某地铁站冷水机房和冷却塔位置方案分析

2021-06-02中国铁路设计集团有限公司季益文

暖通空调 2021年5期

中国铁路设计集团有限公司季益文

0 引言

标准地铁车站为地下双层站，车站两端分别为设备集中端和非设备集中端。目前国内南方地铁车站冷源绝大部分采取螺杆式冷水机组+冷却塔，实际工程中冷水机房常规设置在车站设备集中端，相应冷却塔在此端风井地面就近布置。随着城市的规划和发展要求，在城市中心地带，地铁车站冷却塔的选址空间十分局限。某地铁车站由于受周边空间限制，冷水机房附近地面无冷却塔布置空间。本文提出将冷却塔位置调整至车站非设备集中端，对冷水机房是否跟随冷却塔调整至非设备集中端的2种方案的投资、能耗及对土建方案的影响进行比较，综合分析2种方案的可实施性和优缺点。

1 工程概况

该车站为地下双层岛式标准站，地下1层为站厅层，地下2层为站台层。在车站左、右端地面上各设有2座活塞/机械通风亭、1座新风亭和1座排风亭，在站厅层右端设冷水机房1座，冷水机组、冷水泵、冷却水泵均安装在冷水机房内。该站的右端设备管理用房区域集中布置变电所，通信、信号相关弱电房间及车站管理人员用房等，将车站右端称为设备集中端；左端设备管理用房仅包含环控电控室、照明配电室等少量房间，将车站左端称为非设备集中端。车站站厅布置示意图见图1。

图1 车站站厅布置示意图

车站通风空调系统采用集中冷源的集中空调系统，公共区和设备管理用房空调系统合设冷源。车站计算冷负荷为1 040 kW，其中非设备集中端计算冷负荷为380 kW，设备集中端计算冷负荷为660 kW。选用2台制冷量相同的水冷螺杆式冷水机组，机组制冷量为520 kW，COP为5.25，IPLV为6.1。冷水供回水温度为7 ℃/12 ℃，冷却水供回水温度为32 ℃/37 ℃，供回水温差均为5 ℃。

设置2台冷水泵、2台冷却水泵、2台冷却塔，与冷水机组一一对应配置，冷水机房设置在车站站厅层右端设备集中端，空调水系统定压与补水采用膨胀水箱，冷却塔、多联机室外机分别设在车站右端新风亭附近地面。冷水系统采用一级泵系统，在组合式空调机组的冷水回水管上设置动态压差平衡型电动调节阀，冷水机房内分水器和集水器间设置压差旁通阀。冷水系统原理图见图2。

图2 冷水系统原理图

2 地铁冷却塔的协调方案

由于地面景观和规划等限制因素，地铁站地面冷却塔的设置已是地铁建设过程中需要面对的重大难题。冷却塔设置位置及形式与周边的城市景观不协调的现象逐渐凸显；冷却塔塔体的振动、散热、飘雾、军团菌污染、噪声等对周边建筑和人流的影响和危害也越来越明显[1]。国内冷却塔的协调方案主要有：1) 冷却塔安装方式调整为下沉式或地下封闭式[2]；2) 冷却塔安装位置调整至车站另外一端风井附近。

该站冷却塔的原定位置由于周边地块协调难度较大，车站右侧设备管理用房集中端风井地面无冷却塔布置空间，无设置下沉式或地下封闭式冷却塔条件。根据实地现场探勘，发现车站左侧非设备集中端风井地面附近具备布置冷却塔空间。从而提出将冷却塔布置在车站非设备集中端的方案，并对冷水机房位置是否调整进行经济性比较。

3 冷水机房和冷却塔位置方案

3.1 常规方案：冷却塔和冷水机房均在车站设备集中端

地下标准双层岛式车站的冷水机房设置在靠近车站负荷中心的位置，即设备集中端，相应冷却塔也布置在同一端风亭地面附近。

3.2 调整方案1：冷却塔在车站左侧非设备集中端，冷水机组在车站右侧设备集中端

由于地面条件受限及规划部门的要求，设备集中端风亭地面附近不具备布置冷却塔的条件，因此将冷却塔位置调整至非设备集中端风亭附近。此方案为响应GB 50157—2013《地铁设计规范》[3]的要求：“冷水机房应设置在靠近车站负荷中心的位置，即设备集中端”，将冷水机房布置在设备集中端，冷却塔布置在非设备集中端，调整后冷水系统原理图见图3。冷却塔距离冷水机房200 m，增加冷却水泵的扬程和功率。

图3 调整方案1冷水系统原理图

3.3 调整方案2：冷却塔和冷水机组均在车站非设备集中端

当冷却塔由于外部条件受限布置在车站非设备集中端时，将冷水机房跟随冷却塔调整至非设备集中端，调整后冷水系统原理图见图4。此方案需将从冷水机房接至车站另一端的冷水管管径由DN125增加至DN150。

图4 调整方案2冷水系统原理图

4 方案对比分析

4.1 通风空调系统经济性对比

1) 通风空调系统的管路投资占系统整体投资的比例虽不高，但其占用空间较大，如果管路长、转弯多，会导致水泵的输送能耗大。缩短输送设备到负荷末端的距离，不但可减少管路投资，还可降低输送能耗，同时可减少环控设备投资，减少配电负荷及配电设备投资，此外还能降低设备噪声，减少消声系统投资[4]。对3种方案中冷却水泵参数及冷却水管、冷水管管径和长度进行分析对比，如表1所示。

表1 方案对比

2) 对调整方案1和调整方案2进行方案投资经济性分析：调整方案1增加了冷却水泵的扬程、功率和冷却水管的长度，调整方案2中服务冷水机房另一端空调机组的冷水管管径加大，具体造价分析对比见表2。

表2 方案造价增加对比元

经过以上造价投资计算分析可知，调整方案2相对调整方案1减少投资约8万元。

3) 对2种调整方案进行运营能耗分析：冷水泵能耗只与流量、扬程、效率3个因素有关，由于车站“狭长”的空间特点决定了供冷半径，故在车站两端都有空调末端的情况下，冷水机房位置调整后车站冷水系统供冷半径没有调整，因此对冷水泵的这3个参数(尤其是扬程)没有实质性的影响。2个调整方案中冷却塔、冷水泵、冷水机组的参数无需调整，影响运营能耗的原因有：① 调整方案1中冷却水泵功率增加导致运行成本增加；② 调整方案2中服务冷水机房另一端空调机组的冷水管管径加大，增加管道冷量损失，从而增加冷水机组的运行荷载和能耗。对2种方案中增加的运营能耗分别进行计算。

① 调整方案1中每台冷却水泵轴功率由10.4 kW增加到25.5 kW，导致车站冷却水系统运行能耗比常规方案每小时增加30.2 kW·h。

② 调整方案2增加了管道冷量损失，冷水管道冷量损失按照下式计算[5]：

q=πD1Q

(1)

式中q为单位长度管道的冷量损失，W/m；D1为内层绝热层外径，m；Q为绝热层外表面单位面积的冷量损失，W/m2，用式(2)计算[5]。

(2)

式中To为管道的外表面温度，K；Ta为环境温度，K；λ为绝热材料在平均温度下的导热系数，W/(m·K)；D0为管道外径，m；as为绝热层外表面与周围空气的换热系数，W/(m2·K)。

冷水管道的冷量损失提高了冷水机组的运行荷载，造成能耗提升，所增加的冷水机组功率P按照下式计算[6]：

(3)

式中P为功率，kW；L为管道长度，m；COP为制冷性能系数。

2种方案服务冷水机房另一端空调机组的冷水管道的冷量损失计算结果见表3。

由表3可以看出，相对常规方案，调整方案2由于冷水管道冷量损失所增加的能耗为0.4 kW·h。