地铁控制中心空调系统设计探讨

2024-03-16代焱

中华建设 2024年3期

代焱

一、概述

地铁在缓解城市交通压力，促进城市经济发展方面起着越来越大的作用。地铁以其运行速度高、安全、正点的服务，受到广大乘客的欢迎。目前我国已进入地铁建设的高峰期，数十个城市已经建成或正在建设地铁或城市轨道交通。每条地铁线路列车运行都需要调度指挥机构，国内地铁已经建成多个中央控制中心。

地铁控制中心一般由工艺设备用房、运营管理用房、中央控制大厅（OCC）等组成，其空调系统应为各系统和设备及运营管理人员提供良好的运行和工作环境。

铁四院已完成无锡地铁控制中心、南京灵山地铁控制中心、武汉三金潭地铁控制中心、武汉武湖地铁控制中心等数个中央控制中心项目，本文对这些已建成运营或在建的控制中心项目的空调系统设计进行探讨，为今后新建地铁控制中心空调系统的设计提供参考。

二、控制中心空调系统方案

地铁控制中心的特点：（1）工艺设备用房面积较大，且基本位于建筑物内区；（2）在保证安全性的前提下考虑空调系统的节能运行；（3）存在分期建设的问题。

表1列出四个控制中心所采用的空调系统形式，这些空调系统的采用均考虑应适应地铁控制中心上述特点。

表1 控制中心空调系统形式

三、工艺设备用房的空调形式

1. 机房空调的系统形式

我国《电子信息系统机房设计规范》将电子信息系统机房划分为A、B、C三级，地铁控制中心的工艺设备用房一般为A、B级。国内外地铁控制中心的工艺设备用房都选择配置机房专用空调。机房专用空调形式较多，主要冷却形式有风冷式、冷却水式、冷送水式、双冷源系统等，其主要区别在于冷凝器的冷却方式上。

对于机房空调的选用应符合安全可靠、经济合理的原则。

风冷型机房空调形式简单可靠，安装方便灵活，比较适合中小型数据中心；而控制中心的工艺设备用房（比如通信、信号、信息设备室）各房间设备发热量大部分在20～40kW左右，因此风冷型机房专用空调在地铁控制中心中应用普遍。

在风冷型机房专用空调的设计中，需充分考虑室外环境温度及冷媒管长度的修正，否则由于机组的衰减，机房内环境温度达不到设计的效果。比如无锡地铁控制中心，机房空调室内机与室外机的最远距离达到120m，针对该问题采取了一系列超长冷媒管解决方案：（1）增加高效油分离器；（2）冷凝器风扇采用调速器，变频调速；（3）冷媒管垂直方向每3米设置一个回油弯；（4）加大冷凝器冷凝面积；（5）适当加大冷媒管管径；（6）冷凝器入口设“反U弯”。通过这些措施的采取，在实际使用过程中，机房空调均达到正常的运行状态，机房内环境温度也达到设计值。

冷却水型机房空调制冷效率高于风冷型机房空调，靠集中的冷却水环路把所有机组连接在一起，可不受室内、室外机组的距离限制；扩容方便，初期设计时预留好接口，在远期扩容时实施方便。冷却水型机房空调可跟水环热泵系统结合起来，充分利用机房空调的热量供给外区办公用房供暖。

冷冻水型机房空调集中制冷，制冷效率相对风冷型和冷却水型机房空调系统最高，运行费用低，但系统控制复杂，安装和日常维护较为复杂；目前在地铁控制中心采用较少。

2. 机房空调的气流组织

地铁控制中心工艺设备机房存在运行时间长、设备发热量大、高显热潜热比等特点。目前数据中心常用的机房空调系统的气流组织形式有下送上回（地板下送风）、下送上回（冷通道）、上送侧回、侧送侧回等方式。下送上回（冷通道）需设计冷通道与外界封闭隔离，形成热通道和冷通道，减少热量混合，提高制冷效率；上送侧回为达到均匀送风的目的，需安装风管，占用较多的吊顶空间，制冷效率相对下送风要低；侧送侧回安装简单，造价低，在小型机房中使用较多，但是存在送风距离短、冷热空调易短路，制冷效率低等缺点；地板下送风目前是地铁控制中心工艺设备用房主要的送风形式，它具有制冷效率高、安装简单等优点，无锡、南京、武汉等控制中心均采用该送风形式。地板下送风方式，在地板下敷设桥架的情况下，为提高送风通道的有效面积，需提高经典地板的高度，一般建议不小于600mm，以保证地板下均匀的静压值。静电地板下应考虑防尘、密闭、保温。

3. 机房空调的布置

机房空调的布置，有两种方式：一种是布置在设备用房内，另一种是布置在设备用房旁的专用空调机房内。两种设置方式各有优缺点，第一种节省建筑面积，第二种便于管理，加湿器水管、冷凝水管可避免进入设备用房内，设备用房内噪声可以得到有效控制。

四、水环热泵空调系统的应用

无锡、南京控制中心大楼，由于其内外分区较为明显，且大量的通信、信号、AFC等专业设备用房内有恒定的、大量的设备发热，因此在空调设计过程中考虑采用水环热泵系统对此部分能量的利用问题。

冬季内区水环热泵机组吸收热量向公共水环路释放，外区供热机组吸收该部分热量并释放到外区房间，满足外区供热需求。水环热泵系统内区余热及各机组压缩机耗电所转换的热量进入公共水环路后被有效利用，因此具有良好的节能效果。

无锡地铁控制中心和南京灵山控制中心对水环热泵的利用有两种不同的形式。

1. 方案一：分散式水环热泵系统

无锡地铁控制中心在初步设计阶段提出采用分散式水环热泵空调系统的方案，辅助冷源采用闭式冷却塔，辅助热源采用风冷热泵。

无锡地铁控制中心内区工艺设备用房采用冷却水型机房专用空调系统，外区办公用房采用分散的水环热泵系统，按负荷特性在各房间或区域分散设置水环热泵机组，通过封闭的水环路系统，将水侧换热器连接成并联环路，通过水-水换热达到节能的目的。

水环热泵系统水环路温度保持在15～32℃之间，当系统供水温度处于此范围时，冷却塔、风冷热泵水路切断，水系统通过旁通回路运行，系统最节能；当环路供水温度超过32℃时，开启冷却塔降低水温；当环路温度低于15℃时，开启风冷热泵给环路水加热。

图1 无锡控制中心空调水环热泵系统原理图（分散式）

2. 方案二：集中式水环热泵系统

南京灵山地铁控制中心采用集中式水环热泵空调系统的方案。办公用房采用集中的水源热泵机组，同时辅以风冷热泵机组，夏季制冷；冬季利用机房空调冷却水和水源热泵机组的联合工作，实现空调耗热和工艺空调排热的能量转移，最大限度减少外界供能。

控制中心各工艺设备机房常年均有恒定的、大量的设备发热，全年均需供冷，按线路及房间分别设置冷却水型机房专用空调，以及设备用机组；冷却水型机房专用空调采用集中冷却水系统，闭式冷却塔集中设置于裙房屋面。

控制中心办公管理用房考虑冬、夏季季节性使用空调系统，设置集中空调系统。冬季机房专用空调机组吸收热量向公共冷却水环路释放，水源热泵机组吸收该部分热量供办公管理用房空调供暖使用。

由于近、远期使用功能不同，近期舒适型空调冷、热负荷均大于远期，空调冷热源的配置按满足近期使用要求确定。冷热源采用风冷热泵机组及水源热泵机组，风冷热泵供热量满足控制中心近期办公管理用房的冬季热负荷，同时风冷热泵+水源热泵机组的供冷量满足控制中心近期办公管理用房的夏季冷负荷。

冷却水采用环状管网供水，变流量系统，供回水温度为32℃/37℃。各环路设电动平衡阀，保证水力平衡。

集中冷却水环路温度保持在15～32℃之间，冬季当系统供水温度低于15℃时，关闭水源热泵机组及对应的循环水泵，由风冷热泵机组供热，当机房空调集中冷却水温度超过20℃时，再开启水源热泵机组和水泵供热；当环路供水温度超过32℃时，开启闭式冷却塔水路，运行闭式冷却塔降低水温。

3. 两种水源热泵方案系统的比较

方案一与方案二相比，方案一控制简单，系统扩展性较好，但是房间内设水源热泵机组，压缩机在室内，噪音较大；方案二控制复杂，但水源热泵机组能效比高于方案一，且空调末端设备噪音较小，舒适度较高。

五、中央控制大厅（OCC）空调形式

无锡、武汉三金潭、武汉武湖控制中心的中央控制大厅均采用风冷型单元式空调，南京灵山控制中心的中央控制大厅采用水冷型柜式空调机组。中央控制大厅一般存在分期建设的情况，因此空调末端机组的选用一般是2～4台，在近期使用时可根据实际情况开启相应的部分空调机组，节省能耗。

中央控制大厅一般层高较高，达到8～10m，送风方式上可采用下送上回（地板下送风）、上送上回，地板下送风制冷效率较上送风要高，但需避免送风口对工作人员直吹。无锡、武汉三金潭中央控制大厅采用地板下送风，武汉武湖、南京灵山中央控制大厅采用旋流风口上送风。

经过调研，发现目前投入运营的南京珠江路、广州等中央控制大厅存在工作人员感觉较“闷”的现象。为避免类似情况出现，在无锡、南京灵山、武汉三金潭、武汉武湖中央控制大厅的设计中主要采取以下措施：（1）加大新风量，按每人100m3/h计算新风量，并且单独设置新风机组或者新风换气机组，保证新风量；（2）新风直接送入人员工作区，送风均匀，保证了工作人员舒适性；（3）调度大厅摆放绿色植物，改善空气质量、吸收甲醛等有害气体、减轻精神压力、调节氛围。