地铁车站空调系统的装配式和智慧化建造研究

曾凌霞

（1. 天津晟源工程勘察设计有限公司；2. 天津大学）

1 地铁车站空调系统特点

地铁车站，包括地下站和地上站（即地面站、高架站），根据其所处的环境均需针对性地设置空调系统。其中，地下车站因完全处于近乎封闭、潮湿的地下环境中，且列车的运行、乘客的聚集和流动对站内环境温度、湿度和空气品质等也会产生影响，所需系统更复杂，应用设备更多且更大，而受地下空间和建设成本的限制，空调机房的使用空间却更为苛刻。

地铁车站空调系统（本文以下单指车站通风空调系统，不纳入隧道通风系统）包括公共区通风空调系统、设备管理用房通风空调系统以及空调水系统[1]。

①公共区通风空调系统在为旅客提供适宜的站厅、站台候车环境的同时，也可在出现火灾时迅速排除公共区的烟气。

②设备管理用房通风空调系统在为工作人员提供适宜的工作环境的同时，营造设备运行所需的工艺环境。而当设备管理用房出现火灾时，系统能够及时排除烟气或进行防烟防火分隔。

③空调水系统为公共区和设备管理用房通风空调系统提供空调设备所需的冷源，并实时满足两者多工况下的源头需求。

以上功能及特点决定了地铁车站，尤其是地下车站，在有限的地下空调机房内，建成一个高效、完善的空调系统，需要在设计、设备选型、安装、调试、运营各个环节进行严格的过程控制，合理合规地优化系统方案和装备技术选型，高效、连续地集成整合各设备、设施及仪表的工作状态和数据，建立多维度信息采集系统，实现关键系统智能运行、高效运转，辅助运维人员充分掌握运行状态，做到有迹可循、有据可依、快速响应，是地铁车站空调系统精细化建设，并向智慧、高效方向发展的重点和难点。

2 地铁车站装配式空调技术

地铁车站空调系统的机组占用面积大，对于空调机房无论是区域还是面积上的设置要求都很高，而系统中所用到的分体设备在机房内的整装和管道连接也为图纸的设计、现场的施工以及后期的运营维护带来了不同的困难。如何在有限的空间内，最大程度地实现系统功能，则对空调系统的集约化和装配式技术提出了高要求。

2.1 预制式集成冷冻站技术

地铁工程中传统的冷冻站，一般由多个分散的设备供货商分别供货，运至现场后再由施工单位进行组合安装，整体占地面积大且布置分散，仪表、线缆连接繁杂。这种形式往往因为各类型设备的供货周期存在不确定性，致使施工单位无法有效地明确安装顺序和工期。各责任方仅对自己范围的设备和设施负责，而对于产品在施工中的损坏、调试和接口衔接问题则往往看得不清、不及时。预制式集成冷冻站由模块化的冷冻站安装平台、冷水机组、水泵、控制系统、水处理设备、定压补水装置等集成组成，基于车站空调系统的一次设计进行深化设计、工厂预制、现场拼装。采用集成冷冻站后，由系统集成制造商统一安排设备釆购，在工厂内预先模块化制造，调试完成后再送往施工现场拼装，可有效降低现场的实施和调试难度[2]。

2.2 BIM与装配式技术的融合

地铁设备系统的设计已不断引入BIM 技术，但其多限于对于空调、给排水、供配电等系统管网的综合排布，对于空调机房内设备、设施及管道的考虑尚显不足。通过BIM 技术在设备布局、管路排布上进行三维化设计，从系统整备初期，以所见即所得、整体控制的设计模式充分考虑各单元组件的设置环境，为后续控制系统的导入，实现精准联控，提供理想条件，使整套空调系统装置以零散的设备单元实现集成化的工况效果。

管路走向以优化整体布局、降低机房内水阻为前提，尽可能地减少不合理的、复杂的管路设计。管路布置尽量平顺，当必须设置弯头时，尽量设置顺水弯头或者顺水三通，以达到最优的管路布局，降低设备的长期能耗，从而实现管路与设备的模块化、标准化设计[3]。

2.3 装配式技术应用实例分析

空调系统高效运行，是精细设计、高效产品，以及智能组件协同应用的成果。空调系统主要耗能设备为冷水机组、水泵、冷却塔等。对不同区域、不同环境需求下的热交换，进行系统、集成、智能的优化设计，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理，确保在有限的空间下实现系统的整体高水平运行，是地铁空调系统设计和实施的关键。

以某轨道交通工程为例，集成冷冻站共涉及8座地下车站。在工程初期，通过调研市场发展现状及多样化产品特点，针对此项工程形成相适用的集成冷冻站技术方案。设计联络阶段，冷冻站集成供货商与建设单位、环控及综合监控系统设计单位、施工单位、监理单位进一步细化技术路线、产品需求以及综合监控系统的接口要求，对冷冻站土建条件进行复测，为准确完成冷冻站的集成设计提供必要的基础数据。

项目实施过程中，冷冻站集成供货商对8 座车站不同的机房土建条件进行针对性分析，并组织各组件（包括高效水冷螺杆冷水机组、冷却塔、水泵、水处理装置、群控系统及其他附属设备）供货商确定产品配型，并在类比过往传统冷冻站设计特点和应用难点的基础上，综合考量操作及检修空间，拟定集成方案，细化技术实施路线。工程施工前，结合建筑图纸及现场复测，精确获取机房内空间的三维尺寸，对机房设备进行重新优化排布，对管路进行二次深化设计，落实合理的空间布局，便捷的设备检修空间，使管路内的水流更加通畅，以降低水系统输送能耗。由此，基于BIM 技术所确定的成套装置集约化配型和工厂模块化预制，以及群控技术人员和各单元设备厂家共同完善的深层次群控设计，可从初投资、运行费用、维护费用等方面进行节能分析，使冷冻站在特定应用环境下具备良好的节能性。

从图1、图2 中可见，优化后的管路，弯头减少，且多为顺水弯头，可有效提高制冷系统综合能效。集成冷冻站的设备布置较传统的设备系统更为紧凑、完整，节省机房空间，且不影响使用及运维，可提供友好的运维操作环境和人机界面。

图1 BIM技术下的集成冷冻站优化布置平面示意图

图2 BIM技术下的集成冷冻站优化布置三维示意图

3 地铁车站空调系统智慧建造方案

地铁车站包括公共区通风空调系统、设备管理用房通风空调系统以及空调水系统。如何立足工程建设特点，合理合规地优化系统设计方案和装备技术选型，高效、连续地获取和整合各设备、设施及仪表的工作状态和数据，建立多维度信息采集系统，实现关键系统智能运行、高效运转，辅助运维人员充分掌握运行状态，做到有迹可循、有据可依、快速响应，是地铁车站空调系统精细化建设，并向智慧、高效方向发展的关键。由此，需立足特定工程，优化设计方案，并基于当前成熟或前沿的轨道交通空调系统装备技术，选用适宜的物联网设备、高效的节能设备，建立智能控制系统，实现系统的高效运行。

3.1 精细化的设计方案

针对地铁车站空调系统中关键的制冷系统，立足规范及工程实际，以智慧、高效的运维模式为目标，由框架至细节仔细研判、比选并落实设计方案，为智能设备、节能设备、智慧控制系统的精准融合提供基础的、合理的设计支撑。

3.2 集约化的装备技术

采用装配式集成冷冻站，同步应用冷源集中控制模式，合理分布传感器、电控阀门，为系统上层的智能控制提供底层支撑，对冷水机组、水泵、冷却塔、传感器、电动阀的状态和运行参数进行实时监控，在设备安全运行范围内自动调整各单体设备的功率消耗，实现系统设备的数据交互、智能分析及联动运转，使系统的运行费用最低[4]。

3.3 智能化的系统控制

云计算、大数据、5G 通信为智慧运维提供了良好的数据存储、分析及通信条件。基于智慧轨道交通的顶层设计，地铁车站空调系统可利用网络化的数据采集终端，建立起独立的子系统用于采集设备和设施的信息，并最终并网于智慧轨道交通系统，对关键设备、设施实现全寿命周期的健康监测、故障诊断和预警，发挥设备、设施在智慧运维场景下的最大作用，实现安全运行、节水、节能、降耗。

3.4 高效化的制冷设备

冷水机组，作为空调系统中的核心设备，在常规地铁车站水系统的能耗占比超过80%。高效冷水机组，如物联磁悬浮变频离心式冷水机组，较传统的主机节能25%以上，并在公共建筑、商业建筑中已多有应用，在地铁工程中的应用也呈现出不断增长的态势。磁悬浮冷水机组中压缩机的轴与轴承无接触，运行摩擦阻力小，噪音低，在无油环境下的换热效果优良，且故障率低。机组整机设备更为紧凑，占地面积小，在地下机房中具备理想的安装适用性，且相比于传统冷水机组，能够提供更高的能效比[5]。

4 结语

地铁工程的快速发展，为空调系统的基础应用研究和更新迭代提供了良好的环境。利用并实践装配式技术、BIM 技术、冷源集中控制系统、高效冷水机组等新技术、新工艺，从源头优化空调系统在地铁车站中的应用，可有效解决传统空调系统，尤其是水系统设计选型余量大、设计方案与现场情况不符，以及施工阶段人员操作不规范等问题，进而改变地铁工程空调系统高能耗的现状。