關(guān)于采用下沉式冷卻塔的地鐵車站增設(shè)冷凍水定壓補(bǔ)水裝置的探討

齊宗潮，龍廣煒

（1. 廣州 510000；2. 廣州 51000）

冷卻塔作為中央空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)備，一般安裝在地面或建筑物上方，保證換熱面空氣對流方便，以便有良好的換熱效果。地鐵在為人們帶來方便的同時(shí)，居民日益增長的環(huán)保噪音需求以及建筑整體美觀、征地等要求，把冷卻塔布置困難的問題也擺在了設(shè)計(jì)者面前。尤其設(shè)置在市區(qū)繁華或人口密集地區(qū)的地鐵站，會(huì)有越來越多站點(diǎn)采用下沉式冷卻塔基坑等方式安裝冷卻塔、膨脹水箱等站外冷卻水系統(tǒng)設(shè)備，以達(dá)到各方面需求的平衡。

本文探討的主要目的是解決地鐵車站由于安裝在下沉式冷卻塔基坑內(nèi)膨脹水箱與機(jī)房集水器的高度差不足，導(dǎo)致中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍水補(bǔ)水水壓不足，冷凍水泵產(chǎn)生氣蝕，從而產(chǎn)生的中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水供水壓力不足，冷凍水循環(huán)量降低，影響整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)供冷效果以及空調(diào)系統(tǒng)總體能效的問題。

1 探討案例背景

以廣州地鐵六號(hào)線二期植物園站作為案例。（植物園站地面、下沉式安裝冷冷卻基坑以及車站內(nèi)機(jī)房高度見下圖）

圖1 地面、下沉式安裝冷卻塔基坑以及車站內(nèi)機(jī)房

由于膨脹水箱設(shè)計(jì)安裝在下沉式冷卻塔基坑地面，故膨脹水箱的安裝高度是低于地面5M多。而地面至冷水機(jī)房內(nèi)的集水器大約為10M深度。按照水容積高度與壓力換算公式，10M高度落差約0.1MPa壓力。從膨脹水箱至集水器高度差大約只有為5M，集水器只有0.05MPa的水壓靜壓差，即冷凍水回水總壓力只有約為0.05MPa的水壓。

水泵揚(yáng)程為H=28m ，按公式計(jì)算水泵理論提升壓力為0.28MPa。 水泵出口提升壓力P=0.28MPa+0.05MPa=0.33MPa（未計(jì)算壓力損耗）而現(xiàn)場實(shí)測水泵出口壓力為0.26MPa（含壓力損耗±0.05 MPa），與理論計(jì)算值基本一致，證明水泵功能正常，但水泵出水壓力偏低（按照地鐵線網(wǎng)各站經(jīng)驗(yàn)值，水泵出水壓力應(yīng)為0.3 MPa以上）。由于冷凍泵入水端壓力較低，很容易對水泵會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，使水泵葉輪加快磨損，并有可能把空氣帶入冷凍水閉式水系統(tǒng)內(nèi)，造成氣堵，影響冷凍水系統(tǒng)循環(huán)水量。

植物園站冷水機(jī)組選用的是噴油式雙螺桿冷水機(jī)組，采用的換熱蒸發(fā)器為降膜式蒸發(fā)器，該款蒸發(fā)器進(jìn)出水壓差水阻壓降大概是0.1MPa。但由于冷凍水泵供水壓力只有0.26MPa，冷凍水在蒸發(fā)器內(nèi)經(jīng)過循環(huán)降溫后，出水壓力只降到大約0.26 MPa（進(jìn)水壓力）-0.1 MPa（水阻壓降）=0.16 MPa。按照地鐵車站冷水機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行特性，當(dāng)分水器供水壓力低于0.3MPa時(shí)，容易造成降低系統(tǒng)冷凍水循環(huán)量，水系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行工況效率下降，降低制冷效果、熱交換效率以及系統(tǒng)能效。現(xiàn)場實(shí)測冷凍水總供水不足0.3MPa，當(dāng)冷凍水分水器供水壓力低于0.3MPa時(shí)，即供水揚(yáng)程低于30M，容易導(dǎo)致供至遠(yuǎn)端末端設(shè)備水壓不足，從而使遠(yuǎn)端的冷凍水循環(huán)量降低，水流量降低，制冷效果變差。

實(shí)測植物園站遠(yuǎn)端的供水壓力0.05 MPa左右，而主管流量只有7m3/h。供水壓力不足導(dǎo)致流量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)流量，使得遠(yuǎn)端普遍房間溫度比近端高。站廳站臺(tái)公共區(qū)溫度也受到影響，近端溫度達(dá)標(biāo)，遠(yuǎn)端的半個(gè)站廳站臺(tái)均超標(biāo)（站廳30℃，站臺(tái)29℃）。得出植物園站遠(yuǎn)端制冷效果不良原因?yàn)榕蛎浰渑c集水器高度差不夠。從而導(dǎo)致總回水壓力偏低，冷凍水系統(tǒng)補(bǔ)水速度慢，水泵入水壓力較低等一系列問題。

首先嘗試采用生活水直接向冷凍水系統(tǒng)直補(bǔ)的方法進(jìn)行增壓補(bǔ)水來解決該問題。當(dāng)系統(tǒng)回水壓力增壓至0.1MPa時(shí)，冷凍水膨脹管開始出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，直補(bǔ)水通過膨脹管，反涌回地面的膨脹水箱，并導(dǎo)致膨脹水箱滿液溢水。這種解決辦法未起到作用，且浪費(fèi)自來水資源。

另外一種解決辦法是采用消防水直接補(bǔ)水的方法，這種方法不僅不符合車站消防規(guī)范，而且該方法還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)及不穩(wěn)定性，如未及時(shí)補(bǔ)水將容易引起冷水機(jī)組起冷凍水流量不足保護(hù)停機(jī)；或者補(bǔ)水量較大時(shí)，容易聯(lián)動(dòng)開啟車站消防補(bǔ)水泵進(jìn)行消防管網(wǎng)補(bǔ)水已經(jīng)制冷系統(tǒng)補(bǔ)水。因此針對地鐵車站此種情況我們采用定壓補(bǔ)水方式進(jìn)行嘗試。

2 定壓補(bǔ)水裝置方案探討

在系統(tǒng)中增加定壓補(bǔ)水裝置，利用小型增壓泵對冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械補(bǔ)水，提升水系統(tǒng)壓力。通過智能控制系統(tǒng)自動(dòng)控制補(bǔ)水裝置的各部件，確保空調(diào)水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作。同時(shí)能滿足原有設(shè)計(jì)要求，可以替代原有設(shè)置的膨脹水箱。

定壓補(bǔ)水裝置目前在市面上并沒有廣泛應(yīng)用的成熟產(chǎn)品，且并不一定完全適合地鐵空調(diào)系統(tǒng)所使用的要求和參數(shù)，所以我們在此進(jìn)行適合地鐵車站定壓補(bǔ)水裝置方案探討。

2.1 定壓補(bǔ)水系統(tǒng)組成

整套定壓補(bǔ)水裝置由恒壓膨脹罐、電接點(diǎn)壓力表、泄壓閥、進(jìn)出水手動(dòng)閘閥、止回閥、電磁閥、水泵、支架、水管、電源等組成。

圖2 定壓補(bǔ)水裝置原理圖

水泵選用高揚(yáng)程，小流量不銹鋼增壓泵。整套定壓裝置直接接駁市政水源，通過安裝在水系統(tǒng)集水器的電接點(diǎn)壓力表檢測水系統(tǒng)壓力。當(dāng)壓力達(dá)到或低于0.1MPa時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)增壓水泵進(jìn)行補(bǔ)水，當(dāng)系統(tǒng)壓力補(bǔ)至0.25MPa時(shí)水泵停止運(yùn)行。電磁閥與水泵設(shè)有聯(lián)動(dòng)功能，水泵停泵時(shí)系統(tǒng)與市政水?dāng)嚅_，防止市政水壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)對水系統(tǒng)的壓力影響。電磁閥后設(shè)有止回閥，防止空調(diào)水系統(tǒng)壓力高于市政壓力時(shí)，冷凍水反向涌進(jìn)市政管網(wǎng)。止回閥后設(shè)有泄壓閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力高于0.4MPa將由泄壓閥進(jìn)行泄壓，防止對水系統(tǒng)壓力過高產(chǎn)生危險(xiǎn)。水系統(tǒng)中并聯(lián)設(shè)有一個(gè)膨脹罐，減少系統(tǒng)產(chǎn)生的水錘對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，同時(shí)可吸收系統(tǒng)膨脹冷凍水，保持系統(tǒng)正常的工作壓力。系統(tǒng)進(jìn)水端和供水端各安裝有一個(gè)手動(dòng)閘閥，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)可進(jìn)行操作，無需對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行放水處理，方便維護(hù)。

2.2 系統(tǒng)具體要求

整套定壓裝置邏輯控制單元部分采用PCL可編程控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制功能。

自動(dòng)控制功能：當(dāng)控制器打到自動(dòng)位時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)控制功能，增壓泵啟停由PLC輸出點(diǎn)控制，輸出點(diǎn)連接電接點(diǎn)壓力表壓力范圍值，設(shè)定停泵上限為0.25MPa，起泵下限為0.1MPa。水泵設(shè)有缺水保護(hù)器（進(jìn)水管沒水時(shí)停止水泵工作）以及熱保護(hù)器（當(dāng)水泵運(yùn)行大流過大時(shí)停止水泵工作），電磁閥與水泵設(shè)有聯(lián)動(dòng)功能。

手動(dòng)控制功能：當(dāng)控制器打到手動(dòng)位時(shí)啟動(dòng)手動(dòng)控制功能，當(dāng)打到手動(dòng)位時(shí)，自動(dòng)功能無法實(shí)現(xiàn)，只能現(xiàn)場進(jìn)行收到啟/停水泵操作。水泵設(shè)有缺水保護(hù)器（進(jìn)水管沒水時(shí)停止水泵工作）以及熱保護(hù)器（當(dāng)水泵運(yùn)行大流過大時(shí)停止水泵工作），電磁閥與水泵設(shè)有聯(lián)動(dòng)功能。

表1 系統(tǒng)功能指標(biāo)對比

表 系統(tǒng)性能指標(biāo)要求2

2.3 改造安裝調(diào)試過程

定壓補(bǔ)水裝置安裝在機(jī)房角落，靠近冷水機(jī)組及分集水器，不影響其余設(shè)備檢修及巡檢。通過管道及三通從生活水引入水源并引進(jìn)集水器，不影響車站生活水使用。且無需停機(jī)即可完成整套定壓補(bǔ)水裝置的在線安裝。

定壓補(bǔ)水裝置調(diào)試過程中其中一個(gè)難點(diǎn)在于消除停泵時(shí)所產(chǎn)生的反向水錘，需要通過調(diào)整電接點(diǎn)壓力表的壓力控制范圍到設(shè)定范圍內(nèi)達(dá)到消除目的，實(shí)現(xiàn)壓力可控功能。經(jīng)過調(diào)試，水泵運(yùn)行電流穩(wěn)定，管路壓力呈線性提升，當(dāng)管路達(dá)到穩(wěn)定壓力后（0.3MPa）產(chǎn)生的反向水錘不沖擊系統(tǒng)。水系統(tǒng)壓力從失壓下限（0.1MPa）補(bǔ)水增壓提升至上限（0.3MPa）整個(gè)過程只需要2分鐘左右，方便快捷。

本次改造中，選取大系統(tǒng)組合式空調(diào)柜作為系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果評價(jià)目標(biāo)。按設(shè)計(jì)要求，遠(yuǎn)端A端、近端B端各設(shè)計(jì)一臺(tái)制冷量達(dá)600kW、風(fēng)量達(dá)70000m3/h的組合式空調(diào)柜，設(shè)計(jì)總流量均為61m3/h。整個(gè)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)冷水機(jī)和兩臺(tái)變頻冷凍泵，即雙機(jī)雙泵運(yùn)行時(shí)的總流量應(yīng)與設(shè)計(jì)流量相符，單機(jī)單泵運(yùn)行時(shí)，末端組合式空調(diào)柜的流量應(yīng)減少一半。選取遠(yuǎn)端A端組合式空調(diào)柜AHU-01作為調(diào)試參照物，雙泵模式時(shí)總流量Q=61m3/h，單泵模式運(yùn)行時(shí)流量Q=61/2=30.5m3/h。但改造前現(xiàn)場運(yùn)行流量卻只有7m3/h，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。

接入冷凍水系統(tǒng)后，經(jīng)過設(shè)備的調(diào)試，整套定壓補(bǔ)水裝置能按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)功能。通過調(diào)整補(bǔ)水壓力值，可實(shí)現(xiàn)在不同階段性工況下的自動(dòng)運(yùn)行。各參數(shù)均在設(shè)定范圍內(nèi)，整套定壓補(bǔ)水裝置運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)想結(jié)果。

整套裝置占地面積小，對原有系統(tǒng)改動(dòng)量小，可操作性大，只需要有一路市政自來水源和220V單相電源即可。同時(shí)具有使用操作方便，實(shí)用，可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 改造后效果測試

增加定壓補(bǔ)水裝置后，在集水器側(cè)增加補(bǔ)水量及增大冷凍水泵入口壓力，有效補(bǔ)充水源，并提升出水揚(yáng)程。變頻水泵頻率設(shè)定在40Hz，把提升壓力設(shè)定在0.25MPa，現(xiàn)場實(shí)測水泵出水壓力提升至0.4 MPa，有效提升冷凍水泵效率。

單冷機(jī)單泵運(yùn)行時(shí)，由于水壓提升，水泵揚(yáng)程也有一定提升，高于冷水系統(tǒng)循環(huán)規(guī)定的最低壓力P≥0.2MPa，所以循環(huán)流量也有效地實(shí)現(xiàn)了提升。單泵運(yùn)行時(shí)，總流量達(dá)到165m3/h，近端B端大系統(tǒng)空調(diào)柜流量達(dá)到61m3/h，遠(yuǎn)端A端大系統(tǒng)空調(diào)柜流量達(dá)到42.9 m3/h，符合原設(shè)計(jì)要求。空調(diào)柜對應(yīng)供冷區(qū)域的站廳站臺(tái)公共區(qū)溫度有明顯的降溫。站廳平均溫度約為27℃，站臺(tái)平均溫度26℃，均低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對比未改造前的站廳平均30℃，站臺(tái)平均29℃，有明顯的降溫效果。

雙機(jī)雙泵運(yùn)行，兩臺(tái)冷凍水泵運(yùn)行頻率設(shè)定在40Hz，總流量達(dá)到268m3/h，近端B端大系統(tǒng)空調(diào)柜流量達(dá)到100m3/h，遠(yuǎn)端A端大系統(tǒng)空調(diào)柜流量達(dá)到70m3/h，滿足設(shè)計(jì)要求。站廳平均溫度約為26℃，站臺(tái)平均溫度26℃，冷水機(jī)及水泵的運(yùn)行效率和能效比COP有明顯的提升。

表3 使用定壓補(bǔ)水裝置前后數(shù)據(jù)對比表

3 結(jié)束語

通過增加定壓補(bǔ)水裝置后車站中央空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不但解決了由于膨脹水箱與集水器高度差不足導(dǎo)致系統(tǒng)水壓力偏低帶來的影響，還能大大提升冷水機(jī)、水泵的工作效率，提升整套中央空調(diào)的能效系數(shù)COP，符合設(shè)計(jì)要求。為地鐵車站因下沉式冷卻塔基坑設(shè)置膨脹水箱導(dǎo)致的系統(tǒng)水壓不足提供了改造可行性的成功案例。后續(xù)新線路建設(shè)中，為類似因下沉式冷卻塔基坑設(shè)計(jì)的補(bǔ)水方式提供新思路。