基于工程案例探析鼓風(fēng)式冷卻塔在地鐵工程中的應(yīng)用

王 輝

中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司

1 項目概況

前鋒路站為標(biāo)準(zhǔn)兩層車站。本站采用2組風(fēng)亭組，空調(diào)負(fù)荷中心位于1 號風(fēng)亭側(cè)。1 號新風(fēng)亭、排風(fēng)亭、活塞風(fēng)亭設(shè)于陽光嘉園樓前市政用地內(nèi)，均為敞口低矮風(fēng)亭；1號風(fēng)亭組均緊挨住宅小區(qū)，風(fēng)亭設(shè)置在主體范圍內(nèi)，風(fēng)亭距離最遠(yuǎn)的住宅小區(qū)僅15m，為了滿足環(huán)評要求，地面無冷卻塔設(shè)置條件。因以上客觀條件，本站采用鼓風(fēng)式冷卻塔，設(shè)備設(shè)置在地下一層新排風(fēng)井之間的風(fēng)道內(nèi)。

2 鼓風(fēng)式冷卻塔工作原理

鼓風(fēng)式冷卻塔是指風(fēng)機(jī)設(shè)置在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口處的冷卻塔，將傳統(tǒng)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(jīng)離心風(fēng)機(jī)壓入冷卻塔內(nèi)，與填料中的水進(jìn)行換熱，換熱后的濕熱空氣排出塔外。鼓風(fēng)式冷卻塔有兩種形式：氣流與水流方向正交為橫流式鼓風(fēng)冷卻塔，氣流與水流方向相反為逆流式鼓風(fēng)式冷卻塔。鼓風(fēng)式冷卻塔風(fēng)機(jī)采用離心風(fēng)機(jī)比傳統(tǒng)冷卻塔壓頭大，能更好地適應(yīng)自然通風(fēng)不良的封閉空間。圖1為前鋒路站采用的鼓風(fēng)式逆流冷卻塔。

圖1 鼓風(fēng)式逆流冷卻塔

3 鼓風(fēng)式冷卻塔分析研究

3.1 鼓風(fēng)式冷卻塔進(jìn)風(fēng)

（1）《機(jī)械通風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)工況的進(jìn)出塔水溫差，℃；

Δtc——標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況后的進(jìn)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(biāo)。對于常規(guī)地鐵車站，冷卻塔單塔冷卻水量＜1000m3/h，車站水系統(tǒng)冷卻水供/回水溫度為32/37℃，設(shè)計工況的進(jìn)出塔溫差為5℃，由式（1）及《機(jī)械通風(fēng)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(jìn)風(fēng)濕球溫度對冷卻塔的冷卻能力影響很大，且常規(guī)工況下濕球溫度越低，冷卻塔能力越強(qiáng)。因為一般地鐵車站位于地下的特殊性，所以地鐵車站新風(fēng)道對室外的溫度有一定延遲，新風(fēng)道內(nèi)空氣溫度低于室外空氣的溫度；排風(fēng)道的空氣是經(jīng)過空調(diào)熱濕處理的空氣，一般情況下排風(fēng)道的空氣溫度低于室外空氣的溫度，因此新排風(fēng)道均可以作為冷卻塔進(jìn)風(fēng)風(fēng)源[2]。

引用某廠家的選型樣本的相關(guān)數(shù)據(jù)，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(fēng)機(jī)風(fēng)量（m3/s）與進(jìn)風(fēng)濕球溫度（℃）的關(guān)系見圖2。

圖2 冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量與冷卻塔進(jìn)風(fēng)濕球溫度的關(guān)系

從樣本可以看出，濕球溫度越大，風(fēng)機(jī)風(fēng)量越大，即冷卻塔的冷卻效果越差，因此為了減少風(fēng)機(jī)風(fēng)量，減少風(fēng)機(jī)噪聲及風(fēng)機(jī)耗電，應(yīng)優(yōu)先考慮選用濕球溫度小的空氣作為冷卻塔進(jìn)風(fēng)。本文建議在設(shè)計地鐵鼓風(fēng)式冷卻塔時，應(yīng)對所在城市已運(yùn)營地鐵站新排風(fēng)道的空氣參數(shù)進(jìn)行測量統(tǒng)計，優(yōu)先采用空氣濕球溫度低的風(fēng)道作為冷卻塔風(fēng)源。另外，風(fēng)道內(nèi)空間受限，冷卻塔出風(fēng)為濕熱空氣，為了避免出風(fēng)回流增加進(jìn)風(fēng)的空氣濕球溫度，應(yīng)采取措施對進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行隔斷。

（2）地鐵車站常用的新排風(fēng)井布置方式是新排風(fēng)井拉開10m布置，新排風(fēng)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(fēng)冷卻塔為例（逆流鼓風(fēng)冷卻塔出口朝上，對層高要求高，若風(fēng)道層高有限，可采用水平出風(fēng)的橫流鼓風(fēng)冷卻塔），介紹幾種鼓風(fēng)冷卻塔的布置方案：

如圖3所示：采用新風(fēng)冷卻，新風(fēng)側(cè)設(shè)置電動風(fēng)閥；為避免冷卻塔出風(fēng)回流，對冷卻塔進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行隔斷。有條件的排風(fēng)井調(diào)整90°，使2臺冷卻塔的出風(fēng)口均位于風(fēng)井下，有利于冷卻塔排風(fēng)。因為冷卻塔進(jìn)出風(fēng)均利用了車站新排風(fēng)井，所以土建配合中應(yīng)考慮冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)量對風(fēng)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(shè)置風(fēng)管的措施隔斷冷卻塔進(jìn)出風(fēng)。

如圖5 所示：采用排風(fēng)冷卻，以前鋒路站為例，夏季運(yùn)營工況，大端大小系統(tǒng)排風(fēng)量約為30m/s，大端排熱風(fēng)機(jī)風(fēng)量為30m/s，兩臺鼓風(fēng)冷卻塔風(fēng)量一共是44m/s，考慮大系統(tǒng)回排風(fēng)機(jī)及排熱風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量，排風(fēng)量不能保證一定能滿足冷卻塔風(fēng)量需求，因此需在新風(fēng)道設(shè)置風(fēng)閥引進(jìn)新風(fēng)。若遠(yuǎn)期運(yùn)行排熱風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，排風(fēng)量能夠滿足冷卻塔風(fēng)量要求，則關(guān)閉新風(fēng)道側(cè)的風(fēng)閥。有條件的應(yīng)將2臺鼓風(fēng)冷卻塔出風(fēng)口均設(shè)置在風(fēng)井對下方，有利于冷卻塔出風(fēng)；為避免冷卻塔出風(fēng)回流對冷卻塔進(jìn)出風(fēng)口進(jìn)行隔斷。

圖3 新風(fēng)冷卻方案一

圖4 新風(fēng)冷卻方案二

圖5 新風(fēng)+排風(fēng)冷卻

3.2 鼓風(fēng)式冷卻塔出風(fēng)

冷卻塔工作原理是冷空氣經(jīng)離心風(fēng)機(jī)壓入冷卻塔內(nèi)，與填料中的水進(jìn)行熱質(zhì)交換，熱濕處理后的空氣為溫度升高，相對濕度接近100%，風(fēng)道壁面溫度低于出風(fēng)露點(diǎn)溫度時便會結(jié)露，結(jié)露后形成的水珠從結(jié)構(gòu)墻壁流下，影響結(jié)構(gòu)墻側(cè)掛的電源箱，甚至造成短路。地面水量較大，造成風(fēng)道環(huán)境差，可能造成地鐵站細(xì)菌污染。現(xiàn)結(jié)合前鋒路遇到的問題提出一些措施來預(yù)防此情況的發(fā)生。

（1）冷卻塔出風(fēng)口應(yīng)盡量靠近風(fēng)井處，冷卻塔出風(fēng)口的熱氣能直接排入室外，避免出風(fēng)與結(jié)構(gòu)墻接觸結(jié)露。

（2）若土建限制時則將冷卻塔出風(fēng)口設(shè)置于風(fēng)道內(nèi)，由于冷卻塔鼓風(fēng)機(jī)余壓有限，一般為100Pa～300Pa，為保證及時排除出風(fēng)，采用工業(yè)風(fēng)機(jī)輔助排風(fēng)，工業(yè)風(fēng)機(jī)應(yīng)滿足與冷源系統(tǒng)同開同關(guān)，如圖6所示。

圖6 鼓風(fēng)式冷卻塔設(shè)置工業(yè)風(fēng)機(jī)

（3）冷卻塔出風(fēng)口范圍內(nèi)排風(fēng)道結(jié)露水較多，應(yīng)避免在冷卻塔出風(fēng)口范圍內(nèi)的風(fēng)道內(nèi)設(shè)置人防門控制箱、潛污泵控制箱等電氣設(shè)備；可對電氣設(shè)備采取防護(hù)措施。

（4）冷卻塔出風(fēng)口范圍內(nèi)的排風(fēng)道離集水井距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)增加橫斷面方向的坡道和排水溝寬度，以便更快地排走風(fēng)道內(nèi)結(jié)露水。

3.3 鼓風(fēng)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(qū)域進(jìn)行了噪聲測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 噪聲測試數(shù)據(jù)

由表1 可以看出，采用鼓風(fēng)式冷卻塔不設(shè)置工業(yè)風(fēng)機(jī)方案時，如圖3～圖5，鼓風(fēng)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(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）[3]中噪聲要求，為節(jié)省消聲器造價可將消聲器設(shè)置在風(fēng)道內(nèi)，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(fēng)井內(nèi)預(yù)留消聲器位置。采用鼓風(fēng)式冷卻塔和工業(yè)風(fēng)機(jī)方案時，如圖7所示，工業(yè)風(fēng)機(jī)的噪聲值為94.9dB，按照車站風(fēng)機(jī)廠家的清單，對新排風(fēng)道有影響的車站風(fēng)機(jī)噪聲值一般＜100dB，與工業(yè)風(fēng)機(jī)的噪聲類似，根據(jù)圖7 的噪聲疊加原理[4]，冷卻塔站內(nèi)側(cè)設(shè)置消聲器對風(fēng)井外側(cè)的噪聲處理沒有貢獻(xiàn)，因此不需在站內(nèi)風(fēng)道內(nèi)設(shè)置消聲器，僅需在排風(fēng)井內(nèi)設(shè)置消聲器，處理站內(nèi)設(shè)備、鼓風(fēng)式冷卻塔、工業(yè)風(fēng)機(jī)的噪聲。最終的消聲方案需經(jīng)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(guān)系

3.4 鼓風(fēng)式冷卻塔冷卻水路

鼓風(fēng)冷卻塔設(shè)置于地下與冷水機(jī)房同一層，冷卻塔相對于水系統(tǒng)高差較小，易產(chǎn)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(shè)計方案。

（1）冷卻水泵不汽蝕，能夠穩(wěn)定運(yùn)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(jié)束語

通過對前鋒路站鼓風(fēng)式冷卻塔方案的分析和研究，本文對于鼓風(fēng)式冷卻塔方案提出如下建議：（1）冷卻塔進(jìn)風(fēng)口應(yīng)優(yōu)先引入濕球溫度低的空氣；隔斷冷卻塔進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口，防止回流。（2）冷卻塔出風(fēng)口應(yīng)盡量設(shè)置在風(fēng)井下，保證出風(fēng)的熱濕空氣能及時排除。風(fēng)道內(nèi)的冷卻塔應(yīng)在出口路徑設(shè)置工業(yè)風(fēng)機(jī)或者其他有效措施誘導(dǎo)冷卻塔的熱濕空氣及時排出室外。風(fēng)道內(nèi)的電氣設(shè)備應(yīng)采取不小于IP65 的防護(hù)等級，并采用下接線方式。（3）新排風(fēng)道對外消聲器應(yīng)能處理鼓風(fēng)式冷卻塔及工業(yè)風(fēng)機(jī)（若有）的噪聲。（4）冷卻水路應(yīng)精確計算，采用增加冷卻塔基礎(chǔ)高度、增大冷卻水管管徑、縮短冷卻塔與冷卻水泵設(shè)備距離、冷卻水泵設(shè)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。