毛细管供冷系统在城市轨道交通地下车站中的应用探索

李长春　郎平

摘 要：简要介绍了毛细管供冷系统的工作原理及其优势，通过分析城市轨道交通地下车站的空调负荷特点，评估毛细管供冷系统在地下车站中的适用性。对比不同工况下的能耗和经济性，阐述了毛细管供冷系统与传统地铁环控系统的节能和经济优势。

关键词：毛细管供冷系统；地铁；节能；温湿度独立控制

中图分类号：U231.4；TU831.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.076

1 毛细管供冷系统简介

毛细管网栅管径为3.4 mm×0.55 mm 或4.3 mm×0.8 mm，网栅间距为10 mm，大量液体在管道中均匀分配，流入导管中。毛细管内通16 ℃/21 ℃（供水/回水）的冷水，能量在用户和有效传热表面之间以辐射的形式传输，这种方式符合所有生物自然形式下的主要体温调节方式。因此，通毛细管系统采暖或制冷会使房间内的用户感觉非常舒适，并由此提高了其运行效率。

另外，毛细管供冷系统利用高温冷水大大节约了能源系统（制冷机）的运行费用，延长了使用寿命，减少了重复投资，同时，节约安装空间也进一步降低了土建成本。

2 可行性评估

2.1 城市轨道交通地下车站负荷特性

城市轨道交通地下车站内包括公共区（站厅、站台）和设备管理区。公共区环控系统常称大系统，设备管理区环控系统常称小系统。

大系统环控负荷特性有以下四大规律：①负荷波动性比较大，但是，波动率与室内人员的数量有直接关系；②室内湿负荷波动性比较大，但是，波动率与室内人员数量有直接关系；③室内负荷是由一部分（46%～81%）的稳定负荷构成（维护结构负荷、照明负荷、设备负荷）；④满足使用条件的新风指标高，新风供冷能力大于波动部分冷负荷。

小系统管理用房负荷特性与普通办公类似，比较适用于温湿度独立控制环控系统中。在此，不在赘述这部分内容。

2.2 项目应用适应性结论

通过分析城市轨道交通负荷特性和毛细管仿生供冷系统的应用适应性，可得出以下结论：①地下车站公共区（大系统）可利用毛细管仿生供冷系统承担稳定部分负荷。满足使用条件（屏蔽门漏风）新风送风量指标远大于满足卫生要求新风量指标，其绝对湿度差充分满足室内湿负荷需求和目前新风处理设备处理能力的需求，新风供冷能力大于室内冷负荷波动部分指标满足温度控制要求。②地下车站设备管理区（小系统）负荷特征与毛细管仿生供冷系统应用适应性比较吻合。③以毛细管仿生供冷系统为手段的温湿度独立控制环控系统在城市地下轨道交通地下车站的应用是可行的。

3 项目运用简介

传统的地下车站环控系统设置方案如下：①车站公共区通风空调大系统采用全空气一次回风系统，双端送风；②根据各房间的使用功能和不同使用环境等要求，设置4个全空气一次回风空调系统，每个系统包括1台柜式空调器和1台回排风机；③在站厅层设冷冻机房，负责整个车站空调设备所需的冷冻水。

毛细管供冷系统设置方案如下：①车站公共区采用顶板辐射加侧墙冷却柜的供冷方式，新风经新风空调机组处理后送入公共区，由出入口和屏蔽门自然排出。②车站小系统根据功能的不同，采用不同的空调方式。人员房间采用顶板辐射供冷，弱电设备用房采用顶板辐射加侧墙冷却柜辅助供冷方式，变电所房间采用的是传统的一次回风空调系统。③车站冷源采用高温冷水系统。冷冻水系统供水/回水温度按16 ℃/21 ℃计算，冷却水供水/回水温度为32 ℃/37 ℃。冷冻水系统采用二次泵变水量闭式循环系统。

4 节能性初步评估

4.1 设计工况能耗指标对比

针对已经实施的2个地下车站（简称“车站一”和“车站二”），对比设计工况下2种不同空调形式的能耗指标。方案一为传统的地铁环控系统，方案二为毛细管网辐射供冷系统，将2种不同环控模式在设计工况下，能耗指标（w/m2）对比情况如图1所示。

从图1中可以看出，在标准设计工况下，方案二远比方案一节能，且节能潜力很大。

4.2 室外大气环境变化对能耗影响对比分析

4.2.1 环控负荷变化的对比分析

室外大气环境变化对环控系统负荷的影响主要表现为新风负荷变化。对于空调季节新风量标准相同、室内设计状态（干球温度、相对湿度）相同的各方案而言，新风负荷变化对能耗的影响主要反映在新风处理方式的性能系数差别上，性能系数越高，节能经济性就越好。方案一将新风与回风混合后，经空气处理机组降温除湿。新风处理方式下的冷热源系统综合性能系数就是反映冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的综合性能系数。方案二新风处理采用高温冷水预冷加专用冷源的新风处理方式。由于预冷工况与方案一的回风工况基本接近，所以，其新风处理方式下的冷热源系统综合性能系数就是反映高温冷水机组、一次冷冻水泵、新风预冷的二次能动水泵、冷却水泵、冷却塔的综合性能系数。各方案新风处理方式下的冷热源系统综合性能系数（w/w）对比情况如图2所示。

由图2可知，随着室外大气环境的变化（偏离设计工况），方案二比方案一的节能性好。

4.2.2 冷热源设备能效的对比分析

室外大气环境变化对冷热源设备效率的影响为室外温湿度偏离标准工况后，能够为制冷/热泵系统提供更大的过冷/过热量，在消耗相同压缩功的前提下，增大制冷/制热量，从而提高设备效率。对于冷水机组而言，室外大气环境焓值变化导致冷却水系统出水温度变化，其提供的过冷量反映了大气环境全热变化。下面，根据我国《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015），分析设备性能系数（COP）和综合部分负荷性能系数（IPLV），以呈现出两者的差别。

对于本文评估的地下车站的2种环控方案，方案一冷源全部为冷水机组，方案二为毛细管仿生供冷系统、新风预冷采用冷水机组，新风除湿降温部分采用风冷机组。按照负荷权重和相应的综合部分负荷性能加权平均后，形成各方

案系统综合部分负荷等效性能系数（IPLV）。各方案IPLV（w/w）对比情况如图3所示。

由图3可知，随着室外大气环境的变化（偏离设计工况），方案二冷热源设备的效率明显优于方案一。

4.3 节能性评估结论

通过分析以上2个地下车站环控系统，采用传统模式和基于毛细管仿生供冷模式在设计空调工况、客流变化工况、室外大气环境变化工况的能耗对比情况，可初步判定采用基于毛细管仿生供冷系统具有更好的节能优势。

5 经济性初步评估

以一个标准的地下两层车站为模型，分别按照传统地铁环控系统和毛细管供冷系统设计方案，并进行造价分析。由相关分析可知，毛细管网供冷系统的设备造价要高于传统的环控系统，但是，由于毛细管供冷系统的风管数量和尺寸均有所减小，所以，在满足净空要求的前提下，通过对管线的优化布置，可以将正常的站厅层层高由4.8 m降为4.2 m，站台层层高由4.5 m降为4.2 m。这样，相当于车站埋深浅了0.9 m，土建造价节约得比较多。

造价分析结果如表1所示。

6 结束语

经过初步分析，将基于毛细管供冷的温湿度独立控制系统应用于城市轨道交通地下车站，比传统全空气系统更有节能优势，同时，还能节省一定的建筑高度，节省造价。因此，毛细管供冷系统在城市轨道交通中的应用具有一定的研究开发价值，日后有待开展更加充分的可行性研究工作。

参考文献

[1]北京城建设计研究总院有限责任公司，中国地铁工程咨询有限公司.GB 50157—2013 地铁设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]中国建筑科学研究院.GB 50736—2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]中国建筑科学研究院.JGJ 142—2012 辐射供暖供冷技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

〔编辑：白洁〕