关于采用下沉式冷却塔的地铁车站增设冷冻水定压补水装置的探讨

齐宗潮，龙广炜

（1. 广州 510000；2. 广州 51000）

冷却塔作为中央空调系统的一个重要设备，一般安装在地面或建筑物上方，保证换热面空气对流方便，以便有良好的换热效果。地铁在为人们带来方便的同时，居民日益增长的环保噪音需求以及建筑整体美观、征地等要求，把冷却塔布置困难的问题也摆在了设计者面前。尤其设置在市区繁华或人口密集地区的地铁站，会有越来越多站点采用下沉式冷却塔基坑等方式安装冷却塔、膨胀水箱等站外冷却水系统设备，以达到各方面需求的平衡。

本文探讨的主要目的是解决地铁车站由于安装在下沉式冷却塔基坑内膨胀水箱与机房集水器的高度差不足，导致中央空调系统冷冻水补水水压不足，冷冻水泵产生气蚀，从而产生的中央空调系统中冷冻水供水压力不足，冷冻水循环量降低，影响整个中央空调系统供冷效果以及空调系统总体能效的问题。

1 探讨案例背景

以广州地铁六号线二期植物园站作为案例。（植物园站地面、下沉式安装冷冷却基坑以及车站内机房高度见下图）

图1 地面、下沉式安装冷却塔基坑以及车站内机房

由于膨胀水箱设计安装在下沉式冷却塔基坑地面，故膨胀水箱的安装高度是低于地面5M多。而地面至冷水机房内的集水器大约为10M深度。按照水容积高度与压力换算公式，10M高度落差约0.1MPa压力。从膨胀水箱至集水器高度差大约只有为5M，集水器只有0.05MPa的水压静压差，即冷冻水回水总压力只有约为0.05MPa的水压。

水泵扬程为H=28m ，按公式计算水泵理论提升压力为0.28MPa。 水泵出口提升压力P=0.28MPa+0.05MPa=0.33MPa（未计算压力损耗）而现场实测水泵出口压力为0.26MPa（含压力损耗±0.05 MPa），与理论计算值基本一致，证明水泵功能正常，但水泵出水压力偏低（按照地铁线网各站经验值，水泵出水压力应为0.3 MPa以上）。由于冷冻泵入水端压力较低，很容易对水泵会产生汽蚀现象，使水泵叶轮加快磨损，并有可能把空气带入冷冻水闭式水系统内，造成气堵，影响冷冻水系统循环水量。

植物园站冷水机组选用的是喷油式双螺杆冷水机组，采用的换热蒸发器为降膜式蒸发器，该款蒸发器进出水压差水阻压降大概是0.1MPa。但由于冷冻水泵供水压力只有0.26MPa，冷冻水在蒸发器内经过循环降温后，出水压力只降到大约0.26 MPa（进水压力）-0.1 MPa（水阻压降）=0.16 MPa。按照地铁车站冷水机组系统运行特性，当分水器供水压力低于0.3MPa时，容易造成降低系统冷冻水循环量，水系统及机组运行工况效率下降，降低制冷效果、热交换效率以及系统能效。现场实测冷冻水总供水不足0.3MPa，当冷冻水分水器供水压力低于0.3MPa时，即供水扬程低于30M，容易导致供至远端末端设备水压不足，从而使远端的冷冻水循环量降低，水流量降低，制冷效果变差。

实测植物园站远端的供水压力0.05 MPa左右，而主管流量只有7m3/h。供水压力不足导致流量远低于设计流量，使得远端普遍房间温度比近端高。站厅站台公共区温度也受到影响，近端温度达标，远端的半个站厅站台均超标（站厅30℃，站台29℃）。得出植物园站远端制冷效果不良原因为膨胀水箱与集水器高度差不够。从而导致总回水压力偏低，冷冻水系统补水速度慢，水泵入水压力较低等一系列问题。

首先尝试采用生活水直接向冷冻水系统直补的方法进行增压补水来解决该问题。当系统回水压力增压至0.1MPa时，冷冻水膨胀管开始出现凝露现象，直补水通过膨胀管，反涌回地面的膨胀水箱，并导致膨胀水箱满液溢水。这种解决办法未起到作用，且浪费自来水资源。

另外一种解决办法是采用消防水直接补水的方法，这种方法不仅不符合车站消防规范，而且该方法还存在一定的风险及不稳定性，如未及时补水将容易引起冷水机组起冷冻水流量不足保护停机；或者补水量较大时，容易联动开启车站消防补水泵进行消防管网补水已经制冷系统补水。因此针对地铁车站此种情况我们采用定压补水方式进行尝试。

2 定压补水装置方案探讨

在系统中增加定压补水装置，利用小型增压泵对冷冻水系统进行机械补水，提升水系统压力。通过智能控制系统自动控制补水装置的各部件，确保空调水系统稳定运作。同时能满足原有设计要求，可以替代原有设置的膨胀水箱。

定压补水装置目前在市面上并没有广泛应用的成熟产品，且并不一定完全适合地铁空调系统所使用的要求和参数，所以我们在此进行适合地铁车站定压补水装置方案探讨。

2.1 定压补水系统组成

整套定压补水装置由恒压膨胀罐、电接点压力表、泄压阀、进出水手动闸阀、止回阀、电磁阀、水泵、支架、水管、电源等组成。

图2 定压补水装置原理图

水泵选用高扬程，小流量不锈钢增压泵。整套定压装置直接接驳市政水源，通过安装在水系统集水器的电接点压力表检测水系统压力。当压力达到或低于0.1MPa时，自动启动增压水泵进行补水，当系统压力补至0.25MPa时水泵停止运行。电磁阀与水泵设有联动功能，水泵停泵时系统与市政水断开，防止市政水压发生波动时对水系统的压力影响。电磁阀后设有止回阀，防止空调水系统压力高于市政压力时，冷冻水反向涌进市政管网。止回阀后设有泄压阀，当系统压力高于0.4MPa将由泄压阀进行泄压，防止对水系统压力过高产生危险。水系统中并联设有一个膨胀罐，减少系统产生的水锤对管网系统的影响，同时可吸收系统膨胀冷冻水，保持系统正常的工作压力。系统进水端和供水端各安装有一个手动闸阀，当系统进行检修维护时可进行操作，无需对整个系统进行放水处理，方便维护。

2.2 系统具体要求

整套定压装置逻辑控制单元部分采用PCL可编程控制器实现自动控制功能，同时能实现手动/自动转换控制功能。

自动控制功能：当控制器打到自动位时启动自动控制功能，增压泵启停由PLC输出点控制，输出点连接电接点压力表压力范围值，设定停泵上限为0.25MPa，起泵下限为0.1MPa。水泵设有缺水保护器（进水管没水时停止水泵工作）以及热保护器（当水泵运行大流过大时停止水泵工作），电磁阀与水泵设有联动功能。

手动控制功能：当控制器打到手动位时启动手动控制功能，当打到手动位时，自动功能无法实现，只能现场进行收到启/停水泵操作。水泵设有缺水保护器（进水管没水时停止水泵工作）以及热保护器（当水泵运行大流过大时停止水泵工作），电磁阀与水泵设有联动功能。

表1 系统功能指标对比

表 系统性能指标要求2

2.3 改造安装调试过程

定压补水装置安装在机房角落，靠近冷水机组及分集水器，不影响其余设备检修及巡检。通过管道及三通从生活水引入水源并引进集水器，不影响车站生活水使用。且无需停机即可完成整套定压补水装置的在线安装。

定压补水装置调试过程中其中一个难点在于消除停泵时所产生的反向水锤，需要通过调整电接点压力表的压力控制范围到设定范围内达到消除目的，实现压力可控功能。经过调试，水泵运行电流稳定，管路压力呈线性提升，当管路达到稳定压力后（0.3MPa）产生的反向水锤不冲击系统。水系统压力从失压下限（0.1MPa）补水增压提升至上限（0.3MPa）整个过程只需要2分钟左右，方便快捷。

本次改造中，选取大系统组合式空调柜作为系统调试结果评价目标。按设计要求，远端A端、近端B端各设计一台制冷量达600kW、风量达70000m3/h的组合式空调柜，设计总流量均为61m3/h。整个水系统设计为同时运行两台冷水机和两台变频冷冻泵，即双机双泵运行时的总流量应与设计流量相符，单机单泵运行时，末端组合式空调柜的流量应减少一半。选取远端A端组合式空调柜AHU-01作为调试参照物，双泵模式时总流量Q=61m3/h，单泵模式运行时流量Q=61/2=30.5m3/h。但改造前现场运行流量却只有7m3/h，远低于设计要求。

接入冷冻水系统后，经过设备的调试，整套定压补水装置能按设计要求实现功能。通过调整补水压力值，可实现在不同阶段性工况下的自动运行。各参数均在设定范围内，整套定压补水装置运行稳定，达到预想结果。

整套装置占地面积小，对原有系统改动量小，可操作性大，只需要有一路市政自来水源和220V单相电源即可。同时具有使用操作方便，实用，可靠等优点。

2.4 改造后效果测试

增加定压补水装置后，在集水器侧增加补水量及增大冷冻水泵入口压力，有效补充水源，并提升出水扬程。变频水泵频率设定在40Hz，把提升压力设定在0.25MPa，现场实测水泵出水压力提升至0.4 MPa，有效提升冷冻水泵效率。

单冷机单泵运行时，由于水压提升，水泵扬程也有一定提升，高于冷水系统循环规定的最低压力P≥0.2MPa，所以循环流量也有效地实现了提升。单泵运行时，总流量达到165m3/h，近端B端大系统空调柜流量达到61m3/h，远端A端大系统空调柜流量达到42.9 m3/h，符合原设计要求。空调柜对应供冷区域的站厅站台公共区温度有明显的降温。站厅平均温度约为27℃，站台平均温度26℃，均低于设计标准，对比未改造前的站厅平均30℃，站台平均29℃，有明显的降温效果。

双机双泵运行，两台冷冻水泵运行频率设定在40Hz，总流量达到268m3/h，近端B端大系统空调柜流量达到100m3/h，远端A端大系统空调柜流量达到70m3/h，满足设计要求。站厅平均温度约为26℃，站台平均温度26℃，冷水机及水泵的运行效率和能效比COP有明显的提升。

表3 使用定压补水装置前后数据对比表

3 结束语

通过增加定压补水装置后车站中央空调水系统运行稳定，不但解决了由于膨胀水箱与集水器高度差不足导致系统水压力偏低带来的影响，还能大大提升冷水机、水泵的工作效率，提升整套中央空调的能效系数COP，符合设计要求。为地铁车站因下沉式冷却塔基坑设置膨胀水箱导致的系统水压不足提供了改造可行性的成功案例。后续新线路建设中，为类似因下沉式冷却塔基坑设计的补水方式提供新思路。