地鐵車站單端大系統(tǒng)結(jié)合冷源設(shè)計
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【摘要】為優(yōu)化傳統(tǒng)地鐵車站大系統(tǒng)雙端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)所存在的機房面積大、空間利用不充分、風(fēng)水系統(tǒng)輸送能耗大以及管綜壓力大等問題，采用一種僅在車站設(shè)備區(qū)小端設(shè)置大系統(tǒng)單端送回風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)空調(diào)方案。為進(jìn)一步取消冷水機房，節(jié)省機房面積，以及減少設(shè)備初投資，提高制冷能效，降低運行能耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的，大系統(tǒng)采用新型高效的水冷直接制冷式空調(diào)機組，大小系統(tǒng)冷源分設(shè)。本文介紹該系統(tǒng)在洛陽地鐵2號線九都西路站的應(yīng)用情況，推薦今后設(shè)計合理采用此系統(tǒng)方案，并提出需注意的問題以及應(yīng)對措施。
【關(guān)鍵詞】單端送回風(fēng)系統(tǒng)；輸送能耗；節(jié)省機房面積；水冷直接制冷式空調(diào)機組；減少初投資；提高制冷能效；降低運行能耗；節(jié)能
引言
隨著城市軌道交通開通城市及線路越來越多，運行里程數(shù)越來越大，地鐵運行能耗大的問題凸顯，而其中地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占相當(dāng)大的一部分，因此采取有效的節(jié)能措施，降低地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗，對降低整個地鐵的能耗具有非常重要的意義。地鐵公共區(qū)作為典型的地下大空間建筑，其運行能耗又是地鐵通風(fēng)空調(diào)運行總能耗的重要組成部分。因此公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計以及節(jié)能運行對于地鐵降耗具有舉足輕重的作用。
1大系統(tǒng)雙端送回風(fēng)與單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的比較
1.1機房占用面積、空間利用方面
傳統(tǒng)大系統(tǒng)雙端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在車站兩端設(shè)備區(qū)均設(shè)置有大系統(tǒng)機房，兩端各設(shè)置一臺組合式空調(diào)器、回排風(fēng)機，大小系統(tǒng)機房合用設(shè)置，由于大系統(tǒng)組合式空調(diào)器與小系統(tǒng)空調(diào)器長度懸殊，故機房的縱向（車行方向）長度按組合式空調(diào)器長度設(shè)計，導(dǎo)致小系統(tǒng)空調(diào)器以及風(fēng)機處縱向長度空間利用不充分，造成機房面積的浪費。單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)即僅在車站設(shè)備區(qū)小端集中設(shè)置2臺大系統(tǒng)的組合式空調(diào)器以及回排風(fēng)機，設(shè)備區(qū)大端僅設(shè)置小系統(tǒng)機房，則大端機房長度按小系統(tǒng)設(shè)備長度進(jìn)行設(shè)計，機房面積整體可縮減50~100m2。
1.2冷凍水系統(tǒng)輸送能耗方面
傳統(tǒng)大系統(tǒng)雙端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷水機組設(shè)置于大端設(shè)備區(qū)冷凍機房，為了給小端的組合式空調(diào)器提供服務(wù)，冷凍水管需跨越大端設(shè)備區(qū)以及整個公共區(qū)，輸送水管長度為350~400m，水利輸送阻力為70~80kPa，冷凍水泵揚程可達(dá)到26m左右。單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)將冷凍機房設(shè)置于車站設(shè)備區(qū)小端（與組合式空調(diào)器同一端），不僅可節(jié)省約300m水管投資，而且減小水利輸送損失。
1.3風(fēng)系統(tǒng)輸送能耗、管綜壓力方面
傳統(tǒng)大系統(tǒng)雙端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的大端送、回排風(fēng)管需跨越長長的設(shè)備區(qū)到達(dá)公共區(qū)，需克服送、回排風(fēng)阻力約為200Pa；且送、回排風(fēng)管面積一般均為1m2左右，如此大的風(fēng)管需穿越大端設(shè)備區(qū)，造成大端設(shè)備區(qū)管線密集、擁擠、檢修不便等問題，一直是讓管綜頭疼的難題。單端送回排風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置于車站設(shè)備區(qū)小端，無須跨越設(shè)備區(qū)即可到達(dá)公共區(qū)，風(fēng)管輸送距離減少，減小輸送能耗，也大大緩解了大端設(shè)備區(qū)的管線壓力。
2傳統(tǒng)冷源與水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)方案的比較
2.1傳統(tǒng)冷源系統(tǒng)方案存在的問題
傳統(tǒng)冷源系統(tǒng)由冷水機組、冷凍水泵、空調(diào)器、冷卻塔、冷卻水泵以及冷凍水、冷卻水管路多個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。冷凍水側(cè)由冷水機組蒸發(fā)器換熱產(chǎn)生的冷凍水經(jīng)冷凍水泵輸送至空調(diào)末端設(shè)備，空氣再與水進(jìn)行二次熱交換，達(dá)到制冷的效果，存在熱交換損失。冷凍水管初投資大，且穿越公共區(qū)和設(shè)備區(qū)給管綜造成壓力。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制點位多，造成控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且控制不便。
2.2水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)方案原理介紹
水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)由水冷直接制冷式空調(diào)機組、冷卻水泵、冷卻塔以及冷卻水管路組成，其原理如圖1所示。水冷直接制冷式空調(diào)機組的主要功能段有磁懸浮變頻離心式壓縮機、蒸發(fā)器、水冷殼管冷凝器、電子膨脹閥、送風(fēng)機等。采用冷媒直接膨脹蒸發(fā)將空氣降溫除濕后送風(fēng)，省去了空調(diào)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，無須二次換熱能耗，集成了冷水機組和組合式空調(diào)器功能。
2.3水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)方案的優(yōu)點
由于此系統(tǒng)組成簡單，機房內(nèi)僅需設(shè)置冷卻水泵，節(jié)省了冷水機房的土建投資；省去冷凍水系統(tǒng)，無須二次換熱能耗，且節(jié)省了設(shè)備的初投資；由于水冷直接制冷式空調(diào)機組壓縮機采用磁懸浮軸承，無潤滑油，解決了機械軸承的回油問題，改善了冷量衰減問題，機組COP能提高15%以上；噪聲小，振動小，且調(diào)節(jié)范圍廣，可實現(xiàn)5%~100%的無級調(diào)節(jié)；系統(tǒng)架構(gòu)簡單，控制接口少，便于維護(hù)。
3大系統(tǒng)單端送回風(fēng)結(jié)合水冷直接制冷式冷源在地鐵車站的應(yīng)用
3.1洛陽地鐵
2號線九都西路站的工程概況本站為洛陽市軌道交通2號線一期的第7個車站，為地下兩層（局部三層）的島式站臺車站，無換乘線路。本線采用B型車6節(jié)編組，有效站臺長度120m，站臺寬度12m，公共區(qū)長度約100m。車站外包總長189m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬20.7m。
3.2該結(jié)合方案在九都西路站的應(yīng)用情況
3.2.1公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案本站大系統(tǒng)機房集中設(shè)置于設(shè)備小端（右端），和右端小系統(tǒng)機房合設(shè)，設(shè)備大端（左端）僅設(shè)置小系統(tǒng)機房。大系統(tǒng)機房內(nèi)設(shè)置水冷直接制冷式空調(diào)機組2臺，回排風(fēng)機1臺。公共區(qū)采用設(shè)備小端（右端）單端送回風(fēng)的全空氣一次回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，2臺水冷直接制冷式空調(diào)機組并聯(lián)運行，氣流組織為上部均勻送風(fēng)，上部集中回風(fēng)，回排風(fēng)管僅引短管至公共區(qū)開設(shè)集中回排風(fēng)口，回排風(fēng)管不兼公共區(qū)排煙管。公共區(qū)排煙風(fēng)機左右兩端各設(shè)置1臺，分別負(fù)責(zé)半個站廳和半個站臺的火災(zāi)排煙。本站大系統(tǒng)單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2所示。站廳公共區(qū)長度約為92m，從設(shè)備小端（右端）機房內(nèi)水冷直接制冷式空調(diào)機組引出2根送風(fēng)支管至站廳公共區(qū)，共設(shè)置送風(fēng)口28個，每根送風(fēng)支管上14個；從該機房內(nèi)回排風(fēng)機引出1根回排風(fēng)管至站廳公共區(qū)，設(shè)置1個集中回排風(fēng)口；排煙系統(tǒng)風(fēng)管雙端布置，在站廳公共區(qū)共設(shè)置排煙口12個。站臺公共區(qū)長度約為113m，從站廳設(shè)備小端（右端）的水冷直接制冷式空調(diào)機組引出1根送風(fēng)支管至站臺公共區(qū)，共設(shè)置送風(fēng)口28個；引出1根回排風(fēng)管至站臺公共區(qū)，設(shè)置1個集中回排風(fēng)口；排煙系統(tǒng)風(fēng)管雙端布置，在站臺公共區(qū)共設(shè)置排煙口12個。
3.2.2公共區(qū)冷源系統(tǒng)設(shè)計方案本站大小系統(tǒng)冷源分設(shè)，大系統(tǒng)采用水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)，小系統(tǒng)采用VRV系統(tǒng)。水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)由水冷直接制冷式空調(diào)機組、冷卻水泵、冷卻塔組成。本站大系統(tǒng)采用單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，2臺水冷直接制冷式空調(diào)機組設(shè)置于車站設(shè)備小端（右端），在小端（右端）大系統(tǒng)機房再增設(shè)2臺冷卻水泵即可。以本站為例，大系統(tǒng)的總制冷量為500kW，將大系統(tǒng)采用雙端送回風(fēng)傳統(tǒng)冷源系統(tǒng)方案與采用單端送回風(fēng)水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)方案進(jìn)行比較，如表1所示。由此可見，不管是從土建、設(shè)備、管道的初投資還是冷機的制冷性能系數(shù)以及空調(diào)總能耗來說，水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)均比傳統(tǒng)冷源系統(tǒng)更有優(yōu)勢，優(yōu)點顯著。不僅減少了土建的初投資，也減少了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的初投資，提高了制冷能效，而且使得運行能耗降低20%以上；水冷直接制冷式空調(diào)機組自帶智能控制系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)，現(xiàn)場調(diào)試操作方便，節(jié)省運維管理成本。
4設(shè)計中需注意的問題以及應(yīng)對措施
4.1解決單端送風(fēng)系統(tǒng)的水利不平衡問題
單端送風(fēng)系統(tǒng)會比傳統(tǒng)雙端系統(tǒng)一根風(fēng)管上設(shè)置更多的風(fēng)口，如果不采取措施，水利不平衡率會很高，公共區(qū)的空調(diào)送風(fēng)不均勻，導(dǎo)致公共區(qū)不同位置溫度的差異，降低人的舒適感。因此必須要采取必要措施，保證水利平衡。根據(jù)理論計算，在風(fēng)管管徑可以任意選擇的情況下，是可以做到水利不平衡率接近于0的。然而，實際工程中，考慮到規(guī)范生產(chǎn)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于施工和加工精度等因素，風(fēng)管的管徑不可能任意選擇。一般我們會選擇不同國標(biāo)尺寸的風(fēng)管，這樣就要注意風(fēng)管的變徑設(shè)計，在均勻送風(fēng)的原則下進(jìn)行計算，需變徑時均變徑，最終也可將最大不平衡率控制在10%以內(nèi)。
4.2建議單端集中回排風(fēng)系統(tǒng)與雙端排煙系統(tǒng)獨立設(shè)置
單端回排風(fēng)系統(tǒng)建議采用集中回排風(fēng)，設(shè)置集中回排風(fēng)口，則無須考慮管路的不平衡率造成的影響。排煙風(fēng)管雙端設(shè)置，且與回排風(fēng)管獨立設(shè)置。既可避免回排風(fēng)兼排煙風(fēng)管的天然弊端：因回排風(fēng)量與排煙量不同，風(fēng)管風(fēng)速要求不同，共用風(fēng)管必然要相互遷就風(fēng)速，結(jié)果很難達(dá)到最佳的風(fēng)速要求；又可規(guī)避調(diào)試?yán)щy的問題：共用風(fēng)管會出現(xiàn)回排風(fēng)管路調(diào)試平衡，但排煙工況時遠(yuǎn)端風(fēng)口風(fēng)速極低，近端風(fēng)口風(fēng)速極高的現(xiàn)象，影響排煙效果。所以，回排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置集中回排風(fēng)口，且與排煙風(fēng)管獨立設(shè)置，互不影響，既可避免回排風(fēng)水利不平衡的問題，又可保證排煙效果。
4.3綜合考慮冷水機房在小端的設(shè)置條件
本文所述站點冷源系統(tǒng)形式為水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)，故小端機房無須考慮冷水機房的增設(shè)條件。若在今后設(shè)計中單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)冷源系統(tǒng)形式，則需考慮在小端設(shè)置冷水機房的條件。因小端條件有限，應(yīng)與建筑專業(yè)密切配合，通過綜合調(diào)整設(shè)備區(qū)布局給冷水機房找出合理位置。推薦將單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)形式結(jié)合設(shè)計。
5結(jié)語
單端送回風(fēng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)方案與水冷直接制冷式冷源系統(tǒng)方案的結(jié)合設(shè)計，在洛陽地鐵2號線全線得以應(yīng)用，極大地降低了土建、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的初投資以及風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)的運行能耗；采用智能化的控制系統(tǒng)，將風(fēng)水的控制集成于一體，減少控制接口問題，使得控制簡單易調(diào)試；系統(tǒng)架構(gòu)簡單，便于安裝維護(hù)。在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果上，兩者的結(jié)合設(shè)計，可謂相得益彰。此設(shè)計為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)模式一次大的變革，對今后通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計提出新的思路，有非常重要的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
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作者：張丹 單位：中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司
