某高铁枢纽车站夹层旅服空调系统改造可行性研究

陈浩玮

湖南铁路联创技术发展有限公司

由于车站的高架夹层旅服商家单位陆续入驻，原预留全空气集中空调系统无法实施，使用单位分别自行设置分体空调或吊扇，空调室外机设于夹层，热量排入候车室大空间内，在此前提下新增部分空调末端设备，但在交付使用后此部分空调末端制冷量严重不足，室内热环境远差于人体对舒适温度的要求，收到了商家和旅客的大量投诉，因此对系统进行问题分析和改造是很有必要的。

1 空调系统的设计

1.1 原有空调系统

1）冷冻水采用一次泵变流量系统，供回水温度7/12 ℃。冷冻水泵采用变频控制，水泵与冷水机组采用共用集分水器的连接方式，冷冻机房分集水器间设旁通管及压差控制阀。水系统划分为三个支路，其中支路一、二分别服务于高架层南侧、高架层北侧空调末端，支路三服务其余空调末端。水系统干管采用同程式布置，局部末端采用异程式布置。各大型组合式空调器，柜式空调器及新风机组的回水管上设置动态平衡电动调节阀，风机盘管的回水管上设置电动两通阀。冷却水采用一次泵定流量系统，供回水温度32/37 ℃。

2）15.20 m 标高层高架夹层区域（旅服空调系统层）按预留集中空调考虑，9.20 m 标高空调机房（原有风柜层）预留其空调末端安装位置及空调冷冻水供、回水管接管条件。

1.2 新增空调末端

1）受供电条件限制，原设计四台冷水机组目前仅运行两台，供冷量不足。待冷水机组供电电源改造工程完成后，冷水机组全部开启，可满足此站集中空调及15.20 m 标高层空调系统供冷需求。15.20 m 标高层新增风机盘管纳入集中空调系统。

2）拆除夹层使用单位自设空调设备，统一配置风机盘管，并配置温控器及三速开关，根据室内温度自动控制风机盘管启停。风机盘管水系统分区域集中连接，纳入站房既有集中空调水系统，由9.20 m 标高层空调机房内为夹层预留的集中空调冷冻水供、回水管道引出供水管路供水。

2 现状分析

2.1 实际情况

在新增加部分空调末端（由于新增空调末端水系统集中连接，为方便理解以下称为新增空调系统）之后，原有系统的空调末端的运行工况基本没有变化，而且冷水机组的负荷与新增空调系统前的负荷保持一致，由此可推断问题出在新增新增空调系统上。

以东侧C 区为例，此区域的新增系空调系统的水系统图见图1，从图上可知新增空调系统与原有空调系统的一个既有风柜呈并联状态，而流体的特性标志着此既有风柜的水力工况对新增空调系统的影响是较大的。

图1 新增空调系统图

为了防止原有管道上原有的压力表由于损坏、磨损、腐蚀等对压力表的准确性、精度的影响，在现场实测水压时分别记录原有压力表和新压力表读数以作对比，两表的误差均在10 kPa 以内。

使整个空调系统全部运行，在运行工况稳定后测得原有风柜和新增空调系统干管的进出水压差均为30 kPa，从设备表上查到原有部分上连接的风柜的设备水阻为33.4 kPa，可设此风柜在近似于设计工况下运行，但是设计图和现场实际勘测都显示新增空调系统的管道比干管到风柜的水管长度长太多，而且目前交付的资料和现场勘察都显示新增空调系统的控制模块未与原有系统的控制系统相衔接，可以推断问题是新增系统存在水力失调。

2.2 新增系统设计工况的水力计算

水系统的水力计算使用鸿业设备设计暖通空调12.0 采用假定流速法计算[1]。

2.2.1 新增系统的流量

新增管道新设14 台制冷量为13.5 kW 卧式明装风机盘管，接入既有的两个40 kW 的既有商铺风柜，总制冷量为Q=269 kW，供回水温度7/12 ℃，由于现场损耗量设定平均温度为10 ℃。根据相关公式[2]：

式中：Qm-计算系统的水量（m3/h）；G-计算系统的负荷（kW）；Δt-供回水温差（℃）。

各末端的流量详见表1。

2.2.2 根据现有管径和设计流量校核流量与阻力

可根据现有管径和设计流量计算得出现有管道的沿程阻力和局部阻力，他们之和就是该管段的总压力损失，各环路的总压力损失详见表1。

表1 各环路的总压力损失

由表1 可得其最不利环路压力损失ΣΔP最不利=213.9 kPa。

2.3 运行工况与设计工况比较分析

从设计图和现场可发现，新增的系统呈异程式管路的布置方式，其水流经每个末端设备的路程是不同的，故各环路的阻力不平衡，从而导致了流量分配不均匀的可能性。

新增系统的不平衡率为：

远大于GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》规定的15%。

新增系统与原有部分上连接的风柜管路为并联连接，各并联管路的水头损失相等，只表明通过每一并联支管的单位重量液体的机械能损失相等。但各支路的长度、直径及粗糙系数等条件是不同的，因此通过的流量也是大有区别，通过各并联支管水流的总机械能损失是不相等的，流量大的总机械能损失相比也会较大。由于新增系统的管路较于原有风柜的管路长太多，单位流量液体的机械能损失也会比原有风柜的单位流量液体的机械能损失大很多，有公式[1]：

式中：S-管段的压力特性系数，表示当管段通过1 kg/h水流量时的压力损失值。

由式（2）可知，对已定管段来说，压力损失与流量的平方成正比，因而新增系统的现运行工况流量在使新增系统管道整体机械损失为0.03 MPa。由表1 可设新增系统近似工况的总压力损失为214 kPa，代入式（2），有：

可得Q实=17.26 m3/h，远小于设计工况下的Qm=46.11 m3/h。（由于水力不稳定性，实际工况比17.26 m3/h 更小）新增系统与原有风柜管路的水力不平衡率为：

3 改造方案

空调水系统的水力失调会导致整个系统内的冷、热不均匀、室内温、湿度达不到设计要求等问题，事实上还影响着系统的正常运行从而导致能耗的增加。本区域的空调水系统可分离于整个水系统视为定流量系统，各末端的使用时间段基本一致，根据水力失调的类型只需要考虑静态水力平衡，无需考虑动态水力平衡。

3.1 方案比较

3.1.1 平衡阀

平衡阀的工作状态是通过控制开度控制流量和局部阻力损失，在电子元器件的控制下对于静态水力平衡和动态水力平衡来说具有较好的调节效果，但是新增空调系统的控制模块未与原有系统的控制系统相衔接，而且新增系统的设计工况阻力损失值大于原有风柜的设计工况下的阻力损失值180.5 kPa，在整个空调系统正常工况下运行时原有风柜的动态平衡调节阀是以管路上没有新增系统的条件下工作，以平衡原有系统的其它末端水力条件为目标，对于新增系统的作用可以忽视。而新增系统部分相对于原有风柜在这个水系统支路上也是一个独立整体，在正常运行时他们是相互并联的，互相干扰的能力要大于原有风柜与新增系统组成的整体对原有系统的影响，所以新增系统与原有风柜的水力平衡很必要。在新增空调系统的控制模块接入原有系统的控制系统后，如需新增空调系统与原有风柜正常同时运行，需要原有风柜的动态平衡调节阀平衡掉小于新增系统整体的设计工况阻力损失值，原有风柜与新增系统组成的整体的最不利条件是以新增系统的最不利环路为条件的，无法避免原有风柜与新增系统组成的整体对于原有系统水力平衡的影响，导致原有风柜与新增系统组成的整体通过的流量会比设计工况下的流量小很多，造成新的水力失调，违背了这次改造的初衷。

3.1.2 二次泵

新增系统管道与原有风柜管道阻力相差悬殊，且末端装置的回水支管设置了电动两通阀，采取变频调速的二次泵平衡新增系统的阻力，以达到新增系统管道末端整个区域水系统的水力平衡。且原设计在原有立管处预留了两台280 kW 风柜的流量，新增系统的冷量小于此预留风柜的流量，对于整个系统的影响在原设计的设计工况考虑之内。

一般项目中可采取平衡阀，其从根本上克服水力失调现象创造了条件，本项目在设计和实施中采取了大量电动二通阀，但水利失调的最根本原因是新增空调系统整体与原有风柜的总压力损失相差过大，可以在负荷侧的冷冻水供水总管上增加二级泵来平衡过大的阻力损失。

3.2 水泵的选择

3.2.1 循环水泵的流量

计算公式[2]：

式中：Q0-循环水泵的流量（m3/h）；Φ-计算系统的负荷（kW）；Δt-供回水温差（℃）；K-水泵流量附加系数，取1.05～1.1。

水泵流量Q0=46.26×1.05=48.573 m3/h。

3.2.2 循环水泵扬程

由于二级泵的作用为平衡新增系统与原有风柜管的水力阻力损失，所以有：ΔH=ΔP新增-ΔP即有=213.94-33.4=180.54 kPa 级泵扬程应按负荷侧的管路和管件阻力、自控阀、末端设备的整体阻力之合计算，且应增加5%～10%的附加值，即：H=1.05ΔH=189.57 kPa

3.2.3 水泵选型

根据计算流量和扬程，从南方泵业的样本中选择出CDM42-10 立式多级离心泵，其流量扬程特性曲线如图2，按流量和扬程最不利的条件选型，满足流量和扬程在设计条件下在高效区域内运行，满足了校核的要求。

图2 CDM42-10 立式多级离心泵流量扬程特性曲线

3.2.4 水泵输送能效比

在选择空调水系统循环泵时，必须根据GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》的有关规定，校核其输送能效比ER，确保符合节能原则。ER 值可按下列公式[2]计算：

式中：H-设计水泵扬程（m）；η-水泵在设计工作点的效率（%）；Δt-供回水温差（℃）；计算可得ER=0.0125，小于GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》规定的限值0.0241，满足规范要求。

3.3 安装调试

为了使空间利用合理、美观和避免噪声的影响，在位于9.20 m 标高空调机房的负荷侧冷冻水供水总管上安装了上述水泵。打开一次泵并使所有主机与末端开启并稳定运行，记录二次泵开启与关闭情况下原有风柜进出水口、二次泵出水口、新增系统1 至5 环路侧（左侧）进出水管、新增系统6 至16 环路侧（右侧）进出水管的压力值，为了评估二次泵对原有系统的影响，在原有系统的三个支路上分别取点A、B、C 设备末端的冷冻水进出水口压力值作为参照，获得数据如表2：

表2 二次泵开启与关闭时各点的压力值

从表2 可知，二次泵的加入使新增系统的水系统达到预设工况压差，对原有系统的水力工况影响甚微，达到了此次改造的目标。

4 结语

根据计算结果显示，高铁夹层旅服空调系统存在的主要问题在于水力失调，而这个问题是很多大型中央空调系统某些末端制冷效果不佳的原因，特别是在只改造部分空调系统末端的项目中，造成使用不便、成本增加、能耗浪费等问题，有甚者更是影响使用或者无法使用，需要重新设计改造系统以达到系统的正常运行，各设计、施工、使用单位应当重视。在经过空调系统的重新设计及改造后，空调试行发现改造后包括原有空调系统末端在内的整个系统运行接近原设计工况，改造可行性良好，为空调水力失调的改造设计提供了一定的参考参考。