吴绍康 罗 辉 王静伟

(广州地铁设计研究院股份有限公司， 510010， 广州∥第一作者， 工程师)

冷水机组搭配开式冷却塔的传统方式依然是目前地铁地下车站空调水系统的主要形式。常规冷却塔的布置主要分为3个大类：冷却塔设置在高风亭上、冷却塔单独设置在地面、冷却塔下沉设置[1]。常规冷却塔的布置对周边环境带来了噪声、余热及漂水等不良影响，是地铁设计、建设过程中急需解决的难题。尤其是在中心城区地面建筑物密集的情况下，冷却塔的设置问题更为突出。基于此，将冷却塔埋设于地下、在地面上增加冷却塔进排风亭的方案受到了越来越多的关注。文献[2]通过将埋地布置的冷却塔与常规冷却塔进行对比分析，认为地铁工程在景观要求较高、地面无冷却塔设置条件时可采用全地下的布置形式。文献[3]针对广州地铁某地下车站采用埋地式布置冷却塔、蒸发冷凝两种方案进行了技术经济对比分析，认为这两种方案在景观效果及噪声控制方面均较好，蒸发冷凝方案的占地面积更小，但蒸发冷凝方案应用于地铁项目(尤其是南方高温高湿地区的地铁项目)时，存在实际运行中能耗较大、运行稳定性较差、维护成本较高、使用寿命受水质等因素影响较大等方面的不足。隐藏式冷却塔在上海城市轨道交通、成都地铁的特殊车站上已有应用，有效解决了冷却塔设置对城市景观影响的问题，且一定程度降低了运行噪声。

隐藏式冷却塔在城市轨道交通行业的应用依然较少，本文在文献[2-4]的研究基础上，深入分析地铁地下车站的排风特性，探讨利用地铁地下车站排风降低隐藏式冷却塔的运行能耗，低成本解决冷却塔白雾问题，以期为隐藏式冷却塔在地铁地下车站工程中得到更好的应用提供参考。

1 隐藏式冷却塔的布置概述

地铁风亭等附属结构的围护设计通常采用挖孔桩或者连续墙，围护结构通常需包络所有风亭的外轮廓。对于地铁的低矮风亭组，新风亭和排风亭间的净距要求不小于10 m，在进风亭和排风亭之间常设有可以利用的空间。因此，适当扩大风亭的维护结构规模后，可将冷却塔布置于地下，这对车站土建的初始投资影响不大。

隐藏式冷却塔结合车站土建附属空间予以布置，其布置方案如图1所示，在地面增加供冷却塔使用的进风亭和排风亭。考虑减小占地面积及尽量不影响城市景观等因素，该方案在设计时往往将新增风亭与原车站风亭合建。与常规冷却塔的布置相比，隐藏式冷却塔的布置增加了冷却塔运行的阻力，增大了冷却塔本体的噪声，因此，在设计时应采用降低冷却塔坑道的风速、优化坑道的气流组织等措施，以减小冷却塔风机的全压及运行噪声。隐藏式冷却塔坑道的尺寸和风亭面积与车站规模有关，应根据车站具体的空调负荷大小、冷却塔散热能力及冷却塔风机风压综合考虑确定。此外，若冷却水泵与冷却塔坑道同层布置，还需要注意水泵启动和运行过程中的气体腐蚀、空气腐蚀问题，以及空调水系统停止运行后冷却水的倒流问题，这些问题不是本文研究的重点，有待后续进一步研究。

a) 平面图

2 地铁地下车站的排风再利用

本文选取广州地铁2号线某典型地下车站某个夏季空调日的数据进行分析，图2为该站当日06:00—22:00车站排风道、室外新风道内干球和湿球的温度时程变化曲线。由图2可知，室外新风的干球、湿球温度随时间的变化较大，湿球温度在13:00左右达到最高值(31.8 ℃)；车站排风的干球、湿球温度变化较小，车站排风参数相对较为稳定。不同时刻下车站排风的干球温度最大相差2.1 ℃左右，湿球温度差异则更为明显(最大相差6.4 ℃)。由此可见，在夏季，广州地铁地下车站排风的干、湿球温度大部分时刻均低于室外新风的干、湿球温度，采用引入车站排风作为冷却塔的进风以降低冷却塔进风的湿球温度的措施是可行的。

图2 广州地铁典型地下车站夏季空调日车站排风及室外新风的温度时程变化曲线Fig.2 Temperature time-history curve of exhaust air and outdoor fresh air in typical underground station of Guangzhou Metro on summer air-conditioning day

利用车站排风作为进风以降低冷却塔进风湿球的温度变化幅度，该幅度与车站可利用的排风量大小密切相关。地铁地下车站服务公共区的空调大系统及主要设备房的空调小系统一般采用双风机的一次回风系统，回风阀开启或关闭的依据是排风与室外新风参数的对比情况。图3为广州地铁采用全空气空调系统的典型地下车站2020年8月连续3 d的室外新风、大系统排风及空调小系统排风焓值的时程变化曲线。由图3可以看出，室外新风焓值随时间的变化较大，并在13:00达到最大值；车站排风焓值(包括大系统排风焓值和空调小系统排风焓值)波动较小，波动主要是由于房间湿度的变化引起的。

从图3还可以看出，在连续3 d的监测时段内，室外新风焓值均高于车站空调系统的排风焓值，这表明了广州地区地铁地下车站空调系统夏季主要在小新风空调工况下运行，空调区域低温低湿的排风可用于冷却塔的风量较少。除了这部分的空调排风外，还可利用的排风主要是车站轨行区排热系统(以下简称“轨排”)的排风、通风房间的风量及车站混合后的排风。在轨排工频运行的情况下，广州地铁典型地下车站排风道内可利用的排风量约为40～50 m3/s，与一般规模车站的冷却塔进风量大小相当。由于车站排风道的排风量受车站空调系统实际运行工况的影响较大，因此，不同地区的地下车站应根据车站的实际情况核算排风的可利用程度。

a) 第1天

3 隐藏式冷却塔的控制工艺

隐藏式冷却塔结合地铁地下车站附属风道布置，具备切换风道内阀门的条件，可利用车站排风改变冷却塔的进、出风参数，使冷却塔在节能、防白雾、排烟等不同运行工况下灵活运行，进而解决常规冷却塔运行时存在的部分问题。

3.1 节能工况

降低冷却塔出水温度，可降低冷水机组的冷凝温度。据统计，冷凝温度每降低1 ℃，冷水机组制冷性能系数(COP)可提高3%左右。因此，在冷却塔结构一定、热力性能良好的情况下，冷却塔的出水温度取决于环境湿球温度。隐藏式冷却塔在节能工况下的运行原理如图4所示。

a) 节能工况一(通过MD-W02的排风量小于冷却塔进风量)

如图4所示，在车站排风及室外新风处分别设置温湿度传感器H-W01、H-W02。当车站排风的湿球温度低于室外新风湿球温度时，打开节能风阀MD-W02，此时车站低湿度的排风与室外新风混合，可降低冷却塔入口空气的湿球温度，降低冷却塔出水温度，进而可提高冷水机组的COP。

图4 a)节能工况一中，通过MD-W02的排风量须小于冷却塔的进风量。若通过MD-W02的排风量大于冷却塔的进风量，部分车站排风将通过冷却塔新风亭排出室外，由于冷却塔的新风亭往往与车站新风亭合建，车站排风与车站新风将出现短路现象，不符合GB 50157—2013《地铁设计规范》中关于风亭间距的要求。该情况下，应在冷却塔新风道设置风向传感器V-W01，当检测到新风道气流流向室外时，立即关闭冷却塔新风阀MD-W01，此时阀门的切换及空气的流动如图4 b)节能工况二所示。因此，应结合地下车站空调系统的具体情况进行风量平衡核算，以确定是否需要设置MD-W01。

3.2 全新风工况

当车站排风的湿球温度大于等于室外新风湿球温度时，车站排风不具备再利用的条件，应关闭MD-W02，冷却塔以全新风工况运行，如图5所示。相对于常规地面冷却塔的布置，隐藏式冷却塔布置增加了土建风道阻力，因而在全新风工况下的能耗有所增加。考虑地铁工程对冷却塔噪声的控制要求较高，隐藏式冷却塔在布置时应适当加大塔的风道面积，以减小局部阻力，并降低冷却塔的风机全压，使之在降低噪声的同时减小运行能耗。

图5 隐藏式冷却塔在全新风工况下的运行原理图Fig.5 Operation principle of invisible cooling tower under full fresh air working condition

3.3 防白雾工况

如图6 a)焓湿图所示，冷却塔白雾形成的原理是冷却塔出风侧高温高湿气体(状态点O1)与室外空气(状态点W)的混合点落入空气饱和区，即线段WO1与相对湿度Φ=100%等值线相交。室外空气越接近饱和、温度越低时，混合点落入饱和区的风险越大；冷却塔的出风温度和相对湿度越高时，混合点落入饱和区的风险亦越大[5-6]。以广州地铁为例，每年的3月份、4月份地下车站的室外温度较低，且冷却塔出风接近饱和状态，冷却塔易产生白雾现象。白雾现象在一定程度上影响了城市景观，冷却塔周边如有住宅等敏感建筑，还容易受到市民投诉。

a) 焓湿图分析

由于地铁地下车站的室外气象参数难以控制，因此，解决冷却塔白雾的主要措施是降低冷却塔出口处高温高湿气体的相对湿度，使其与室外空气的混合状态点处于非饱和状态。通过混合空气预防白雾产生已有相关研究[7]，隐藏式冷却塔布置可充分利用车站排风进行除雾，其运行原理如图6 b)所示。通过开启除雾风阀MD-W03、关闭MD-W02，将高温不饱和的车站排风(状态点P)与冷却塔排风(状态点O1)混合，混合后的状态点为C，使冷却塔排风亭出风远离饱和状态，进而有效地避免白雾的发生。与工业领域采用的冷却塔出风侧电加热或废热利用等方式相比，利用车站既有排风混合的方式防白雾，其初始投资较低,运行能耗较小,后续维护工作量较少。此外，地铁冷却塔往往在非空调季或过渡季节才产生白雾，此时对应的车站通风空调系统一般为全新风工况，车站可利用的排风量较大，因此，结合车站风道布置隐藏式冷却塔，可以用较低的成本有效地解决冷却塔的白雾问题。

3.4 排烟工况

当地下车站发生火灾时，车站空调水系统(含冷却塔)关闭，车站排风道用于火灾时的排烟。为避免高温烟气串入冷却塔导致冷却塔发生次生火灾，应在发生火灾时采取切换电动风阀等措施，避免火灾规模的进一步扩大。此外，冷却塔填料是一个常见的火灾隐患点，在安装、运行及维修过程中可能引发火灾[5]，将冷却塔埋于地下，需要考虑冷却塔和车站火灾的相互影响。当冷却塔发生火灾时，应通过关闭MD-W01风阀，避免烟气串入车站新风道后进入车站，对车站造成不利影响。火灾工况下隐藏式冷却塔的排烟原理如图7所示。

图7 火灾工况下隐藏式冷却塔的排烟原理Fig.7 Smoke exhaust principle of invisible cooling tower under fire situation

4 结语

1) 隐藏式冷却塔结合车站土建附属结构进行布置，既解决了常规冷却塔对景观造成影响的问题，还可通过设置风道切换阀门及传感器满足其在节能、防白雾、排烟等多种工况的运行要求。

2) 车站排风参数及可利用的排风量与车站空调系统的实际运行工况有关。对于广州地区而言，车站排风的湿球温度普遍低于室外新风的湿球温度，隐藏式冷却塔利用车站排风降低冷却塔进风湿球温度，可弥补冷却塔埋于地下因风道阻力所增加的运行能耗。后续应在实际工程中对全年的记录数据计算分析，将排风的节能量与因土建风道增加的能耗值作进一步的对比。

3) 地铁地下车站冷却塔白雾易发生在冬季，此时车站空调系统往往处于全新风工况，可利用的排风量较大。隐藏式冷却塔通过将车站高温的排风与冷却塔排风混合，改变冷却塔的出风参数，能低成本、有效地解决常规冷却塔的白雾问题。

4) 节能工况下，应对隐藏式冷却塔进排风及车站排风系统进行风量平衡核算，以避免车站排风通过冷却塔进风亭回灌至车站新风亭，造成车站新风污染。此外，还应进一步研究隐藏式冷却塔和车站发生火灾时的相互影响，通过风阀切换等措施避免火灾影响范围的扩大。