直接按照750kW的冷量輸入水力計算軟件得出的冷卻水量，選配相應的單臺冷卻水泵及冷卻塔，此兩種設計思路是不妥的。冷卻水泵及冷卻塔的設計選型在地鐵車站空調冷卻水系統設計中是極為關鍵的一環，對循環冷卻水進而對冷水機組的正常運轉有著舉足輕重的作用。地鐵車站作為城市內提供主要公共交通服務，擁有強大輸送能力的特殊公共建筑，即使在福州這樣目前僅開通一條地鐵線路的城市，近期人均載客量都已達到15萬人次/日，地鐵車站空調冷卻水系統設計的合理性對于保障地鐵系統安全可靠、穩定運行、節能經濟也顯得愈加重要，因為空調冷卻水系統設計直接關系到冷水機組的正常運轉，設計不當輕則造成出水溫度不達標，冷卻效果差，進而影響冷機冷量的輸出，嚴重的甚至會引起冷機停機停轉。

2 冷卻水泵的設計選型

冷卻水泵的設計選型一般分為兩個步驟，水泵流量的計算確定和水泵揚程的計算確定。

2.1 冷卻水量確定

根據《實用供熱空調設計手冊》第二版2058頁所列公式計算：

式中：G——冷卻水量，kg/s；

Q0——制冷機冷負荷，kW；

k——制冷劑制冷時耗功的熱量系數，對于壓縮

式制冷機，取1．2～1．3左右。

c——水的比熱容kJ/kg，取4．19。

tw1、tw2——冷卻塔的進、出水溫度，℃；

壓縮式制冷機取4～5℃。

由于上述式中的G冷卻水量是以kg/s為單位，要換算成m3/h單位只需直接乘以3．6即可，k取1．25，c取4．19，tw1-tw2取5，將這些數據代入公式，按前述標準站的空調冷負荷1500kW，算出的冷卻水量G=3．6×1．25×1500/4．19/5=322m3/h。

我們看到計算出的冷卻水量考慮了水機制冷時的耗功，上述公式中的k值可以理解為就是1+1/cop，因此按公式算出來的冷卻水量比按水力計算軟件算出的冷卻水量一般偏大20%～30%左右。對比冷水機組樣本上的冷卻水量，有的廠家在產品樣本上會標識出冷卻水側的進出水溫度，各個廠家標識的水溫各不相同，常見的有30/35、32/37甚至32/37．5等，設計人員在設計時應小心查閱求證，根據實際情況咨詢水機廠家積極修正冷卻水量，切不可馬虎大意。

2.2 冷卻水泵的流量選型

我們知道水泵的并聯運行會引起單臺水泵出水量的衰減，隨著并聯臺數的增多，每并聯上一臺設備所增加的流量越小，疊加效果就越差，這就是水泵的并聯特性。根據上述典型標準地鐵車站的冷卻水泵的設計配置，一般配置兩臺冷卻水泵并聯運行，因此在地鐵車站冷卻水系統設計時就應充分考慮這一因素。

由《流體輸配管網》圖7-1-11（水泵并聯運行的工況分析圖）可以看出，兩臺水泵并聯運行時，單臺水泵的流量衰減5%，兩臺水泵并聯后輸出的總流量為單臺流量的190%。根據這一特性，單臺冷卻水泵的選型值應考慮并聯特性，亦即取單臺冷卻水泵計算值的110%作為選型值，根據上述計算的冷卻水量322m3/h，則單臺冷卻水泵的選型值確定為322×1．1/2=177m3/h。

2.3 冷卻水泵的揚程計算

地鐵車站空調冷卻水系統一般為開式系統，僅在冷卻塔噴嘴處斷開，在冷卻塔集水池內重新積聚，可以理解為類似U型管的壓力傳導形式，因此冷卻水泵的揚程一般可由下式計算得出：

式中：H——冷卻水泵的揚程；

H1——管路沿程阻力損失；

H2——管路局部阻力損失；

H3——設備阻力損失（水冷機組冷凝器阻力）；

H4——冷卻塔中水的提升高度（具體以實際冷卻塔廠家提供的數據為準）；

H5——冷卻塔中噴嘴的噴霧壓力（具體以實際冷卻塔廠家要求為準）；

安全系數：地鐵系統一般要求為1．05～1．2之間，具體以總體設計要求為準。

值得注意的是，冷卻塔設置位置的高度對冷卻水泵揚程的影響僅僅體現在冷卻水系統管路的沿程、局部阻力損失上，不應直接附加上冷卻塔設置位置的垂直高度。另外大多數設計人員在設計過程中為了規避不可預見的因素，例如施工質量、水質影響等，經常加大各項阻力或者再放大安全系數，造成冷卻水泵的揚程選型值比計算值、實際需求值偏大不少，這也間接增大了地鐵車站空調冷卻水系統中冷卻水泵的能耗，造成了不必要的浪費。

3 冷卻塔的設計選型

有些設計人員根據上述的冷卻水量計算值直接選取冷卻塔，這種選型方法也是不妥的，這種設計思路忽略了影響冷卻塔處理水量的兩個關鍵因素：室外環境濕球溫度和冷卻塔進出水溫度。

一般冷卻塔的樣本上會標明冷卻塔型號的選型工況，例如入口水溫37℃，出口水溫32℃，室外濕球溫度28℃為標準設計條件。應當要注意的是，每個地區的濕球溫度都不一樣，例如根據氣象資料，福州地區夏季室外濕球溫度為28℃，而不遠處的廈門則為27．5℃。另外相對濕度越高濕球溫度也就越高，例如夏季、雨季等等。冷卻塔的冷卻效果不但取決于水流量的大小，更取決于室外濕球溫度的變化。因此我們在選型時應當充分考慮當地氣候環境下的實際室外濕球溫度，因為氣象資料是過去歷史數據的檢測統計，而現在現實中感受到的氣象環境則更具有實際工程設計借鑒意義。

對比某冷卻塔廠家同一型號的冷卻塔在外部環境濕球溫度分別為27℃、28℃、29℃下的處理水量，按上述冷卻水量322m3/h，得出單臺冷卻塔計算冷卻水量為322/2=161m3/h，列表如表1。

表1

由表1可以看出，在環境濕球溫度由28℃上升為29℃時，同一型號的冷卻塔處理水量由167m3/h衰減為138m3/h，衰減了20%，也就是說當室外濕球溫度為29℃時，冷卻塔的實際處理水量就只剩下冷卻水量計算值的80%。

根據以上工況分析，在地鐵車站空調冷卻水系統設計中應充分考慮這一環境因素的影響。地鐵車站的冷卻塔一般就近設置在車站地面出入口附近，由于處于地面，受到周邊冷卻塔濕氣流、低矮建筑物側壁、道路車流行駛的氣流擾動影響，實際環境濕球溫度早已不是標準工況下的狀態。再加上福州城區三面環山，一面環水，獨特的山水地理環境造就了臨海丘陵盆地的地形，福州地區近年來夏季高溫氣候不斷，夏季濕度高，濕氣不容易吹散，酷日炎炎下塔周溫度十分接近地面地表溫度（福州地區有監測記錄的數據甚至到達過40℃），因此有必要對選型值進行適當放大，以保證夏季高溫酷暑下的空調季冷卻水處理水量滿足冷水機組冷凝器所匹配的循環水量。仍以上述典型標注車站為例，單臺冷卻塔的選型值應為322/2/0．8=201m3/h更為合理科學。

4 結語

通過以上對影響地鐵車站空調冷卻水系統的各個部分因素進行考究，以及通過設計演算，我們將冷卻水量計算值、選型值在冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔之間串聯銜接起來，倡導尊重實際工況環境下的精心設計，降低自然因素的復雜性和不可控性，保證地鐵車站空調冷卻水系統的設計質量，為踐行安全運行、綠色地鐵做出努力。

[1]陸耀慶．實用供熱空調設計手冊,第二版[M]．中國建筑工業出版社．

[2]付祥釗．流體輸配管網[M]．中國建筑工業出版社,2001．

[3]中國建筑標準設計研究所．全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調·動力．

U231.4

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1671-0711（2017）09（上）-0136-03