地铁车站空调输配系统附加冷负荷分析

2020-07-04胡蜜

现代城市轨道交通 2020年6期

胡蜜

摘要：以夏热冬冷地区某地铁车站为例，通过对空调系统中风机和水泵运行能耗的分析，并结合风管、水管等管道传热特征，研究空调输配系统的附加冷负荷。最后得出，地铁车站空调输配系统中风机运行引起的附加冷负荷约占空调总冷负荷的10%，水泵运行引起的附加冷负荷约占 2%，风管及水管因管道传热引起的附加冷负荷约占 1%。此外，基于单位风量耗功率的要求提出空调系统风机运行温升的限值。

关键词：地铁车站;空调输配系统;附加冷负荷;单位风量耗功率

中图分类号：U231.5

地铁车站空调系统冷负荷由空调区负荷和非空调区负荷2部分组成，其中空调区负荷包括空调系统服务区域内的人员散热、设备发热、渗透风传热等引起的冷负荷，非空调区负荷包括新风负荷及风机、水泵、风管、水管等输送系统引起的附加冷负荷。地铁车站空调一般采用全空气一次回风系统，由于车站空间有限，空调风管、水管等管网系统布置紧促，系统输送所需压力较大，因此空调系统设备功率较大，由此引起的附加冷负荷显著。同时，风管、水管由管道内外的温差传热，对空调系统也会产生一定的附加冷负荷。本文主要以夏热冬冷某市典型地铁车站为例，分别从设备运行和管道温差传热2方面分析输送系统的附加冷负荷。同时，结合节能规范中的单位风量耗功率Ws，分析空调系统中的风机温升限定值，从而为地铁车站冷负荷的计算和空调系统的风机设备选型提供参考。

1 空调系统划分

地铁车站空调系统按照服务对象及温湿度要求一般分为大系统和小系统2类。其中，大系统服务于车站公共区，为车站乘客提供过渡性舒适环境;小系统作用于车站设备及管理用房，为车站管理用房提供舒适的工作环境，同时为车站强弱电等设备用房提供所需的温湿度条件。

对于全封闭站台门制式的车站，大系统负荷占总冷负荷的60%～80%，小系统负荷占总冷负荷的20%～40%。本文所指典型地铁车站的大系统分布在车站两端，分别记为大系统A与大系统B。小系统根据房间属性及运营所需环境划分为4套全空气系统，分别计为K1、K2、K3和K4系统。其中，K1系统服务范围为非设备集中端设备用房，K2系统服务范围为车站设备集中端管理用房，K3系统服务范围为车站设备集中端弱电类设备用房，K4系统服务范围为车站设备集中端变电所用房。该典型地铁车站空调系统划分及负荷组成如表1所示，表中冷负荷占比wi是指该系统冷负荷Qi占车站总冷负荷Q的百分比。

2 设备运行附加冷负荷

2.1 风机运行附加冷负荷

地铁车站空调一般采用一次回风全空气系统，并且空调设备根据服务范围分别设置在车站两端的机房内。该典型地铁车站公共区、车站管理类用房及车站设备类用房空调系统如图1所示。

地铁车站空调输配系统中，风机推动空气所做的功最终以热能的形式转化为系统冷负荷。由于地铁车站送、回排风机的电机位于输送系统内，因此，风机运行产生的附加冷负荷可近似看作风机的耗电功率。风机耗电功率可按式（1）计算：

由图2可知，典型地铁车站各空调系统风机运行的总附加冷负荷率约为10%。并且，K3系统风机运行附加冷负荷率最高，K4系统风机运行附加冷负荷率最低。这是因为弱电类房间送风温差较小，一般为8 ℃，空调系统输送能耗相对较大;变电所房间送风温差较大，一般为15 ℃，空调系统输送能耗相对较小。

车站空调系统中，空调机组、回排风机及小新风机等设备运行产生的热量会引起输配空气温度升高，典型车站空调系统全过程输配阻力温升? t如表3所示。

空调机组内盘管换热器、空气过滤器等设备阻力较大，空调机组所需全压主要由抵消机组外风管输配阻力和机组内部输配阻力2部分组成，空调机组内部的阻力温升? tin及外部的阻力温升? tout如表4所示。

为降低风机等设备的运行能耗，文献[2]给出了空调机组机外输配和通风系统全过程输配单位风量耗功率Ws的限定值。考虑到地铁车站空调系统为一次回风系统，因此，地铁车站内对于风量大于10 000 m3 / h的空调机组机外输配系统、新风机和回排风全过程输配系统，Ws不宜大于0.27。根据能量守恒定律，空调机组机外输配和通风系统全过程输配引起的温升限值按式（3）计算：

2.2 水泵运行附加冷负荷

地铁车站空调冷冻水系统一般采用冷源侧定流量方式运行，即冷冻水泵水量不变。水泵运行过程会产生冷冻水温升，并且由此形成系统附加冷负荷。因此，水泵运行附加冷负荷可近似看作水泵的运行功率，地铁车站水泵运行功率N按式（4）计算：

3 管道传热附加冷负荷

3.1 风管传热附加冷负荷

地铁车站空调系统送回风管主要有镀锌铁皮风管外敷保温层和复合风管2种形式。根据地铁车站的防火性能要求，风管及其保温材料应采用不燃材料制作，因此铁皮风管外的保温材料和复合风管中间的保温材料一般采用离心玻璃棉毡。由于镀锌钢板的传热热阻远大于离心玻璃棉毡，因此地铁车站2种形式的送回风管传热量差异不大。该典型地铁车站内的风管均采用矩形风管，风管传热量按稳态传热方法进行计算，各系统的送回风管由传热引起的附加冷负荷如表5所示。

由表5可知，由于风管外保温层的热阻较大，风管传热附加冷负荷较小。典型车站空调系统送回風管传热总附加冷负荷为7.55 kW，约占车站空调系统总冷负荷的 0.60%。

3.2 水管传热附加冷负荷

地铁车站空调冷冻水系统采用7 ℃/12 ℃供回水温度设置，冷冻水管一般采用镀锌钢管，外敷离心玻璃棉管壳，且管壳外带有铝箔贴面或铝皮保护层。由于车站内各末端空调系统所需冷量不同，各系统的供回水管管径均不同。该典型车站由供水管及回水管传热引起的附加冷负荷如表6所示。

由表6可知，由于离心玻璃棉管壳的保温性能较好，冷冻水系统的水管传热附加冷负荷小于风管传热附加冷负荷。该典型车站的水管传热附加冷负荷约为5.21kW，约占车站空调系统总冷负荷的0.40%。

4 结论

（1）地铁车站空调输配系统中，由风机运行引起的附加冷负荷约占车站总冷负荷的10.0%，由水泵运行引起的附加冷负荷约占2.0%;风管及水管因管道传热引起的附加冷负荷约占 1.0%。

（2）地铁车站空调系统冷负荷组成中，公共区的冷负荷占比较高，风机运行附加冷负荷率较大，因此优化车站公共区空调系统管线布置，减少管道阻力，能有效降低风机全压，减少空调系统的附加冷负荷。同时，车站公共区空调送回风机利用变频技术能显著降低空调系统的附加冷负荷。

（3）基于节能运行要求，当地铁车站空调系统风量大于10 000 m3 / h时，风机运行全压及空调机组余压产生的空气温升不宜超过0.802 ℃。

参考文献

[1]GB 50157-2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2]GB 50819-2015公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]涂旭炜.城市轨道交通通风空调设备选型附加系数探讨[J].隧道建设，2011，31（3）：334-339.