多联机空调与机械通风集成系统在地铁车站设备管理用房中的应用

2019-08-15李小坤

城市轨道交通研究 2019年7期

李小坤

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063，武汉//高级工程师)

地铁车站设备管理用房的通风空调系统(小系统)受房间功能、环境要求及设备发热量等因素制约，导致目前所广泛应用的全空气系统在应对设计负荷冗余、冷负荷自适应调节及系统输送能耗较高等方面存在诸多局限性，鉴于此，设计了将设备管理用房空调负荷与公共区进行冷源独立的多联机空调与机械通风集成的小系统方案。本文针对某城市地铁站采用的多联机空调与机械通风集成方案，结合建设及运营后反馈的问题，提出相应的改进思路。

1 多联机空调与机械通风集成系统方案

多联机空调与机械通风集成系统(以下简称“多联机通风系统”)，是指设备管理用房配置多联机空调系统及机械通风系统。空调季节时，房间冷负荷由多联机空调系统承担；非空调季节时，可开启机械通风系统，利用室外低温通风消除室内余热。相对于全空气系统，其主要优点是与车站空调大系统的冷源相独立，非运营时段冷水系统可完全关闭，控制灵活且集成性较好，能够跟随各个房间的实时空调冷负荷进行自适应调整，使设备始终稳定、高效地运行，从而达到节能降耗的目的。

2 多联机通风系统方案存在问题及解决办法

2. 1 非空调季节机械通风与多联机空调系统的能耗分析

根据对某地铁线路部分站点非空调季节通风空调系统能耗的监测，在线路开通初期，机械通风系统并不一定比多联机空调系统节能。以地铁某站为例，共采用了3套多联机空调系统及3套机械通风系统，配置如表1所示。

根据运营部门的测试，2016年1～3月期间，非空调季节采用多联机空调系统，该系统日均耗电量仅为144 kW·h。若关闭多联机空调系统，采用机械通风系统通过定风量运行排除余热，则按理论推算(因缺少该工况下实际测试数据)，风机总功率为30.4 kW，日耗电量为729.6 kW·h。由此可知，机械通风系统的理论能耗远大于多联机空调系统，初步分析主要原因如下：

表1 某地铁站设备管理用房的通风空调系统配置表 kW

1) 现阶段设备房间实际发热量远小于设计容量，多联机空调系统根据每个房间的实时发热量调整自身出力，使得实际运行能耗较小；

2) 多联机空调系统运行时，由于每个房间均可单独控制，故在实际使用过程中，管理人员可根据经验调整设备房间的设定温度及室内机开启台数，以降低能耗；

3) 机械通风系统一般考虑排除房间最大余热，并按照夏季通风室外计算温度进行设计，大部分情况下设计风量较为冗余。

因此，在非空调季节，不能盲目主观判断多联机空调系统或是机械通风系统哪种更为节能。两种运行模式的转换工况在节能方面存在一个转换点，且主要取决于通风系统的设计容量。建议可从以下方面进行考虑：

1) 由于多联机空调系统可作为通风不保证状况下的后备系统，因此可适当选取室外计算温度，加大通风设计温差，以降低设计风量。当仅靠通风无法满足余热量排除时，即开启多联机空调系统辅助降温，以及合理选择运行工况的转换点。

2) 机械通风系统送排风机采用变频风机，在发热量较小或室外温度较低的时段，通过降低风机运行频率来减少功耗。由于机械通风系统所服务的各个房间存在差异，风机频率的调整较难实现自控调整，且同类设备房间发热量一般具有一致变化规律，因此考虑根据运营历史数据总结适宜的规律具有可行性。

2. 2 通风系统需考虑对空气的预处理措施

在已运营线路中，多联机空调系统最初设计时考虑仅在空调季节运行，非空调季节开启机械通风系统。但在运营一个周期后，发现风口及房间内设备均有大量的粉尘堆积，其原因主要在于新风道或通风管道内未设置有效过滤措施，新风经过土建风道后，将大量灰尘带入室内。因此建议：

1) 新风道由于过风面积较大，一般可将其风速控制在4～5 m/s；如有设置过滤器的条件，可考虑在新风道内设置平板式粗效过滤措施，如可采用过滤粒径≥10 μm的金属波纹网等便于冲洗清洁的过滤器。

2) 对新风道壁面作改良处理，确保壁面清洁光滑不起灰。

3) 在重要设备用房及人员房间的送风管吸入端合理控制风速并设置集中的过滤措施，无条件时可在各房间送风口上设置过滤网，以进一步减少进入室内的灰尘。

2. 3 重要房间多联机系统冗余设计

重要设备用房的空调系统是确保设备能安全运行的必要保障，必须具有足够高的可靠性。多联机通风系统在最初设计时也针对此问题进行了分析并采取了一定的措施。如：机械通风系统，除了满足非空调季节运行节能的要求，以及确保气体灭火保护房间灭火后排气的需要外，也可在多联机系统发生故障或进行保养时，启用机械通风系统以消除房间余热；在重要设备用房内一般布置不小于2台室内机，室内机总冷量配置也相对冗余，当其中一台室内机产生故障时，其他室内机仍可保证至少一半以上制冷量，且室外机各模块独立供电，互不影响。

但若发生冷媒泄露问题，将导致整个多联机系统瘫痪，且短时间内不易发现且不易修复。因此，建议重要设备用房多联机系统采用冗余配置方案，即：由2套独立的多联机系统共同承担室内负荷，将室外机和冷媒管路分开，各自承担一半的系统负荷；室内机为偶数台，以此提高多联机系统的安全性。当具备条件时，在初期发热量较小且系统负荷率不足50%的情况下，可使2套系统平时轮流投入使用，这样在提高能效比的同时，可在一定程度上延长设备的使用寿命。

2. 4 变电所房间与大系统共用冷源可行性分析

因强电设备用房发热量较大、通风管道截面较大，以及存在安全距离等原因，使得管线布置困难；另外，采用多联机空调系统时，由于室内外机数量较多，存在房间内设备立体布置及室外机占地空间较大的问题。鉴于此，可考虑强电设备用房与公共区的空调系统共用冷源，利用已设置的冷冻水系统供冷，这样额外增加的冷水系统能耗就变得相对较小。

根据运营经验及相关测试得知，变电所强电设备发热量具有一定的规律，主要体现在：运营时段用电负荷较大的情况下发热量出现高峰；而在停运阶段，因供电负荷降低，其发热量也相对降低，可能低至设计冷负荷的20%～30%。针对此特点，在空调季节运营时段，公共区需制冷时变电所设备用房采用冷风降温，而在非运营时段冷水系统关闭时，采用机械通风系统排除余热；在非空调季节，由于室外温度较低，消除室内余热所需的通风量也相对较小，有一定的可行性[2]。以某城市地铁车站的整流变室及低压室为例进行定性分析。其设计参数如表2所示。

表2 某地铁站强电设备房间空调设计参数表

采用全空气系统时，考虑到冷风消除室内全热负荷与通风消除室内显热负荷能力不同，以表2空调冷风量为定值，采用显热计算公式校核室外通风温度。当通风温度为17.4 ℃时，采用机械通风方式可满足消除余热的要求。与空调季节和非空调季节的转换工况点大致相符，由于强电房间的设备特点，其室内温度为40～42 ℃时依然可视为正常工作环境，因此，在冷水系统停运季节，根据空调冷风量配置的通风系统可满足消除余热的要求。在空调季节，运营时段可与公共区共用冷源，通过冷风降温;而在非运营时段，按设备发热量仅为设计负荷的40%(考虑一定的安全系数)进行考虑，夜晚室外通风计算温度按32 ℃、室内计算温度按40 ℃考虑时，计算得到所需的通风量均小于正常情况下全空气系统冷风降温所配置的系统风量，具体如表3所示。

由表3可见，根据强电设备房间设备发热量的特点及其对环境温度的适应性，将强电设备房间与公共区共用冷源，并采用全空气系统，而其他设备管理用房采用多联机通风系统的方案是可行的。考虑到室外通风温度的变化，风机可采用变频控制，以根据负荷变化调整风量，来降低通风能耗。

表3 某地铁站非运营时段强电设备房间通风量校核参数表

3 多联机通风系统的改进方案

目前,大多数城市地铁车站大小系统共用冷源并采用全空气系统时，设置了大规模的多联机空调系统作为备用系统。但在设计时，全空气系统及备用系统一般均按照100%冷负荷进行设计。实际运营中，设备房间的发热量低于设计冷量的情况较为普遍，致使通风空调设备常年以低负荷率运行。备用系统一般是在非运营时段不开启冷机时投入使用，或在主用系统检修维护时使用，这两种状况下出现最高冷负荷的概率较低，且不同类型设备发热也有各自特点，因此空调系统设备均按最大冷负荷去配置容量欠妥。

基于以上考虑，建议的改进方案是多联机空调系统作为全空气系统备用方案，即主用系统及备用系统均按一定的负荷不保证率进行配置。如：按计算冷负荷的70%进行设计时，通常仅采用主用空调系统即可满足大部分时段的要求；而在出现不保证的高负荷情况下，通过将房间内设置的联动备用系统投入使用进行辅助降温，以共同承担室内负荷。由此，在减少设备投资的基础上，可有效降低运营能耗，特别是在初近期负荷远达不到设计负荷的情况下，更具可行性。