地鐵車站空調輸配系統附加冷負荷分析

胡蜜

摘 要：以夏熱冬冷地區某地鐵車站為例，通過對空調系統中風機和水泵運行能耗的分析，并結合風管、水管等管道傳熱特征，研究空調輸配系統的附加冷負荷。最后得出，地鐵車站空調輸配系統中風機運行引起的附加冷負荷約占空調總冷負荷的10%，水泵運行引起的附加冷負荷約占 2%，風管及水管因管道傳熱引起的附加冷負荷約占 1%。此外，基于單位風量耗功率的要求提出空調系統風機運行溫升的限值。

關鍵詞：地鐵車站;空調輸配系統;附加冷負荷;單位風量耗功率

中圖分類號：U231.5

地鐵車站空調系統冷負荷由空調區負荷和非空調區負荷2部分組成，其中空調區負荷包括空調系統服務區域內的人員散熱、設備發熱、滲透風傳熱等引起的冷負荷，非空調區負荷包括新風負荷及風機、水泵、風管、水管等輸送系統引起的附加冷負荷。地鐵車站空調一般采用全空氣一次回風系統，由于車站空間有限，空調風管、水管等管網系統布置緊促，系統輸送所需壓力較大，因此空調系統設備功率較大，由此引起的附加冷負荷顯著。同時，風管、水管由管道內外的溫差傳熱，對空調系統也會產生一定的附加冷負荷。本文主要以夏熱冬冷某市典型地鐵車站為例，分別從設備運行和管道溫差傳熱2方面分析輸送系統的附加冷負荷。同時，結合節能規范中的單位風量耗功率Ws，分析空調系統中的風機溫升限定值，從而為地鐵車站冷負荷的計算和空調系統的風機設備選型提供參考。

1 空調系統劃分

地鐵車站空調系統按照服務對象及溫濕度要求一般分為大系統和小系統2類。其中，大系統服務于車站公共區，為車站乘客提供過渡性舒適環境;小系統作用于車站設備及管理用房，為車站管理用房提供舒適的工作環境，同時為車站強弱電等設備用房提供所需的溫濕度條件。

對于全封閉站臺門制式的車站，大系統負荷占總冷負荷的60%～80%，小系統負荷占總冷負荷的20%～40%。本文所指典型地鐵車站的大系統分布在車站兩端，分別記為大系統A與大系統B。小系統根據房間屬性及運營所需環境劃分為4套全空氣系統，分別計為K1、K2、K3和K4系統。其中，K1系統服務范圍為非設備集中端設備用房，K2系統服務范圍為車站設備集中端管理用房，K3系統服務范圍為車站設備集中端弱電類設備用房，K4系統服務范圍為車站設備集中端變電所用房。該典型地鐵車站空調系統劃分及負荷組成如表1所示，表中冷負荷占比wi是指該系統冷負荷Qi占車站總冷負荷Q的百分比。

2 設備運行附加冷負荷

2.1 風機運行附加冷負荷

地鐵車站空調一般采用一次回風全空氣系統，并且空調設備根據服務范圍分別設置在車站兩端的機房內。該典型地鐵車站公共區、車站管理類用房及車站設備類用房空調系統如圖1所示。

地鐵車站空調輸配系統中，風機推動空氣所做的功最終以熱能的形式轉化為系統冷負荷。由于地鐵車站送、回排風機的電機位于輸送系統內，因此，風機運行產生的附加冷負荷可近似看作風機的耗電功率。風機耗電功率可按式（1）計算：

由圖2可知，典型地鐵車站各空調系統風機運行的總附加冷負荷率約為10%。并且，K3系統風機運行附加冷負荷率最高，K4系統風機運行附加冷負荷率最低。這是因為弱電類房間送風溫差較小，一般為8 ℃，空調系統輸送能耗相對較大;變電所房間送風溫差較大，一般為15 ℃，空調系統輸送能耗相對較小。

車站空調系統中，空調機組、回排風機及小新風機等設備運行產生的熱量會引起輸配空氣溫度升高，典型車站空調系統全過程輸配阻力溫升? t如表3所示。

空調機組內盤管換熱器、空氣過濾器等設備阻力較大，空調機組所需全壓主要由抵消機組外風管輸配阻力和機組內部輸配阻力2部分組成，空調機組內部的阻力溫升? tin及外部的阻力溫升? tout如表4所示。

為降低風機等設備的運行能耗，文獻[2]給出了空調機組機外輸配和通風系統全過程輸配單位風量耗功率Ws的限定值。考慮到地鐵車站空調系統為一次回風系統，因此，地鐵車站內對于風量大于10 000 m3 / h的空調機組機外輸配系統、新風機和回排風全過程輸配系統，Ws不宜大于0.27。根據能量守恒定律，空調機組機外輸配和通風系統全過程輸配引起的溫升限值按式 （3）計算：

2.2 水泵運行附加冷負荷

地鐵車站空調冷凍水系統一般采用冷源側定流量方式運行，即冷凍水泵水量不變。水泵運行過程會產生冷凍水溫升，并且由此形成系統附加冷負荷。因此，水泵運行附加冷負荷可近似看作水泵的運行功率，地鐵車站水泵運行功率N按式（4）計算：

3 管道傳熱附加冷負荷

3.1 風管傳熱附加冷負荷

地鐵車站空調系統送回風管主要有鍍鋅鐵皮風管外敷保溫層和復合風管2種形式。根據地鐵車站的防火性能要求，風管及其保溫材料應采用不燃材料制作，因此鐵皮風管外的保溫材料和復合風管中間的保溫材料一般采用離心玻璃棉氈。由于鍍鋅鋼板的傳熱熱阻遠大于離心玻璃棉氈，因此地鐵車站2種形式的送回風管傳熱量差異不大。該典型地鐵車站內的風管均采用矩形風管，風管傳熱量按穩態傳熱方法進行計算，各系統的送回風管由傳熱引起的附加冷負荷如表5所示。

由表5可知，由于風管外保溫層的熱阻較大，風管傳熱附加冷負荷較小。典型車站空調系統送回風管傳熱總附加冷負荷為7.55 kW，約占車站空調系統總冷負荷的 0.60%。

3.2 水管傳熱附加冷負荷

地鐵車站空調冷凍水系統采用7 ℃/12 ℃供回水溫度設置，冷凍水管一般采用鍍鋅鋼管，外敷離心玻璃棉管殼，且管殼外帶有鋁箔貼面或鋁皮保護層。由于車站內各末端空調系統所需冷量不同，各系統的供回水管管徑均不同。該典型車站由供水管及回水管傳熱引起的附加冷負荷如表6所示。

由表6可知，由于離心玻璃棉管殼的保溫性能較好，冷凍水系統的水管傳熱附加冷負荷小于風管傳熱附加冷負荷。該典型車站的水管傳熱附加冷負荷約為5.21kW，約占車站空調系統總冷負荷的0.40%。

4 結論

（1）地鐵車站空調輸配系統中，由風機運行引起的附加冷負荷約占車站總冷負荷的10.0%，由水泵運行引起的附加冷負荷約占2.0%;風管及水管因管道傳熱引起的附加冷負荷約占 1.0%。

（2）地鐵車站空調系統冷負荷組成中，公共區的冷負荷占比較高，風機運行附加冷負荷率較大，因此優化車站公共區空調系統管線布置，減少管道阻力，能有效降低風機全壓，減少空調系統的附加冷負荷。同時，車站公共區空調送回風機利用變頻技術能顯著降低空調系統的附加冷負荷。

（3）基于節能運行要求，當地鐵車站空調系統風量大于10 000 m3 / h時，風機運行全壓及空調機組余壓產生的空氣溫升不宜超過0.802 ℃。

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收稿日期 2020-01-01

責任編輯 黨選麗