地鐵控制中心空調系統(tǒng)設計探討

代焱

一、概述

地鐵在緩解城市交通壓力，促進城市經濟發(fā)展方面起著越來越大的作用。地鐵以其運行速度高、安全、正點的服務，受到廣大乘客的歡迎。目前我國已進入地鐵建設的高峰期，數十個城市已經建成或正在建設地鐵或城市軌道交通。每條地鐵線路列車運行都需要調度指揮機構，國內地鐵已經建成多個中央控制中心。

地鐵控制中心一般由工藝設備用房、運營管理用房、中央控制大廳（OCC）等組成，其空調系統(tǒng)應為各系統(tǒng)和設備及運營管理人員提供良好的運行和工作環(huán)境。

鐵四院已完成無錫地鐵控制中心、南京靈山地鐵控制中心、武漢三金潭地鐵控制中心、武漢武湖地鐵控制中心等數個中央控制中心項目，本文對這些已建成運營或在建的控制中心項目的空調系統(tǒng)設計進行探討，為今后新建地鐵控制中心空調系統(tǒng)的設計提供參考。

二、控制中心空調系統(tǒng)方案

地鐵控制中心的特點：（1）工藝設備用房面積較大，且基本位于建筑物內區(qū)；（2）在保證安全性的前提下考慮空調系統(tǒng)的節(jié)能運行；（3）存在分期建設的問題。

表1列出四個控制中心所采用的空調系統(tǒng)形式，這些空調系統(tǒng)的采用均考慮應適應地鐵控制中心上述特點。

表1 控制中心空調系統(tǒng)形式

三、工藝設備用房的空調形式

1. 機房空調的系統(tǒng)形式

我國《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》將電子信息系統(tǒng)機房劃分為A、B、C三級，地鐵控制中心的工藝設備用房一般為A、B級。國內外地鐵控制中心的工藝設備用房都選擇配置機房專用空調。機房專用空調形式較多，主要冷卻形式有風冷式、冷卻水式、冷送水式、雙冷源系統(tǒng)等，其主要區(qū)別在于冷凝器的冷卻方式上。

對于機房空調的選用應符合安全可靠、經濟合理的原則。

風冷型機房空調形式簡單可靠，安裝方便靈活，比較適合中小型數據中心；而控制中心的工藝設備用房（比如通信、信號、信息設備室）各房間設備發(fā)熱量大部分在20～40kW左右，因此風冷型機房專用空調在地鐵控制中心中應用普遍。

在風冷型機房專用空調的設計中，需充分考慮室外環(huán)境溫度及冷媒管長度的修正，否則由于機組的衰減，機房內環(huán)境溫度達不到設計的效果。比如無錫地鐵控制中心，機房空調室內機與室外機的最遠距離達到120m，針對該問題采取了一系列超長冷媒管解決方案：（1）增加高效油分離器；（2）冷凝器風扇采用調速器，變頻調速；（3）冷媒管垂直方向每3米設置一個回油彎；（4）加大冷凝器冷凝面積；（5）適當加大冷媒管管徑；（6）冷凝器入口設“反U彎”。通過這些措施的采取，在實際使用過程中，機房空調均達到正常的運行狀態(tài)，機房內環(huán)境溫度也達到設計值。

冷卻水型機房空調制冷效率高于風冷型機房空調，靠集中的冷卻水環(huán)路把所有機組連接在一起，可不受室內、室外機組的距離限制；擴容方便，初期設計時預留好接口，在遠期擴容時實施方便。冷卻水型機房空調可跟水環(huán)熱泵系統(tǒng)結合起來，充分利用機房空調的熱量供給外區(qū)辦公用房供暖。

冷凍水型機房空調集中制冷，制冷效率相對風冷型和冷卻水型機房空調系統(tǒng)最高，運行費用低，但系統(tǒng)控制復雜，安裝和日常維護較為復雜；目前在地鐵控制中心采用較少。

2. 機房空調的氣流組織

地鐵控制中心工藝設備機房存在運行時間長、設備發(fā)熱量大、高顯熱潛熱比等特點。目前數據中心常用的機房空調系統(tǒng)的氣流組織形式有下送上回（地板下送風）、下送上回（冷通道）、上送側回、側送側回等方式。下送上回（冷通道）需設計冷通道與外界封閉隔離，形成熱通道和冷通道，減少熱量混合，提高制冷效率；上送側回為達到均勻送風的目的，需安裝風管，占用較多的吊頂空間，制冷效率相對下送風要低；側送側回安裝簡單，造價低，在小型機房中使用較多，但是存在送風距離短、冷熱空調易短路，制冷效率低等缺點；地板下送風目前是地鐵控制中心工藝設備用房主要的送風形式，它具有制冷效率高、安裝簡單等優(yōu)點，無錫、南京、武漢等控制中心均采用該送風形式。地板下送風方式，在地板下敷設橋架的情況下，為提高送風通道的有效面積，需提高經典地板的高度，一般建議不小于600mm，以保證地板下均勻的靜壓值。靜電地板下應考慮防塵、密閉、保溫。

3. 機房空調的布置

機房空調的布置，有兩種方式：一種是布置在設備用房內，另一種是布置在設備用房旁的專用空調機房內。兩種設置方式各有優(yōu)缺點，第一種節(jié)省建筑面積，第二種便于管理，加濕器水管、冷凝水管可避免進入設備用房內，設備用房內噪聲可以得到有效控制。

四、水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)的應用

無錫、南京控制中心大樓，由于其內外分區(qū)較為明顯，且大量的通信、信號、AFC等專業(yè)設備用房內有恒定的、大量的設備發(fā)熱，因此在空調設計過程中考慮采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)對此部分能量的利用問題。

冬季內區(qū)水環(huán)熱泵機組吸收熱量向公共水環(huán)路釋放，外區(qū)供熱機組吸收該部分熱量并釋放到外區(qū)房間，滿足外區(qū)供熱需求。水環(huán)熱泵系統(tǒng)內區(qū)余熱及各機組壓縮機耗電所轉換的熱量進入公共水環(huán)路后被有效利用，因此具有良好的節(jié)能效果。

無錫地鐵控制中心和南京靈山控制中心對水環(huán)熱泵的利用有兩種不同的形式。

1. 方案一：分散式水環(huán)熱泵系統(tǒng)

無錫地鐵控制中心在初步設計階段提出采用分散式水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)的方案，輔助冷源采用閉式冷卻塔，輔助熱源采用風冷熱泵。

無錫地鐵控制中心內區(qū)工藝設備用房采用冷卻水型機房專用空調系統(tǒng)，外區(qū)辦公用房采用分散的水環(huán)熱泵系統(tǒng)，按負荷特性在各房間或區(qū)域分散設置水環(huán)熱泵機組，通過封閉的水環(huán)路系統(tǒng)，將水側換熱器連接成并聯環(huán)路，通過水-水換熱達到節(jié)能的目的。

水環(huán)熱泵系統(tǒng)水環(huán)路溫度保持在15～32℃之間，當系統(tǒng)供水溫度處于此范圍時，冷卻塔、風冷熱泵水路切斷，水系統(tǒng)通過旁通回路運行，系統(tǒng)最節(jié)能；當環(huán)路供水溫度超過32℃時，開啟冷卻塔降低水溫；當環(huán)路溫度低于15℃時，開啟風冷熱泵給環(huán)路水加熱。

圖1 無錫控制中心空調水環(huán)熱泵系統(tǒng)原理圖（分散式）

2. 方案二：集中式水環(huán)熱泵系統(tǒng)

南京靈山地鐵控制中心采用集中式水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)的方案。辦公用房采用集中的水源熱泵機組，同時輔以風冷熱泵機組，夏季制冷；冬季利用機房空調冷卻水和水源熱泵機組的聯合工作，實現空調耗熱和工藝空調排熱的能量轉移，最大限度減少外界供能。

控制中心各工藝設備機房常年均有恒定的、大量的設備發(fā)熱，全年均需供冷，按線路及房間分別設置冷卻水型機房專用空調，以及設備用機組；冷卻水型機房專用空調采用集中冷卻水系統(tǒng)，閉式冷卻塔集中設置于裙房屋面。

控制中心辦公管理用房考慮冬、夏季季節(jié)性使用空調系統(tǒng)，設置集中空調系統(tǒng)。冬季機房專用空調機組吸收熱量向公共冷卻水環(huán)路釋放，水源熱泵機組吸收該部分熱量供辦公管理用房空調供暖使用。

由于近、遠期使用功能不同，近期舒適型空調冷、熱負荷均大于遠期，空調冷熱源的配置按滿足近期使用要求確定。冷熱源采用風冷熱泵機組及水源熱泵機組，風冷熱泵供熱量滿足控制中心近期辦公管理用房的冬季熱負荷，同時風冷熱泵+水源熱泵機組的供冷量滿足控制中心近期辦公管理用房的夏季冷負荷。

冷卻水采用環(huán)狀管網供水，變流量系統(tǒng)，供回水溫度為32℃/37℃。各環(huán)路設電動平衡閥，保證水力平衡。

集中冷卻水環(huán)路溫度保持在15～32℃之間，冬季當系統(tǒng)供水溫度低于15℃時，關閉水源熱泵機組及對應的循環(huán)水泵，由風冷熱泵機組供熱，當機房空調集中冷卻水溫度超過20℃時，再開啟水源熱泵機組和水泵供熱；當環(huán)路供水溫度超過32℃時，開啟閉式冷卻塔水路，運行閉式冷卻塔降低水溫。

3. 兩種水源熱泵方案系統(tǒng)的比較

方案一與方案二相比，方案一控制簡單，系統(tǒng)擴展性較好，但是房間內設水源熱泵機組，壓縮機在室內，噪音較大；方案二控制復雜，但水源熱泵機組能效比高于方案一，且空調末端設備噪音較小，舒適度較高。

五、中央控制大廳（OCC）空調形式

無錫、武漢三金潭、武漢武湖控制中心的中央控制大廳均采用風冷型單元式空調，南京靈山控制中心的中央控制大廳采用水冷型柜式空調機組。中央控制大廳一般存在分期建設的情況，因此空調末端機組的選用一般是2～4臺，在近期使用時可根據實際情況開啟相應的部分空調機組，節(jié)省能耗。

中央控制大廳一般層高較高，達到8～10m，送風方式上可采用下送上回（地板下送風）、上送上回，地板下送風制冷效率較上送風要高，但需避免送風口對工作人員直吹。無錫、武漢三金潭中央控制大廳采用地板下送風，武漢武湖、南京靈山中央控制大廳采用旋流風口上送風。

經過調研，發(fā)現目前投入運營的南京珠江路、廣州等中央控制大廳存在工作人員感覺較“悶”的現象。為避免類似情況出現，在無錫、南京靈山、武漢三金潭、武漢武湖中央控制大廳的設計中主要采取以下措施：（1）加大新風量，按每人100m3/h計算新風量，并且單獨設置新風機組或者新風換氣機組，保證新風量；（2）新風直接送入人員工作區(qū)，送風均勻，保證了工作人員舒適性；（3）調度大廳擺放綠色植物，改善空氣質量、吸收甲醛等有害氣體、減輕精神壓力、調節(jié)氛圍。

六、多聯式空調系統(tǒng)的應用

多聯式空調系統(tǒng)布置靈活、節(jié)省空間、控制簡單、管理方便。室外機采用變頻控制，保證在部分負荷下能夠高效運行。室內機相互獨立，互不干擾，不存在水系統(tǒng)平衡失衡問題的困擾。多聯式空調系統(tǒng)可根據項目進展情況實施擴容，在分期建設和分戶計費方面有明顯的優(yōu)勢。

因此對于控制中心項目，營運管理用房采用多聯空調系統(tǒng)是一個較好的選擇。鑒于此，無錫地鐵控制中心施工圖階段根據業(yè)主要求空調系統(tǒng)由分散式水環(huán)熱泵方案改為多聯空調系統(tǒng)；武漢三金潭和武湖控制中心的營運管理用房也均采用了多聯式空調系統(tǒng)。

七、總結

（1）地鐵控制中心工藝設備用房機房空調可采用風冷型和水冷型，風冷型機房空調簡單可靠，應用普遍；水冷型機房空調制冷效率較高，冷卻水型可與水環(huán)熱泵系統(tǒng)結合，達到節(jié)能目的。

（2）對于地鐵控制中心這類有24小時供冷需求的場所，冬季采用水環(huán)熱泵回收工藝設備機房的設備發(fā)熱量作為辦公管理用房的熱源，可以大大節(jié)省能源。

（3）水環(huán)熱泵的利用有兩種方案：分散式和集中式，針對不同的項目可采用不同的系統(tǒng)。

中央控制大廳（OCC）采用風冷型單元式空調機組簡單可靠，適應分期建設的需要；應充分重視OCC大廳人員新風的設計，提高人員舒適度。