基于工程案例探析鼓風式冷卻塔在地鐵工程中的應用

王 輝

中鐵第六勘察設計院集團有限公司

1 項目概況

前鋒路站為標準兩層車站。本站采用2組風亭組，空調負荷中心位于1 號風亭側。1 號新風亭、排風亭、活塞風亭設于陽光嘉園樓前市政用地內，均為敞口低矮風亭；1號風亭組均緊挨住宅小區，風亭設置在主體范圍內，風亭距離最遠的住宅小區僅15m，為了滿足環評要求，地面無冷卻塔設置條件。因以上客觀條件，本站采用鼓風式冷卻塔，設備設置在地下一層新排風井之間的風道內。

2 鼓風式冷卻塔工作原理

鼓風式冷卻塔是指風機設置在冷卻塔進風口處的冷卻塔，將傳統冷卻塔的吸入式改為壓送式，工作原理是將冷卻塔外的冷空氣經離心風機壓入冷卻塔內，與填料中的水進行換熱，換熱后的濕熱空氣排出塔外。鼓風式冷卻塔有兩種形式：氣流與水流方向正交為橫流式鼓風冷卻塔，氣流與水流方向相反為逆流式鼓風式冷卻塔。鼓風式冷卻塔風機采用離心風機比傳統冷卻塔壓頭大，能更好地適應自然通風不良的封閉空間。圖1為前鋒路站采用的鼓風式逆流冷卻塔。

圖1 鼓風式逆流冷卻塔

3 鼓風式冷卻塔分析研究

3.1 鼓風式冷卻塔進風

（1）《機械通風冷卻塔第1 部分：中小型開式冷卻塔》（GB/T 7190.1—2018）[1]中定義了冷卻塔冷卻能力公式：

式中：

η——冷卻能力；

Δtt——實測修正到標準工況的進出塔水溫差，℃；

Δtc——標準設計工況后的進出塔水溫差，℃。

式中冷卻塔的冷卻能力是評價冷卻塔的一個重要指標。對于常規地鐵車站，冷卻塔單塔冷卻水量＜1000m3/h，車站水系統冷卻水供/回水溫度為32/37℃，設計工況的進出塔溫差為5℃，由式（1）及《機械通風冷卻塔第1 部分：中小型開式冷卻塔》[1]中圖C.4、圖C.5的計算方法,可以看出冷卻塔進風濕球溫度對冷卻塔的冷卻能力影響很大，且常規工況下濕球溫度越低，冷卻塔能力越強。因為一般地鐵車站位于地下的特殊性，所以地鐵車站新風道對室外的溫度有一定延遲，新風道內空氣溫度低于室外空氣的溫度；排風道的空氣是經過空調熱濕處理的空氣，一般情況下排風道的空氣溫度低于室外空氣的溫度，因此新排風道均可以作為冷卻塔進風風源[2]。

引用某廠家的選型樣本的相關數據，以冷卻水（供回水溫度為32/37℃，水量為52 l/s）為定量，查得冷卻塔風機風量（m3/s）與進風濕球溫度（℃）的關系見圖2。

圖2 冷卻塔風機風量與冷卻塔進風濕球溫度的關系

從樣本可以看出，濕球溫度越大，風機風量越大，即冷卻塔的冷卻效果越差，因此為了減少風機風量，減少風機噪聲及風機耗電，應優先考慮選用濕球溫度小的空氣作為冷卻塔進風。本文建議在設計地鐵鼓風式冷卻塔時，應對所在城市已運營地鐵站新排風道的空氣參數進行測量統計，優先采用空氣濕球溫度低的風道作為冷卻塔風源。另外，風道內空間受限，冷卻塔出風為濕熱空氣，為了避免出風回流增加進風的空氣濕球溫度，應采取措施對進出風口進行隔斷。

（2）地鐵車站常用的新排風井布置方式是新排風井拉開10m布置，新排風井之間的10m空間可以作為冷卻塔利用位置，下面以逆流鼓風冷卻塔為例（逆流鼓風冷卻塔出口朝上，對層高要求高，若風道層高有限，可采用水平出風的橫流鼓風冷卻塔），介紹幾種鼓風冷卻塔的布置方案：

如圖3所示：采用新風冷卻，新風側設置電動風閥；為避免冷卻塔出風回流，對冷卻塔進出風口進行隔斷。有條件的排風井調整90°，使2臺冷卻塔的出風口均位于風井下，有利于冷卻塔排風。因為冷卻塔進出風均利用了車站新排風井，所以土建配合中應考慮冷卻塔風機風量對風井面積的要求。

如圖4所示：與圖3類似，不同的是，圖4采用設置風管的措施隔斷冷卻塔進出風。

如圖5 所示：采用排風冷卻，以前鋒路站為例，夏季運營工況，大端大小系統排風量約為30m/s，大端排熱風機風量為30m/s，兩臺鼓風冷卻塔風量一共是44m/s，考慮大系統回排風機及排熱風機變頻調節風量，排風量不能保證一定能滿足冷卻塔風量需求，因此需在新風道設置風閥引進新風。若遠期運行排熱風機工頻運行，排風量能夠滿足冷卻塔風量要求，則關閉新風道側的風閥。有條件的應將2臺鼓風冷卻塔出風口均設置在風井對下方，有利于冷卻塔出風；為避免冷卻塔出風回流對冷卻塔進出風口進行隔斷。

圖3 新風冷卻方案一

圖4 新風冷卻方案二

圖5 新風+排風冷卻

3.2 鼓風式冷卻塔出風

冷卻塔工作原理是冷空氣經離心風機壓入冷卻塔內，與填料中的水進行熱質交換，熱濕處理后的空氣為溫度升高，相對濕度接近100%，風道壁面溫度低于出風露點溫度時便會結露，結露后形成的水珠從結構墻壁流下，影響結構墻側掛的電源箱，甚至造成短路。地面水量較大，造成風道環境差，可能造成地鐵站細菌污染。現結合前鋒路遇到的問題提出一些措施來預防此情況的發生。

（1）冷卻塔出風口應盡量靠近風井處，冷卻塔出風口的熱氣能直接排入室外，避免出風與結構墻接觸結露。

（2）若土建限制時則將冷卻塔出風口設置于風道內，由于冷卻塔鼓風機余壓有限，一般為100Pa～300Pa，為保證及時排除出風，采用工業風機輔助排風，工業風機應滿足與冷源系統同開同關，如圖6所示。

圖6 鼓風式冷卻塔設置工業風機

（3）冷卻塔出風口范圍內排風道結露水較多，應避免在冷卻塔出風口范圍內的風道內設置人防門控制箱、潛污泵控制箱等電氣設備；可對電氣設備采取防護措施。

（4）冷卻塔出風口范圍內的排風道離集水井距離較遠時，應增加橫斷面方向的坡道和排水溝寬度，以便更快地排走風道內結露水。

3.3 鼓風式冷卻塔噪聲

冷卻塔噪聲問題是影響冷卻塔位置的一個主要因素。前鋒路站對冷卻塔位置區域進行了噪聲測試，測試數據如表1所示。

表1 噪聲測試數據

由表1 可以看出，采用鼓風式冷卻塔不設置工業風機方案時，如圖3～圖5，鼓風式冷卻塔噪聲值相對較小，可能通過一定的衰減滿足《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）[3]中噪聲要求，為節省消聲器造價可將消聲器設置在風道內，但考慮到實際衰減量及目前人們對噪聲的要求越來越高，可在風井內預留消聲器位置。采用鼓風式冷卻塔和工業風機方案時，如圖7所示，工業風機的噪聲值為94.9dB，按照車站風機廠家的清單，對新排風道有影響的車站風機噪聲值一般＜100dB，與工業風機的噪聲類似，根據圖7 的噪聲疊加原理[4]，冷卻塔站內側設置消聲器對風井外側的噪聲處理沒有貢獻，因此不需在站內風道內設置消聲器，僅需在排風井內設置消聲器，處理站內設備、鼓風式冷卻塔、工業風機的噪聲。最終的消聲方案需經消聲器廠家深化。

圖7 兩個聲功率級相加，疊加值與聲功率級的差值的關系

3.4 鼓風式冷卻塔冷卻水路

鼓風冷卻塔設置于地下與冷水機房同一層，冷卻塔相對于水系統高差較小，易產生冷卻水回水不暢、冷卻水泵汽蝕的問題，因此需校核冷卻水管路設計方案。

（1）冷卻水泵不汽蝕，能夠穩定運行，需滿足：9.8m（1個大氣壓）+集水盤至冷卻水泵軸線中心高差（m）-NPSH（冷卻水泵汽蝕余量，m）-集水盤至冷卻水泵吸入口阻力（m）＞0。

（2）冷卻水能夠回水需滿足：集水盤出水口到冷卻水泵吸入口管段阻力＜集水盤至冷卻水泵吸入口軸線中心高差。

4 結束語

通過對前鋒路站鼓風式冷卻塔方案的分析和研究，本文對于鼓風式冷卻塔方案提出如下建議：（1）冷卻塔進風口應優先引入濕球溫度低的空氣；隔斷冷卻塔進風口與出風口，防止回流。（2）冷卻塔出風口應盡量設置在風井下，保證出風的熱濕空氣能及時排除。風道內的冷卻塔應在出口路徑設置工業風機或者其他有效措施誘導冷卻塔的熱濕空氣及時排出室外。風道內的電氣設備應采取不小于IP65 的防護等級，并采用下接線方式。（3）新排風道對外消聲器應能處理鼓風式冷卻塔及工業風機（若有）的噪聲。（4）冷卻水路應精確計算，采用增加冷卻塔基礎高度、增大冷卻水管管徑、縮短冷卻塔與冷卻水泵設備距離、冷卻水泵設置在冷卻塔的下一層、選擇汽蝕余量小的冷卻水泵等措施保證冷卻水回水流暢，避免冷卻水泵汽蝕。