北京地區(qū)地鐵車站風道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)探究

穆育紅

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司， 100037， 北京∥高級工程師)

地鐵車站冷卻塔是地鐵空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，一般采用在地面設置或下沉式設置。風道內(nèi)置式冷卻塔采用新型設置形式，節(jié)省占地、無需額外征地，對周邊景觀環(huán)境無影響，能有效解決冷卻塔景觀影響、噪聲擾民及衛(wèi)生等問題，尤其適用于景觀要求高、環(huán)境影響評價標準高及場地受限的情況。但采用風道內(nèi)置式冷卻塔時，工程造價會有所增加。

風道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)是一種新型冷卻技術(shù)。本文以北京某新建線路的地鐵車站(以下稱為“A站”)為例，對風道內(nèi)置式冷卻塔的技術(shù)特點、布局要求、設計思路等進行論述，探討內(nèi)置式風道冷卻塔的技術(shù)發(fā)展。

1 冷卻塔的設置

A站位于主城區(qū)繁華地段，其出入口與風道分別設置于北京長話大樓和某寫字樓旁，并與開發(fā)地塊結(jié)合設置。由于場地有限，且項目對景觀要求較高，故A站選擇風道內(nèi)置式冷卻塔方案。

1.1 設計思路

風道內(nèi)置式冷卻塔設置在車站內(nèi)的新風井與排風井中間，主要采用新風道補風、排風道排出冷卻塔濕熱氣流的方式，對冷卻塔進行通風降溫。

具體設計思路為：首先，分別在車站排風道及新風道相接處設置電動風閥，并在新風道及排風道設置濕球溫度傳感器；當排風道排風濕球溫度<新風道濕球溫度時，開啟排風道側(cè)的電動風閥，關(guān)閉新風道側(cè)的電動風閥，利用車站排風對冷卻塔進行冷卻；當排風道排風濕球溫度≥新風道濕球溫度時，關(guān)閉排風道側(cè)電動風閥，開啟新風道側(cè)電動風閥，利用室外新風冷卻，從而實現(xiàn)風道內(nèi)置式冷卻塔的高效通風換熱。

1.2 冷卻塔的選型

如果冷卻塔距地面很近，氣流組織順暢，且沒有特殊余壓要求，則風道內(nèi)置式冷卻塔可選用側(cè)進側(cè)出橫流變頻冷卻塔(見圖1)。由于A站的冷卻塔設在車站地下四層，距地面排風口約20 m，排風阻力較大，需冷卻塔提供至少300 Pa以上的余壓，因此，對于A站而言，采用抗熱回流能力穩(wěn)定、受環(huán)境氣候影響小、熱力性能穩(wěn)定的鼓風式逆流變頻冷卻塔更合適。冷卻塔通過風水聯(lián)動系統(tǒng)的智能溫控功能，實現(xiàn)冷卻塔變頻控制，降低運行噪聲；其風機啟停平緩，可延長電機壽命。冷卻塔配置的變流量噴頭可在30%～110%流量范圍內(nèi)均勻布水，以保證變頻運行的淋水與換熱效果。

注：尺寸單位為mm； 標高單位為m。圖1 風道內(nèi)置式冷卻塔(橫流塔)立面示意圖Fig.1 Elevation diagram of air duct built-in cooling tower (cross-flow tower)

1.3 氣流組織

橫流冷卻塔方案采用廠家定制的側(cè)進側(cè)出橫流冷卻塔，其進出風與新排風井方向一致，氣流組織更順暢，換熱效果更佳。

在逆流冷卻塔方案中，由于北京地區(qū)氣候干燥易起塵土，地鐵排風道內(nèi)積塵較多，故A站不考慮利用排風道對冷卻塔進行通風換熱，直接利用新風道送風、排風井出風換熱。為滿足出風側(cè)的氣流順暢需求，冷卻塔的氣流組織采用有組織排風、自然進風方式。A站在車站兩端設備區(qū)靠近新風井與排風井處，利用地下風道內(nèi)空間分別設置冷凍機房。其中1處為大端冷凍機房，1處為小端冷凍機房。冷卻塔靠近排風井設置，并與冷凍機房相鄰，其頂部出風口設置與排風井相連的靜壓箱，以保證氣流順暢(見圖2)。在冷卻塔與新風井相鄰的墻上設置新風閥，可保證冷卻塔從新風井自然進風(見圖3)。

1.4 冷卻塔與冷凍機房的布置

根據(jù)A站的實際冷負荷需求，在小端冷凍機房中：冷卻泵水量Q小，1=175 m3/h；冷卻塔循環(huán)水量Q小,2=250 m3/h，所需排風量為162 500 m3/h；新風閥開洞尺寸為4 500 mm×3 200 mm；受土建條件限制，排風閥開洞尺寸與新風閥尺寸一致；冷卻塔處風速達到3 m/s，滿足冷卻塔的排風量需求。在大端冷凍機房(見圖3)中：冷卻泵水量Q大,1=260 m3/h，冷卻塔循環(huán)水量Q大,2=200×2(臺) m3/h，所需總排風量為260 000 m3/h；新風閥與排風閥開洞尺寸均為5 200 mm×3 200 mm；冷卻塔處風速約為4 m/s，滿足風道內(nèi)置式冷卻塔的排風量與換熱要求。

尺寸單位：mm圖2 風道內(nèi)置式冷卻塔(逆流塔)氣流組織示意圖Fig.2 Air distribution diagram of air duct built-incooling tower (counter current tower)

2 冷卻系統(tǒng)設計要點

2.1 A站冷卻系統(tǒng)的特點及隱患

由設置在地面或屋面的冷卻塔組成的冷卻系統(tǒng)中，冷卻塔設置在冷卻系統(tǒng)最高點，高于冷水機組冷凝器；管路長，水容量大；冷卻塔至冷卻泵的吸水管路有足夠高差。

注：管徑單位為mm;尺寸單位為mm;標高單位為m。

而在A站的冷卻系統(tǒng)中，冷卻塔與冷凍機房同層布置，幾乎沒有高差，不能形成自灌；冷卻塔水盤幾乎與冷水機組冷凝器等高，且二者水平距離太遠，極易使冷卻泵吸水管路空氣混入水中、進入水泵并壓入管道中，產(chǎn)生水錘；冷卻塔緊鄰排風井、冷卻泵及冷凍機房布置，冷卻水供回水管路總長度僅60 m左右，水容量相對較小(見圖4)，不能接納停泵時涌入的水，易產(chǎn)生水盤溢流，且再次啟泵時因吸水量不足，易吸入空氣造成水錘。因此，應針對A站冷卻系統(tǒng)存在的隱患，預測運行時可能發(fā)生的各種問題，進而采取針對性措施，完善設計細節(jié)。

注：i為坡度;管徑單位為mm;標高單位為m。圖4 風道內(nèi)置冷卻塔冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.4 Cooling system diagram of air duct built-in cooling tower

2.2 細節(jié)設計要點

為保證冷卻塔充足的進風量與換熱效果，冷卻塔進風面距墻凈距應不小于冷卻塔進風高度。由于冷卻塔出水要依靠重力流入冷卻泵，且冷卻泵要與冷卻塔相近設置，故冷卻塔出水管須沿坡度≥5%的縱坡一路坡向冷卻泵，不能出現(xiàn)局部高點或低點；距冷卻泵吸水口處要設置管長L≥5D(D為冷卻管道直徑)的直管段；冷卻塔位置應滿足冷卻水泵凈吸入揚程及必需氣蝕余量的要求(見圖5)。

根據(jù)《建筑給水排水設計統(tǒng)一技術(shù)措施》，有：

圖5 冷卻水泵吸入口的凈吸入揚程、汽蝕余量計算簡圖Fig.5 Calculation diagram of net suction lift and NPSH atsuction port of cooling water pumpH=hSV-[ha-hav-Σhab-Δh]

(1)

式中：

H——冷卻塔水盤水面至冷卻水泵吸入口的高差;

hSV——大于水泵樣本提供的必需氣蝕余量(A

站的小端冷凍機房冷卻泵hSV=5.827 m,大端冷凍機房冷卻泵hSV=7.753 m)；

ha——大氣壓力，取10 m；

hav——冷卻水溫度下的汽化壓力，取0.65 mm；

Σhab——冷卻塔出口至冷卻水泵吸入口的總水頭損失(A站的小端冷凍機房Σhab=1.597 m,大端冷凍機房Σhab=1.459 m)；

Δh——氣蝕余量富余值，取0.4～0.6 m。

將各變量取值代入式(1)可知，技術(shù)措施的要求為H≥hSV-(8.95 m-Σhab)。根據(jù)A站實際情況計算可得，小端冷凍機房H=0.40 m，大端冷凍機房H=0.35 m，滿足《建筑給水排水設計統(tǒng)一技術(shù)措施》要求。

當冷卻循環(huán)供水管接入并聯(lián)工作的2座冷卻塔時，進水管應采用同程布置來保證兩塔間的管道阻力平衡，防止水量分配不均勻，造成冷塔水盤溢流。為避免由于壓力與水量不均帶來冷卻塔溢流問題，2座冷卻塔水盤間需設置連通管，且出水干管應采用比進水干管大兩號的集合管路。

由于冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)水容量小，冷卻泵吸水管路壓差低，冷卻塔水盤的容積不足以容納冷卻泵停止時流入的水量，故極易引起溢流。當再次啟泵時，由于冷卻塔水盤水量不足，會吸入空氣造成水錘，嚴重時會引起設備移位、閥門損壞。因此，須加深冷卻塔水盤深度(即加大水盤容積)，降低冷卻泵吸水口高度，加大吸水干管管徑，以降低流速，保證冷卻泵啟泵時不吸入空氣。

采用風道內(nèi)置式冷卻塔時，由于冷卻供回水管線路徑短，水容量小，若采取上述措施仍無法滿足冷卻泵吸水量要求，則宜在冷卻塔旁設置1座與冷卻塔水盤連通的平衡水箱，用于補充冷卻塔水盤容積，為冷卻泵啟泵時提供補充水量，或在停機時為水盤溢流預留儲存空間(見圖4)。

風道內(nèi)置式冷卻塔與冷水機組的冷凝器無高差，故停泵后管道內(nèi)冷卻水極易落入塔中造成管網(wǎng)中真空，進而產(chǎn)生虹吸，將冷卻管網(wǎng)中的水吸上而流入冷卻塔，引起冷卻塔水盤溢水。因此，應在冷卻水干管頂端設置真空破壞器。這樣，即使冷卻泵停止工作，也不會產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象。此外，還應在平衡水箱內(nèi)的連通管上設置底閥。2座冷卻塔進出口均應設電動蝶閥，由風水聯(lián)動系統(tǒng)控制，可在停機時同時關(guān)斷。

3 結(jié)語

風道內(nèi)置式冷卻塔無需占用地鐵車站的室外場地空間，突破了常規(guī)冷卻塔只能在室外設置的限制條件，保留了傳統(tǒng)高效的冷卻系統(tǒng)，完美解決了城市繁華地帶地鐵車站室外冷卻塔占地大、景觀差、噪聲大等問題，是空調(diào)冷卻系統(tǒng)的一次技術(shù)突破。

本文根據(jù)風道內(nèi)置式冷卻塔的特點，梳理了設計要點。隨著風道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)在運營實踐中的不斷調(diào)整優(yōu)化，該技術(shù)將會更加成熟與完善。