利用地铁车站公共区排风的冷却塔对空调系统节能效果分析

刘 博

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州）

引言

近年来，城市轨道交通线路长度持续增加，截止2022 年底，国内已有55 个城市开通城市轨道交通，运行总里程10 287.45 km，其中地铁运行总程度8 008.17 km，车站总计5 875 座；在建线路总规模6 350.55 km，其中地下线5 326.88 km。2022 年平均每车每公里运行成本23.49 元，其中人工成本占比53.45%，电费占比10.59%[1]。

地铁通风空调系统能耗约占总运行能耗的50%[2]，其中较大部分为地铁车站通风空调系统能耗。冷冻水系统、冷却水系统和主机能耗占比约为3:2:5，其中主机能耗与冷却水的流量和温度等多个因素有关。相关研究表明，利用地铁排风冷却，在部分时段可使冷却塔的出水温度降低1～3 ℃，减少冷水机组的运行能耗10%～20%[3]，节能效益显著，能够有效降低碳排放。

本文结合地铁车站冷却塔的特殊放置条件，将地铁车站的排风用于冷却塔的进风，在其他因素不变的情况下，通过较低的湿球温度，得到较低的冷却水温度，提高主机换热效率，降低空调运行费用，并解决冷却塔放置地面带来的飞水、噪音、占地等问题。

1 冷却塔利用排风井设置形式

隐藏式冷却塔是利用新排风井之间的地下空间放置冷却塔，如图1 所示，该冷却塔位于地下，当需要利用排风时，打开风阀2，关闭风阀1，排风就会经过冷却塔之后再经排风道排出，当需要利用新风时，打开风阀3，当同时利用新排风时，打开风阀2、3，关闭风阀1，新风和排风就会经过冷却塔之后再经排风道排出。

图1 与地铁排风井结合隐藏式冷却塔

2 地铁车站公共区排风温度测试

2.1 地铁车站排风温度测试

广州地区夏季最热月室外空气干球温度约为30.5 ℃，湿球温度约为27.5 ℃[4]。地铁车站公共区的排风湿球温度即为站厅站台的空气状态，约为26 ℃左右，比广州室外空气湿球温度低，若将地铁车站公共区排风用于冷去塔进风，将会使冷却塔出水温度降低1～2 ℃。

选取广州地铁五号线杨箕站，在夏季至过渡季半个空调季（7 月5 日～11 月6 日），对排风井、新风井的空气温湿度进行测试。记录时间间隔为2 min；测试时长为7 月～11 月。

2.2 隐藏式冷却塔实验测试

测试场地为某冷却塔测试中心，为尽量还原冷却塔在地铁排风道内的换热情况，本实验台模拟地铁排风道构造形式，将冷却塔放置其中，见图2。通过调节对冷却塔影响最明显是的四个因素：冷却塔进水温度、进水流量、风机频率和进风湿球温度来测试不同工况下冷却塔的散热能力。冷却塔进水温度通过场地内热水池和冷水池出口的电动蝶阀的开启度调节，冷却塔进水流量通过变频水泵和阀门调节，风机频率通过风机控制界面调控。因现场为室外，测试条件有限，湿球温度选取不同的室外湿球温度时段测量。

图2 冷却塔测试实验台

本实验每个参数选择4个工况点进行测试，进水温度选取38 ℃、36 ℃、34 ℃、32℃；进水流量选取200 m3/h、160 m3/h、120 m3/h、80 m3/h；风机频率选取50 Hz、45 Hz、40 Hz、35 Hz，湿球温度参数根据现场实际情况选择不同湿球温度时段测量。本实验若采用控制变量法需进行256 组实验，因测试条件有限，采用正交试验法，16 组实验即可完成测试，通过正交试验分析，可分析出每个因素对冷塔性能的影响。

本实验台对进风空气温湿度、出风空气温湿度、室外空气温湿度、冷却水泵功率、冷却塔风机功率和频率、冷却水进出水温度、冷却塔进出水量等参数进行记录，测试结果实施显示在监控操作平台上。实验时调节各变量，待每个工况稳定后，导出该工况测试数据。

3 测试数据分析

3.1 地铁车站排风温度测试分析

查阅广州地铁车站空调运行情况，炎热夏季空调全时段开启；过渡季节室外温度波动大，广州地区冷热天气交替，结合节能需求，在室外温度升高时开启空调，在室外温度降低时采用全新风运行。选择夏季典型日和过渡季空调运行典型日进行逐时新排风湿球温度分析，计算过渡季全新风运行典型日日平均新排风湿球温度作对比，并选择半个空调季进行逐日新排风湿球温度分析。

选取7 月18 日为夏季典型日，以小时为单位，取车站运行时间为7 时～23 时，计算出每小时温度的平均值，分析单日新排风温度变化规律。选取9 月29 日为过渡季空调运行典型日，以小时为单位，取车站运行时间为7 时～23时，计算出每小时温度的平均值，分析单日新排风温度变化规律；该日空调运行时段新风日平均干球温度为27.75 ℃，排风日平均干球温度为27.78 ℃。

由表1 中数据可知，早上10 时之后，排风湿球温度与新风湿球温度差近2 ℃。在过渡季空调运行时段，11 时～22 时排风湿球温度与新风湿球温度依旧有1.0 ℃以上，最高可达到1.5 ℃。

表1 夏季与过渡季空调运行典型日新排风逐时湿球温度

选取10 月10 日为过渡季全新风运行典型日，该日全新风运行时段新风日平均干球温度为23.86 ℃，排风日平均干球温度为28.61 ℃。计算日平均排风湿球温度为22.69，日均排风湿球温度为21.02，新风湿球温度比排风湿球温度底约1.67 ℃。

在过渡季节使用空调期间，仅早上短时间新风湿球温度比排风高，其余时段排风湿球温度低于新风湿球温度，此时冷却塔利用排风运行有节能效果。在全新风运行期间，新风湿球温度低于排风湿球温度1.67℃，但此时冷却塔也不运行。

逐日温度分析：选取7 月5 日～11 月6 日，计算出每日7 时～23 时时段新排风湿球温度的平均值，绘制逐日新排风湿球温度对比图见图3。

图3 新排风逐日湿球温度对比图

从图3 中可以看出，在7 月5 日～9 月6 日，排风湿球温度比新风湿球温度低2 ℃左右，在9 月20 日之后，排风湿球温度与新风湿球温度接近，在整个空调季约有4 个月排风湿球温度比新风湿球温度低2℃左右，其余时段空调运行日，排风湿球温度也均会低于新风湿球温度，空调运行时间均可利用地铁车站公共区排风用于冷却塔进风，有较大的节能潜力。

3.2 隐藏式冷却塔实验测试分析

对测试数据进行正交试验分析处理，得到测试结果见表2。在冷却塔实际设计中，冷却塔的设计进出水温度一般为37 ℃/32 ℃。在本实验中当进水温度过低时，冷却塔出水温度降低幅度不大，这是由于进风湿球温度限制了冷却塔冷却水温的极限。

表2 隐藏式冷却塔实验测试结果

对表2 中结果进行正交试验极差分析，得到不同因素的影响程度：进水温度＞室外湿球温度＞冷却塔水量＞风机频率。

对表2 中数据进行SPSS 多项式回归模型建立，得到冷却塔排热量的拟合方程为：

选定常用设计工况进水温度为37 ℃，进水量为80 m3/h，风机频率为50 Hz（此时风量62.53 kg/s）为出水温度计算的工况，通过每小时的新排风湿球温度，计算出每小时冷却塔出水温度。

4 模拟计算

在Open Studio 空调系统模块内建立冷冻水环路，将隐藏式冷却塔的逐日冷却塔出水温度、广州地区室外新风和地铁车站排风的逐日湿球温度，输入到Open Studio 的参数设置中，在Energy Plus 中计算得到空调季的全年能耗数据。同时计算常规冷却塔系统的能耗数据，将隐藏式冷却塔（66 034.43 万kJ）与常规冷却塔放置于地面（64 736.15 万kJ）全年能耗进行对比，计算出全年节能率为2.01%。

因冷却塔放置于地下新排风井道之间，冷却塔风扇需承担新排风井道之间的阻力，降低湿球温度带来的全年节能效果并不明显，但相比于常规冷却塔，依旧可以解决放置在地面带来的噪音、飞水、占地等问题，能有效减少周边居民投诉，提高环境品质。

5 结论

通过对冷却塔利用地铁车站公共区排风进行相关研究，得出以下结论：

（1） 在空调运行情况下，夏季地铁车站公共区排风湿球温度比新风湿球温度低约2 ℃，过渡季低约1.0 ℃。在过渡季全新风运行情况下，新风湿球温度比排风湿球温度底约1.67 ℃。

（2） 不同因素对冷却塔的散热影响程度：进水温度＞室外湿球温度＞冷却塔水量＞风机频率。

（3） 隐藏式冷却塔相比于常规地面冷却塔全年能耗节能率为2.01%。

（4） 隐藏式冷却塔不仅解决了放置在地面所带来的飞水、噪音、占地等问题，其综合冷却能力与地面设置冷却塔相比性能相当，仅增加一定的初投资，可降低周边居民投诉，提高了环境品质，在夏热冬暖地区，还会产生一定的节能效益。将隐藏式冷却塔应用于地铁车站通风空调系统中具有较大的可行性。