基于工程案例探析鼓风式冷却塔在地铁工程中的应用

王 辉

中铁第六勘察设计院集团有限公司

1 项目概况

前锋路站为标准两层车站。本站采用2组风亭组，空调负荷中心位于1 号风亭侧。1 号新风亭、排风亭、活塞风亭设于阳光嘉园楼前市政用地内，均为敞口低矮风亭；1号风亭组均紧挨住宅小区，风亭设置在主体范围内，风亭距离最远的住宅小区仅15m，为了满足环评要求，地面无冷却塔设置条件。因以上客观条件，本站采用鼓风式冷却塔，设备设置在地下一层新排风井之间的风道内。

2 鼓风式冷却塔工作原理

鼓风式冷却塔是指风机设置在冷却塔进风口处的冷却塔，将传统冷却塔的吸入式改为压送式，工作原理是将冷却塔外的冷空气经离心风机压入冷却塔内，与填料中的水进行换热，换热后的湿热空气排出塔外。鼓风式冷却塔有两种形式：气流与水流方向正交为横流式鼓风冷却塔，气流与水流方向相反为逆流式鼓风式冷却塔。鼓风式冷却塔风机采用离心风机比传统冷却塔压头大，能更好地适应自然通风不良的封闭空间。图1为前锋路站采用的鼓风式逆流冷却塔。

图1 鼓风式逆流冷却塔

3 鼓风式冷却塔分析研究

3.1 鼓风式冷却塔进风

（1）《机械通风冷却塔第1 部分：中小型开式冷却塔》（GB/T 7190.1—2018）[1]中定义了冷却塔冷却能力公式：

式中：

η——冷却能力；

Δtt——实测修正到标准工况的进出塔水温差，℃；

Δtc——标准设计工况后的进出塔水温差，℃。

式中冷却塔的冷却能力是评价冷却塔的一个重要指标。对于常规地铁车站，冷却塔单塔冷却水量＜1000m3/h，车站水系统冷却水供/回水温度为32/37℃，设计工况的进出塔温差为5℃，由式（1）及《机械通风冷却塔第1 部分：中小型开式冷却塔》[1]中图C.4、图C.5的计算方法,可以看出冷却塔进风湿球温度对冷却塔的冷却能力影响很大，且常规工况下湿球温度越低，冷却塔能力越强。因为一般地铁车站位于地下的特殊性，所以地铁车站新风道对室外的温度有一定延迟，新风道内空气温度低于室外空气的温度；排风道的空气是经过空调热湿处理的空气，一般情况下排风道的空气温度低于室外空气的温度，因此新排风道均可以作为冷却塔进风风源[2]。

引用某厂家的选型样本的相关数据，以冷却水（供回水温度为32/37℃，水量为52 l/s）为定量，查得冷却塔风机风量（m3/s）与进风湿球温度（℃）的关系见图2。

图2 冷却塔风机风量与冷却塔进风湿球温度的关系

从样本可以看出，湿球温度越大，风机风量越大，即冷却塔的冷却效果越差，因此为了减少风机风量，减少风机噪声及风机耗电，应优先考虑选用湿球温度小的空气作为冷却塔进风。本文建议在设计地铁鼓风式冷却塔时，应对所在城市已运营地铁站新排风道的空气参数进行测量统计，优先采用空气湿球温度低的风道作为冷却塔风源。另外，风道内空间受限，冷却塔出风为湿热空气，为了避免出风回流增加进风的空气湿球温度，应采取措施对进出风口进行隔断。

（2）地铁车站常用的新排风井布置方式是新排风井拉开10m布置，新排风井之间的10m空间可以作为冷却塔利用位置，下面以逆流鼓风冷却塔为例（逆流鼓风冷却塔出口朝上，对层高要求高，若风道层高有限，可采用水平出风的横流鼓风冷却塔），介绍几种鼓风冷却塔的布置方案：

如图3所示：采用新风冷却，新风侧设置电动风阀；为避免冷却塔出风回流，对冷却塔进出风口进行隔断。有条件的排风井调整90°，使2台冷却塔的出风口均位于风井下，有利于冷却塔排风。因为冷却塔进出风均利用了车站新排风井，所以土建配合中应考虑冷却塔风机风量对风井面积的要求。

如图4所示：与图3类似，不同的是，图4采用设置风管的措施隔断冷却塔进出风。

如图5 所示：采用排风冷却，以前锋路站为例，夏季运营工况，大端大小系统排风量约为30m/s，大端排热风机风量为30m/s，两台鼓风冷却塔风量一共是44m/s，考虑大系统回排风机及排热风机变频调节风量，排风量不能保证一定能满足冷却塔风量需求，因此需在新风道设置风阀引进新风。若远期运行排热风机工频运行，排风量能够满足冷却塔风量要求，则关闭新风道侧的风阀。有条件的应将2台鼓风冷却塔出风口均设置在风井对下方，有利于冷却塔出风；为避免冷却塔出风回流对冷却塔进出风口进行隔断。

图3 新风冷却方案一

图4 新风冷却方案二

图5 新风+排风冷却

3.2 鼓风式冷却塔出风

冷却塔工作原理是冷空气经离心风机压入冷却塔内，与填料中的水进行热质交换，热湿处理后的空气为温度升高，相对湿度接近100%，风道壁面温度低于出风露点温度时便会结露，结露后形成的水珠从结构墙壁流下，影响结构墙侧挂的电源箱，甚至造成短路。地面水量较大，造成风道环境差，可能造成地铁站细菌污染。现结合前锋路遇到的问题提出一些措施来预防此情况的发生。

（1）冷却塔出风口应尽量靠近风井处，冷却塔出风口的热气能直接排入室外，避免出风与结构墙接触结露。

（2）若土建限制时则将冷却塔出风口设置于风道内，由于冷却塔鼓风机余压有限，一般为100Pa～300Pa，为保证及时排除出风，采用工业风机辅助排风，工业风机应满足与冷源系统同开同关，如图6所示。

图6 鼓风式冷却塔设置工业风机

（3）冷却塔出风口范围内排风道结露水较多，应避免在冷却塔出风口范围内的风道内设置人防门控制箱、潜污泵控制箱等电气设备；可对电气设备采取防护措施。

（4）冷却塔出风口范围内的排风道离集水井距离较远时，应增加横断面方向的坡道和排水沟宽度，以便更快地排走风道内结露水。

3.3 鼓风式冷却塔噪声

冷却塔噪声问题是影响冷却塔位置的一个主要因素。前锋路站对冷却塔位置区域进行了噪声测试，测试数据如表1所示。

表1 噪声测试数据

由表1 可以看出，采用鼓风式冷却塔不设置工业风机方案时，如图3～图5，鼓风式冷却塔噪声值相对较小，可能通过一定的衰减满足《地铁设计规范》（GB 50157—2013）[3]中噪声要求，为节省消声器造价可将消声器设置在风道内，但考虑到实际衰减量及目前人们对噪声的要求越来越高，可在风井内预留消声器位置。采用鼓风式冷却塔和工业风机方案时，如图7所示，工业风机的噪声值为94.9dB，按照车站风机厂家的清单，对新排风道有影响的车站风机噪声值一般＜100dB，与工业风机的噪声类似，根据图7 的噪声叠加原理[4]，冷却塔站内侧设置消声器对风井外侧的噪声处理没有贡献，因此不需在站内风道内设置消声器，仅需在排风井内设置消声器，处理站内设备、鼓风式冷却塔、工业风机的噪声。最终的消声方案需经消声器厂家深化。

图7 两个声功率级相加，叠加值与声功率级的差值的关系

3.4 鼓风式冷却塔冷却水路

鼓风冷却塔设置于地下与冷水机房同一层，冷却塔相对于水系统高差较小，易产生冷却水回水不畅、冷却水泵汽蚀的问题，因此需校核冷却水管路设计方案。

（1）冷却水泵不汽蚀，能够稳定运行，需满足：9.8m（1个大气压）+集水盘至冷却水泵轴线中心高差（m）-NPSH（冷却水泵汽蚀余量，m）-集水盘至冷却水泵吸入口阻力（m）＞0。

（2）冷却水能够回水需满足：集水盘出水口到冷却水泵吸入口管段阻力＜集水盘至冷却水泵吸入口轴线中心高差。

4 结束语

通过对前锋路站鼓风式冷却塔方案的分析和研究，本文对于鼓风式冷却塔方案提出如下建议：（1）冷却塔进风口应优先引入湿球温度低的空气；隔断冷却塔进风口与出风口，防止回流。（2）冷却塔出风口应尽量设置在风井下，保证出风的热湿空气能及时排除。风道内的冷却塔应在出口路径设置工业风机或者其他有效措施诱导冷却塔的热湿空气及时排出室外。风道内的电气设备应采取不小于IP65 的防护等级，并采用下接线方式。（3）新排风道对外消声器应能处理鼓风式冷却塔及工业风机（若有）的噪声。（4）冷却水路应精确计算，采用增加冷却塔基础高度、增大冷却水管管径、缩短冷却塔与冷却水泵设备距离、冷却水泵设置在冷却塔的下一层、选择汽蚀余量小的冷却水泵等措施保证冷却水回水流畅，避免冷却水泵汽蚀。