地铁车站空调冷却水系统设计的探讨研究

2017-09-18陈强

中国设备工程 2017年17期

关键词：冷水机组冷却塔冷却水

陈强

（福州轨道交通设计院有限公司，福建福州 350000）

地铁车站空调冷却水系统设计的探讨研究

陈强

（福州轨道交通设计院有限公司，福建福州 350000）

作为地铁车站运行的一个重要子系统，地铁车站空调系统在满足人们出行方便舒适性，保证人员乘坐环境、地铁设备顺畅运行的同时，也因耗能大越来越受到重视。地铁车站空调系统既要求可靠稳定，又要求经济节能。本文仅从地铁车站空调冷却水系统设计中寻找出一些技术措施优化设计。

地铁车站；空调；冷却水

受到现代城市地面区域空间不足、景观道路影响限制，地铁系统成为最常见的轨道交通形式，一般都处于城市地下。作为地铁车站的一个重要子系统，地铁车站空调系统既为乘客创造了地面车站入口至地铁列车内的过渡性舒适环境，还为地铁各系统专业设备房间提供符合工艺要求的运行环境。

1 设计现状及其问题

考虑到地铁车站内部巨大空间和人员、设备负荷，同时为了满足日益重视的环境卫生安全以及舒适度的要求，目前国内城市地铁车站绝大部分都采用全空气系统的空调形式。这种系统形式能够在过渡季、冬季利用室外空气与室内空气的焓差负担室内空调冷负荷，并且在全新风或通风工况下，能够改善深埋于地下的地铁车站的空气品质，同时能利用回排风机兼用排烟工况，因而在地铁车站的空调设计中广泛采用。一般典型的标准车站整体空调冷负荷约为1500kW（福州地区，并按远期高峰客流考虑），根据公共区及设备管理用房不同的使用功能设置若干台末端组合式空调风柜，冷源采用两台螺杆式冷水机组，配备相应的冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔。

地铁车站空调冷却水系统即由上述中的冷水机组、冷却水泵及冷却塔构成。冷水机组、冷却水泵设置在地铁车站地下站厅层的环控机房内，冷却塔一般就近设置在冷水机组侧的室外地面通风良好处，循环冷却水通过冷却塔进行降温处理。地铁车站空调系统负荷侧一般有规律可寻，空调系统负荷一般随季节、昼夜相差较大，在同一季节的单日正常运营时间内负荷基本保持稳定，为了便于与冷水机组工况保持一致，设计时往往按与冷水机组一一对应的方式配置冷却水泵与冷却塔。

为了便于阐述讨论，按照上述标准站的空调负荷来设置两台冷水机组、两台冷却水泵、两台冷却塔，三者一一对应。根据空调冷负荷1500kW，单台冷水机组的冷量为750kW，不少设计人员因此根据冷水机组样本对应的冷却水参数或者直接按照750kW的冷量输入水力计算软件得出的冷却水量，选配相应的单台冷却水泵及冷却塔，此两种设计思路是不妥的。冷却水泵及冷却塔的设计选型在地铁车站空调冷却水系统设计中是极为关键的一环，对循环冷却水进而对冷水机组的正常运转有着举足轻重的作用。地铁车站作为城市内提供主要公共交通服务，拥有强大输送能力的特殊公共建筑，即使在福州这样目前仅开通一条地铁线路的城市，近期人均载客量都已达到15万人次/日，地铁车站空调冷却水系统设计的合理性对于保障地铁系统安全可靠、稳定运行、节能经济也显得愈加重要，因为空调冷却水系统设计直接关系到冷水机组的正常运转，设计不当轻则造成出水温度不达标，冷却效果差，进而影响冷机冷量的输出，严重的甚至会引起冷机停机停转。

2 冷却水泵的设计选型

冷却水泵的设计选型一般分为两个步骤，水泵流量的计算确定和水泵扬程的计算确定。

2.1 冷却水量确定

根据《实用供热空调设计手册》第二版2058页所列公式计算：

式中：G——冷却水量，kg/s；

Q0——制冷机冷负荷，kW；

k——制冷剂制冷时耗功的热量系数，对于压缩

式制冷机，取1．2～1．3左右。

c——水的比热容kJ/kg，取4．19。

tw1、tw2——冷却塔的进、出水温度，℃；

压缩式制冷机取4～5℃。

由于上述式中的G冷却水量是以kg/s为单位，要换算成m3/h单位只需直接乘以3．6即可，k取1．25，c取4．19，tw1-tw2取5，将这些数据代入公式，按前述标准站的空调冷负荷1500kW，算出的冷却水量G=3．6×1．25×1500/4．19/5=322m3/h。

我们看到计算出的冷却水量考虑了水机制冷时的耗功，上述公式中的k值可以理解为就是1+1/cop，因此按公式算出来的冷却水量比按水力计算软件算出的冷却水量一般偏大20%～30%左右。对比冷水机组样本上的冷却水量，有的厂家在产品样本上会标识出冷却水侧的进出水温度，各个厂家标识的水温各不相同，常见的有30/35、32/37甚至32/37．5等，设计人员在设计时应小心查阅求证，根据实际情况咨询水机厂家积极修正冷却水量，切不可马虎大意。

2.2 冷却水泵的流量选型

我们知道水泵的并联运行会引起单台水泵出水量的衰减，随着并联台数的增多，每并联上一台设备所增加的流量越小，叠加效果就越差，这就是水泵的并联特性。根据上述典型标准地铁车站的冷却水泵的设计配置，一般配置两台冷却水泵并联运行，因此在地铁车站冷却水系统设计时就应充分考虑这一因素。

由《流体输配管网》图7-1-11（水泵并联运行的工况分析图）可以看出，两台水泵并联运行时，单台水泵的流量衰减5%，两台水泵并联后输出的总流量为单台流量的190%。根据这一特性，单台冷却水泵的选型值应考虑并联特性，亦即取单台冷却水泵计算值的110%作为选型值，根据上述计算的冷却水量322m3/h，则单台冷却水泵的选型值确定为322×1．1/2=177m3/h。

2.3 冷却水泵的扬程计算

地铁车站空调冷却水系统一般为开式系统，仅在冷却塔喷嘴处断开，在冷却塔集水池内重新积聚，可以理解为类似U型管的压力传导形式，因此冷却水泵的扬程一般可由下式计算得出：

式中：H——冷却水泵的扬程；

H1——管路沿程阻力损失；

H2——管路局部阻力损失；

H3——设备阻力损失（水冷机组冷凝器阻力）；

H4——冷却塔中水的提升高度（具体以实际冷却塔厂家提供的数据为准）；

H5——冷却塔中喷嘴的喷雾压力（具体以实际冷却塔厂家要求为准）；

安全系数：地铁系统一般要求为1．05～1．2之间，具体以总体设计要求为准。

值得注意的是，冷却塔设置位置的高度对冷却水泵扬程的影响仅仅体现在冷却水系统管路的沿程、局部阻力损失上，不应直接附加上冷却塔设置位置的垂直高度。另外大多数设计人员在设计过程中为了规避不可预见的因素，例如施工质量、水质影响等，经常加大各项阻力或者再放大安全系数，造成冷却水泵的扬程选型值比计算值、实际需求值偏大不少，这也间接增大了地铁车站空调冷却水系统中冷却水泵的能耗，造成了不必要的浪费。

3 冷却塔的设计选型

有些设计人员根据上述的冷却水量计算值直接选取冷却塔，这种选型方法也是不妥的，这种设计思路忽略了影响冷却塔处理水量的两个关键因素：室外环境湿球温度和冷却塔进出水温度。

一般冷却塔的样本上会标明冷却塔型号的选型工况，例如入口水温37℃，出口水温32℃，室外湿球温度28℃为标准设计条件。应当要注意的是，每个地区的湿球温度都不一样，例如根据气象资料，福州地区夏季室外湿球温度为28℃，而不远处的厦门则为27．5℃。另外相对湿度越高湿球温度也就越高，例如夏季、雨季等等。冷却塔的冷却效果不但取决于水流量的大小，更取决于室外湿球温度的变化。因此我们在选型时应当充分考虑当地气候环境下的实际室外湿球温度，因为气象资料是过去历史数据的检测统计，而现在现实中感受到的气象环境则更具有实际工程设计借鉴意义。

对比某冷却塔厂家同一型号的冷却塔在外部环境湿球温度分别为27℃、28℃、29℃下的处理水量，按上述冷却水量322m3/h，得出单台冷却塔计算冷却水量为322/2=161m3/h，列表如表1。

表1

由表1可以看出，在环境湿球温度由28℃上升为29℃时，同一型号的冷却塔处理水量由167m3/h衰减为138m3/h，衰减了20%，也就是说当室外湿球温度为29℃时，冷却塔的实际处理水量就只剩下冷却水量计算值的80%。

根据以上工况分析，在地铁车站空调冷却水系统设计中应充分考虑这一环境因素的影响。地铁车站的冷却塔一般就近设置在车站地面出入口附近，由于处于地面，受到周边冷却塔湿气流、低矮建筑物侧壁、道路车流行驶的气流扰动影响，实际环境湿球温度早已不是标准工况下的状态。再加上福州城区三面环山，一面环水，独特的山水地理环境造就了临海丘陵盆地的地形，福州地区近年来夏季高温气候不断，夏季湿度高，湿气不容易吹散，酷日炎炎下塔周温度十分接近地面地表温度（福州地区有监测记录的数据甚至到达过40℃），因此有必要对选型值进行适当放大，以保证夏季高温酷暑下的空调季冷却水处理水量满足冷水机组冷凝器所匹配的循环水量。仍以上述典型标注车站为例，单台冷却塔的选型值应为322/2/0．8=201m3/h更为合理科学。