某高鐵樞紐車站夾層旅服空調(diào)系統(tǒng)改造可行性研究

陳浩瑋

湖南鐵路聯(lián)創(chuàng)技術(shù)發(fā)展有限公司

由于車站的高架夾層旅服商家單位陸續(xù)入駐，原預(yù)留全空氣集中空調(diào)系統(tǒng)無法實施，使用單位分別自行設(shè)置分體空調(diào)或吊扇，空調(diào)室外機設(shè)于夾層，熱量排入候車室大空間內(nèi)，在此前提下新增部分空調(diào)末端設(shè)備，但在交付使用后此部分空調(diào)末端制冷量嚴重不足，室內(nèi)熱環(huán)境遠差于人體對舒適溫度的要求，收到了商家和旅客的大量投訴，因此對系統(tǒng)進行問題分析和改造是很有必要的。

1 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 原有空調(diào)系統(tǒng)

1）冷凍水采用一次泵變流量系統(tǒng)，供回水溫度7/12 ℃。冷凍水泵采用變頻控制，水泵與冷水機組采用共用集分水器的連接方式，冷凍機房分集水器間設(shè)旁通管及壓差控制閥。水系統(tǒng)劃分為三個支路，其中支路一、二分別服務(wù)于高架層南側(cè)、高架層北側(cè)空調(diào)末端，支路三服務(wù)其余空調(diào)末端。水系統(tǒng)干管采用同程式布置，局部末端采用異程式布置。各大型組合式空調(diào)器，柜式空調(diào)器及新風機組的回水管上設(shè)置動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥，風機盤管的回水管上設(shè)置電動兩通閥。冷卻水采用一次泵定流量系統(tǒng)，供回水溫度32/37 ℃。

2）15.20 m 標高層高架夾層區(qū)域（旅服空調(diào)系統(tǒng)層）按預(yù)留集中空調(diào)考慮，9.20 m 標高空調(diào)機房（原有風柜層）預(yù)留其空調(diào)末端安裝位置及空調(diào)冷凍水供、回水管接管條件。

1.2 新增空調(diào)末端

1）受供電條件限制，原設(shè)計四臺冷水機組目前僅運行兩臺，供冷量不足。待冷水機組供電電源改造工程完成后，冷水機組全部開啟，可滿足此站集中空調(diào)及15.20 m 標高層空調(diào)系統(tǒng)供冷需求。15.20 m 標高層新增風機盤管納入集中空調(diào)系統(tǒng)。

2）拆除夾層使用單位自設(shè)空調(diào)設(shè)備，統(tǒng)一配置風機盤管，并配置溫控器及三速開關(guān)，根據(jù)室內(nèi)溫度自動控制風機盤管啟停。風機盤管水系統(tǒng)分區(qū)域集中連接，納入站房既有集中空調(diào)水系統(tǒng)，由9.20 m 標高層空調(diào)機房內(nèi)為夾層預(yù)留的集中空調(diào)冷凍水供、回水管道引出供水管路供水。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 實際情況

在新增加部分空調(diào)末端（由于新增空調(diào)末端水系統(tǒng)集中連接，為方便理解以下稱為新增空調(diào)系統(tǒng)）之后，原有系統(tǒng)的空調(diào)末端的運行工況基本沒有變化，而且冷水機組的負荷與新增空調(diào)系統(tǒng)前的負荷保持一致，由此可推斷問題出在新增新增空調(diào)系統(tǒng)上。

以東側(cè)C 區(qū)為例，此區(qū)域的新增系空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)圖見圖1，從圖上可知新增空調(diào)系統(tǒng)與原有空調(diào)系統(tǒng)的一個既有風柜呈并聯(lián)狀態(tài)，而流體的特性標志著此既有風柜的水力工況對新增空調(diào)系統(tǒng)的影響是較大的。

圖1 新增空調(diào)系統(tǒng)圖

為了防止原有管道上原有的壓力表由于損壞、磨損、腐蝕等對壓力表的準確性、精度的影響，在現(xiàn)場實測水壓時分別記錄原有壓力表和新壓力表讀數(shù)以作對比，兩表的誤差均在10 kPa 以內(nèi)。

使整個空調(diào)系統(tǒng)全部運行，在運行工況穩(wěn)定后測得原有風柜和新增空調(diào)系統(tǒng)干管的進出水壓差均為30 kPa，從設(shè)備表上查到原有部分上連接的風柜的設(shè)備水阻為33.4 kPa，可設(shè)此風柜在近似于設(shè)計工況下運行，但是設(shè)計圖和現(xiàn)場實際勘測都顯示新增空調(diào)系統(tǒng)的管道比干管到風柜的水管長度長太多，而且目前交付的資料和現(xiàn)場勘察都顯示新增空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊未與原有系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相銜接，可以推斷問題是新增系統(tǒng)存在水力失調(diào)。

2.2 新增系統(tǒng)設(shè)計工況的水力計算

水系統(tǒng)的水力計算使用鴻業(yè)設(shè)備設(shè)計暖通空調(diào)12.0 采用假定流速法計算[1]。

2.2.1 新增系統(tǒng)的流量

新增管道新設(shè)14 臺制冷量為13.5 kW 臥式明裝風機盤管，接入既有的兩個40 kW 的既有商鋪風柜，總制冷量為Q=269 kW，供回水溫度7/12 ℃，由于現(xiàn)場損耗量設(shè)定平均溫度為10 ℃。根據(jù)相關(guān)公式[2]：

式中：Qm-計算系統(tǒng)的水量（m3/h）；G-計算系統(tǒng)的負荷（kW）；Δt-供回水溫差（℃）。

各末端的流量詳見表1。

2.2.2 根據(jù)現(xiàn)有管徑和設(shè)計流量校核流量與阻力

可根據(jù)現(xiàn)有管徑和設(shè)計流量計算得出現(xiàn)有管道的沿程阻力和局部阻力，他們之和就是該管段的總壓力損失，各環(huán)路的總壓力損失詳見表1。

表1 各環(huán)路的總壓力損失

由表1 可得其最不利環(huán)路壓力損失ΣΔP最不利=213.9 kPa。

2.3 運行工況與設(shè)計工況比較分析

從設(shè)計圖和現(xiàn)場可發(fā)現(xiàn)，新增的系統(tǒng)呈異程式管路的布置方式，其水流經(jīng)每個末端設(shè)備的路程是不同的，故各環(huán)路的阻力不平衡，從而導(dǎo)致了流量分配不均勻的可能性。

新增系統(tǒng)的不平衡率為：

遠大于GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定的15%。

新增系統(tǒng)與原有部分上連接的風柜管路為并聯(lián)連接，各并聯(lián)管路的水頭損失相等，只表明通過每一并聯(lián)支管的單位重量液體的機械能損失相等。但各支路的長度、直徑及粗糙系數(shù)等條件是不同的，因此通過的流量也是大有區(qū)別，通過各并聯(lián)支管水流的總機械能損失是不相等的，流量大的總機械能損失相比也會較大。由于新增系統(tǒng)的管路較于原有風柜的管路長太多，單位流量液體的機械能損失也會比原有風柜的單位流量液體的機械能損失大很多，有公式[1]：

式中：S-管段的壓力特性系數(shù)，表示當管段通過1 kg/h水流量時的壓力損失值。

由式（2）可知，對已定管段來說，壓力損失與流量的平方成正比，因而新增系統(tǒng)的現(xiàn)運行工況流量在使新增系統(tǒng)管道整體機械損失為0.03 MPa。由表1 可設(shè)新增系統(tǒng)近似工況的總壓力損失為214 kPa，代入式（2），有：

可得Q實=17.26 m3/h，遠小于設(shè)計工況下的Qm=46.11 m3/h。（由于水力不穩(wěn)定性，實際工況比17.26 m3/h 更小）新增系統(tǒng)與原有風柜管路的水力不平衡率為：

3 改造方案

空調(diào)水系統(tǒng)的水力失調(diào)會導(dǎo)致整個系統(tǒng)內(nèi)的冷、熱不均勻、室內(nèi)溫、濕度達不到設(shè)計要求等問題，事實上還影響著系統(tǒng)的正常運行從而導(dǎo)致能耗的增加。本區(qū)域的空調(diào)水系統(tǒng)可分離于整個水系統(tǒng)視為定流量系統(tǒng)，各末端的使用時間段基本一致，根據(jù)水力失調(diào)的類型只需要考慮靜態(tài)水力平衡，無需考慮動態(tài)水力平衡。

3.1 方案比較

3.1.1 平衡閥

平衡閥的工作狀態(tài)是通過控制開度控制流量和局部阻力損失，在電子元器件的控制下對于靜態(tài)水力平衡和動態(tài)水力平衡來說具有較好的調(diào)節(jié)效果，但是新增空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊未與原有系統(tǒng)的控制系統(tǒng)相銜接，而且新增系統(tǒng)的設(shè)計工況阻力損失值大于原有風柜的設(shè)計工況下的阻力損失值180.5 kPa，在整個空調(diào)系統(tǒng)正常工況下運行時原有風柜的動態(tài)平衡調(diào)節(jié)閥是以管路上沒有新增系統(tǒng)的條件下工作，以平衡原有系統(tǒng)的其它末端水力條件為目標，對于新增系統(tǒng)的作用可以忽視。而新增系統(tǒng)部分相對于原有風柜在這個水系統(tǒng)支路上也是一個獨立整體，在正常運行時他們是相互并聯(lián)的，互相干擾的能力要大于原有風柜與新增系統(tǒng)組成的整體對原有系統(tǒng)的影響，所以新增系統(tǒng)與原有風柜的水力平衡很必要。在新增空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊接入原有系統(tǒng)的控制系統(tǒng)后，如需新增空調(diào)系統(tǒng)與原有風柜正常同時運行，需要原有風柜的動態(tài)平衡調(diào)節(jié)閥平衡掉小于新增系統(tǒng)整體的設(shè)計工況阻力損失值，原有風柜與新增系統(tǒng)組成的整體的最不利條件是以新增系統(tǒng)的最不利環(huán)路為條件的，無法避免原有風柜與新增系統(tǒng)組成的整體對于原有系統(tǒng)水力平衡的影響，導(dǎo)致原有風柜與新增系統(tǒng)組成的整體通過的流量會比設(shè)計工況下的流量小很多，造成新的水力失調(diào)，違背了這次改造的初衷。

3.1.2 二次泵

新增系統(tǒng)管道與原有風柜管道阻力相差懸殊，且末端裝置的回水支管設(shè)置了電動兩通閥，采取變頻調(diào)速的二次泵平衡新增系統(tǒng)的阻力，以達到新增系統(tǒng)管道末端整個區(qū)域水系統(tǒng)的水力平衡。且原設(shè)計在原有立管處預(yù)留了兩臺280 kW 風柜的流量，新增系統(tǒng)的冷量小于此預(yù)留風柜的流量，對于整個系統(tǒng)的影響在原設(shè)計的設(shè)計工況考慮之內(nèi)。

一般項目中可采取平衡閥，其從根本上克服水力失調(diào)現(xiàn)象創(chuàng)造了條件，本項目在設(shè)計和實施中采取了大量電動二通閥，但水利失調(diào)的最根本原因是新增空調(diào)系統(tǒng)整體與原有風柜的總壓力損失相差過大，可以在負荷側(cè)的冷凍水供水總管上增加二級泵來平衡過大的阻力損失。

3.2 水泵的選擇

3.2.1 循環(huán)水泵的流量

計算公式[2]：

式中：Q0-循環(huán)水泵的流量（m3/h）；Φ-計算系統(tǒng)的負荷（kW）；Δt-供回水溫差（℃）；K-水泵流量附加系數(shù)，取1.05～1.1。

水泵流量Q0=46.26×1.05=48.573 m3/h。

3.2.2 循環(huán)水泵揚程

由于二級泵的作用為平衡新增系統(tǒng)與原有風柜管的水力阻力損失，所以有：ΔH=ΔP新增-ΔP即有=213.94-33.4=180.54 kPa 級泵揚程應(yīng)按負荷側(cè)的管路和管件阻力、自控閥、末端設(shè)備的整體阻力之合計算，且應(yīng)增加5%～10%的附加值，即：H=1.05ΔH=189.57 kPa

3.2.3 水泵選型

根據(jù)計算流量和揚程，從南方泵業(yè)的樣本中選擇出CDM42-10 立式多級離心泵，其流量揚程特性曲線如圖2，按流量和揚程最不利的條件選型，滿足流量和揚程在設(shè)計條件下在高效區(qū)域內(nèi)運行，滿足了校核的要求。

圖2 CDM42-10 立式多級離心泵流量揚程特性曲線

3.2.4 水泵輸送能效比

在選擇空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)泵時，必須根據(jù)GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》的有關(guān)規(guī)定，校核其輸送能效比ER，確保符合節(jié)能原則。ER 值可按下列公式[2]計算：

式中：H-設(shè)計水泵揚程（m）；η-水泵在設(shè)計工作點的效率（%）；Δt-供回水溫差（℃）；計算可得ER=0.0125，小于GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定的限值0.0241，滿足規(guī)范要求。

3.3 安裝調(diào)試

為了使空間利用合理、美觀和避免噪聲的影響，在位于9.20 m 標高空調(diào)機房的負荷側(cè)冷凍水供水總管上安裝了上述水泵。打開一次泵并使所有主機與末端開啟并穩(wěn)定運行，記錄二次泵開啟與關(guān)閉情況下原有風柜進出水口、二次泵出水口、新增系統(tǒng)1 至5 環(huán)路側(cè)（左側(cè)）進出水管、新增系統(tǒng)6 至16 環(huán)路側(cè)（右側(cè)）進出水管的壓力值，為了評估二次泵對原有系統(tǒng)的影響，在原有系統(tǒng)的三個支路上分別取點A、B、C 設(shè)備末端的冷凍水進出水口壓力值作為參照，獲得數(shù)據(jù)如表2：

表2 二次泵開啟與關(guān)閉時各點的壓力值

從表2 可知，二次泵的加入使新增系統(tǒng)的水系統(tǒng)達到預(yù)設(shè)工況壓差，對原有系統(tǒng)的水力工況影響甚微，達到了此次改造的目標。

4 結(jié)語

根據(jù)計算結(jié)果顯示，高鐵夾層旅服空調(diào)系統(tǒng)存在的主要問題在于水力失調(diào)，而這個問題是很多大型中央空調(diào)系統(tǒng)某些末端制冷效果不佳的原因，特別是在只改造部分空調(diào)系統(tǒng)末端的項目中，造成使用不便、成本增加、能耗浪費等問題，有甚者更是影響使用或者無法使用，需要重新設(shè)計改造系統(tǒng)以達到系統(tǒng)的正常運行，各設(shè)計、施工、使用單位應(yīng)當重視。在經(jīng)過空調(diào)系統(tǒng)的重新設(shè)計及改造后，空調(diào)試行發(fā)現(xiàn)改造后包括原有空調(diào)系統(tǒng)末端在內(nèi)的整個系統(tǒng)運行接近原設(shè)計工況，改造可行性良好，為空調(diào)水力失調(diào)的改造設(shè)計提供了一定的參考參考。