地鐵空調(diào)系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

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摘要：本文主要以昆明地區(qū)地鐵的地下車站車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）為對(duì)象，介紹小系統(tǒng)中使用變頻多聯(lián)空調(diào)作為冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，分析以往設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題及得失經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并舉例介紹了地鐵車站冗余多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：昆明地鐵;地下車站;多聯(lián)空調(diào);冗余系統(tǒng)

昆明作為一座地處溫和地區(qū)的城市，擁有其他建設(shè)地鐵的城市所不具備的得天獨(dú)厚的氣候條件。通過(guò)昆明典型氣象年數(shù)據(jù)[1]制作圖1，可以發(fā)現(xiàn)昆明最高月平均干球溫度為20.1℃，整個(gè)夏季氣候舒適，只要通風(fēng)條件良好，房間無(wú)大量余熱余濕均能達(dá)到很好的舒適度要求。然而地鐵站房的環(huán)境控制又區(qū)別于普通民用建筑，除了需滿足人員的生理及心理?xiàng)l件要求，還要保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于地下車站設(shè)備管理用房的環(huán)境控制，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[2-3]中規(guī)定了室內(nèi)計(jì)算溫度、相對(duì)濕度和換氣次數(shù)的要求，因此需要在地鐵設(shè)備管理用房設(shè)置通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）。昆明地區(qū)地鐵為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的小系統(tǒng)宜最大化的采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，而變頻多聯(lián)空調(diào)作為一種可變冷媒流量的空調(diào)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)靈活控制先進(jìn)、管理智能化，可以作為備用冗余，保證通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行和緊急情況下全線系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)。

1冗余多聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

根據(jù)昆明市的氣候條件，隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的深入可盡量采用機(jī)械通風(fēng)的方式來(lái)滿足設(shè)備管理用房的舒適性要求，避免集中空調(diào)的使用。雖然昆明大部分氣候條件可以滿足通風(fēng)及空調(diào)的要求，夏季通風(fēng)計(jì)算溫度采用歷年最熱月14:00時(shí)的月平均溫度的平均值23℃完全可以滿足第一類通風(fēng)降溫要求房間的送風(fēng)要求，比如降壓變電所、牽引變電所這類雖然發(fā)熱量大但是房間計(jì)算溫度較高的這類房間。但是采用歷年平均不保證50h的干球溫度作為夏季室外空氣計(jì)算干球溫度卻完全不能達(dá)到同樣具有較大發(fā)熱量卻與人對(duì)環(huán)境耐受要求度相同的第二類空調(diào)要求房間的空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，如通信設(shè)備室、通信電源室、信號(hào)設(shè)備室、信號(hào)電源室、綜合監(jiān)控設(shè)備室等。因此在設(shè)備管理用房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）設(shè)計(jì)中為了最大限度使用昆明的自然條件，又保證地鐵設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不考慮設(shè)置帶有水系統(tǒng)的集中空調(diào)系統(tǒng)，全部使用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，針對(duì)第二類房間和人員用房設(shè)置可變冷媒流量的備用冗余多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)，避免按常規(guī)設(shè)計(jì)的集中空調(diào)系統(tǒng)可能經(jīng)常在部分負(fù)荷以至低負(fù)荷下，在小溫差、大流量、低效率、高能耗工況下運(yùn)行[4]。因此對(duì)于設(shè)置有冗余多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的小系統(tǒng)在正常運(yùn)行工況下制定了小新風(fēng)空調(diào)、全新風(fēng)空調(diào)和全通風(fēng)三種運(yùn)行模式：1）當(dāng)室外空氣焓值大于室內(nèi)空氣焓值時(shí)，采用小新風(fēng)空調(diào)，送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)均變頻運(yùn)行，風(fēng)量需滿足各房間最小新風(fēng)量要求；2）當(dāng)室外溫度小于室內(nèi)溫度及室外空氣焓值小于室內(nèi)空氣焓值時(shí)，采用全新風(fēng)空調(diào)，送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行；3）當(dāng)室外溫度低于空調(diào)送風(fēng)溫度時(shí)，采用全通風(fēng)運(yùn)行，送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組停止運(yùn)行。而當(dāng)設(shè)備管理用房發(fā)生火災(zāi)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)需立即轉(zhuǎn)入火災(zāi)模式運(yùn)行，變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組及與火災(zāi)排煙防煙無(wú)關(guān)的系統(tǒng)停止運(yùn)行[5]。這樣設(shè)置不僅靈活地控制了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，還最大限度地避免了能源的浪費(fèi)，在通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障階段還能起備份系統(tǒng)的作用保障全線正常運(yùn)營(yíng)、以及保障車站正常運(yùn)行工況與緊急情況下工況運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。

2分析以往設(shè)計(jì)中的得失經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

從深圳地鐵3號(hào)線在國(guó)內(nèi)地鐵小系統(tǒng)中首次采用備用空調(diào)設(shè)計(jì)[6]以來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的地鐵小系統(tǒng)開(kāi)始設(shè)置備用冗余系統(tǒng)，從當(dāng)初的分體機(jī)到如今的變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)，雖然各個(gè)地方的設(shè)置原則不一樣，運(yùn)行模式不盡相同，但是對(duì)于其中出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)對(duì)昆明地鐵冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)中避免這些問(wèn)題十分有必要。常見(jiàn)問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)主要有總結(jié)以下幾點(diǎn)：1）冷凝管道漏水的問(wèn)題。由于地鐵站內(nèi)各種管線交錯(cuò)，安裝空間有限，所以很多工程中在多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的冷凝水系統(tǒng)中采用了冷凝水提升泵。在冷凝水系統(tǒng)中采用冷凝水提升泵無(wú)形中增加了維護(hù)管理的工作，而且由于提升泵本身有提升高度的限值，很多設(shè)計(jì)由于沒(méi)有考慮綜合管線時(shí)的施工安裝往往造成實(shí)際安裝完后機(jī)外排水高度超過(guò)提升泵的提升高度造成漏水。對(duì)于昆明地鐵的小系統(tǒng)，為了盡量使用室外空氣，風(fēng)管往往要比全年使用制冷系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)要大，因此安裝空間更加的緊張，為避免冷凝管漏水的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)建議不采用冷凝水提升泵，室內(nèi)機(jī)冷凝水依靠重力來(lái)實(shí)現(xiàn)排水，因此設(shè)置冷凝水排放管排入設(shè)備區(qū)的離壁墻內(nèi)的排水溝內(nèi)，有條件可以直接接入地漏，排放管坡度不小于0.01，避免管道內(nèi)出現(xiàn)異物堵塞。2）制冷制熱工況轉(zhuǎn)換問(wèn)題。地鐵冗余多聯(lián)系統(tǒng)往往同時(shí)也負(fù)擔(dān)管理人員用房的空調(diào)，人對(duì)于室內(nèi)環(huán)境較為敏感，當(dāng)然個(gè)體之間也有差異，難免會(huì)出現(xiàn)預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)指數(shù)（PMV）為負(fù)的情況，尤其是冬季，部分寒冷地區(qū)為保證環(huán)境衛(wèi)生及新風(fēng)要求的送風(fēng)抵消室內(nèi)全熱后還具有一定熱負(fù)荷，由此產(chǎn)生了供熱需求。然而設(shè)備房間常年需要制冷，此時(shí)外機(jī)同時(shí)負(fù)擔(dān)了具有制冷及可能會(huì)有的供熱需求房間的空調(diào)，因此會(huì)造成外機(jī)出現(xiàn)模式報(bào)警，指示室內(nèi)機(jī)故障。昆明地區(qū)屬于溫和地區(qū)，雖然人員用房會(huì)有一定的供暖需求，但這點(diǎn)需求具有短期性、間歇性且冷負(fù)荷特別小；雖然其他地區(qū)通過(guò)集中統(tǒng)一管理克服了報(bào)警問(wèn)題，但是供暖工況的使用率同樣值得商討。因此昆明地區(qū)的地鐵冗余多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)采用單冷型多聯(lián)空調(diào)，控制顯示器也不具備供暖工況。3）配管過(guò)長(zhǎng)造成回油困難。地鐵車站的管理用房區(qū)一般而言具有大小頭兩端，大端的進(jìn)深較大，往往從風(fēng)井到末端房間就已經(jīng)超過(guò)60m的距離。雖然多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)布置靈活配管長(zhǎng)度隨著技術(shù)提升也相應(yīng)增加，由于地鐵多采用風(fēng)冷型多聯(lián)空調(diào)機(jī)組，故其室外機(jī)的設(shè)置位置一般都在排風(fēng)井或者室外。從室外機(jī)到第一個(gè)分歧管的距離一般都接近或超過(guò)要求長(zhǎng)度的最長(zhǎng)距離的一半，而且近端與遠(yuǎn)端室內(nèi)機(jī)的等效長(zhǎng)度也同樣有長(zhǎng)度限制，部分設(shè)計(jì)接近限值，但在安裝階段由于管線走管等因素，造成最后安裝完后配管過(guò)長(zhǎng)超出限值，這樣的多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易出現(xiàn)機(jī)內(nèi)堵油，運(yùn)行EER下降等一系列問(wèn)題，其主要原因是吸氣管管路阻力增加，造成壓縮機(jī)的吸氣壓力下降，表現(xiàn)在lgP-h圖上就是冷媒從室內(nèi)機(jī)吸熱后進(jìn)入過(guò)熱區(qū)的溫度降低，從室內(nèi)機(jī)過(guò)熱區(qū)到氣液分離器這段吸氣管路易析出機(jī)油[7]。因此多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)宜盡量的按區(qū)塊分拆減少冷媒管路的配管長(zhǎng)度，并根據(jù)多聯(lián)機(jī)制冷劑管路的實(shí)際配管長(zhǎng)度對(duì)其制冷容量進(jìn)行修正。

3設(shè)計(jì)實(shí)例

本文截取一個(gè)含有冗余多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的具體車站大端設(shè)備管理用房部分用房為例，介紹設(shè)計(jì)過(guò)程[8-9]。

3.1負(fù)荷的計(jì)算確定

根據(jù)工藝專業(yè)提供設(shè)備散熱，室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)計(jì)算出室內(nèi)余熱余濕，計(jì)算出房間的冷負(fù)荷如表1。

3.2室內(nèi)外機(jī)初步選型

多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)按兩套獨(dú)立室外機(jī)設(shè)置，信號(hào)設(shè)備室、信號(hào)電源室、綜合監(jiān)控設(shè)備室、車站控制室的室內(nèi)機(jī)設(shè)置也應(yīng)為偶數(shù)臺(tái)，按室內(nèi)機(jī)設(shè)備編號(hào)單、雙號(hào)分別連在不同的室外機(jī)上，管理用房室內(nèi)機(jī)可根據(jù)管路布置任意連接一臺(tái)室外機(jī)。因此室內(nèi)機(jī)選型如表2。由于車站控制室為末端房間，單臺(tái)制冷容量考慮管長(zhǎng)負(fù)荷配置相對(duì)取大，兩套室內(nèi)機(jī)額定制冷總?cè)萘糠謩e為：35.6kW、31kW。依據(jù)地鐵站空調(diào)使用情況，室內(nèi)外機(jī)容量配比系數(shù)為100%~110%，分別計(jì)算出所需室外機(jī)名義制冷容量為：32.4kW、28.2kW。根據(jù)樣本選擇室外機(jī)組PCU-a101額定制冷容量為33.5kW；室外機(jī)組PCU-a201額定制冷容量為28kW。

3.3冷量校核

根據(jù)室內(nèi)外機(jī)的設(shè)置位置高差-5m（室內(nèi)機(jī)高于室外機(jī)）和管線配管等效長(zhǎng)度115m，查取樣本的配管長(zhǎng)度及高差綜合修正系數(shù)為0.84，計(jì)算出室外機(jī)額定制冷容量不滿足所需名義制冷容量，重新選取室外機(jī)組PCU-a101額定制冷容量為40kW；室外機(jī)組PCU-a201額定制冷容量為33.5kW。3.4系統(tǒng)原理圖和平面圖圖2為冗余變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)原理圖，圖3為冗余變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)平面圖。

4結(jié)語(yǔ)

引入變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)作為地鐵車站的冗余備用系統(tǒng)對(duì)于地鐵設(shè)備管理用房的空調(diào)系統(tǒng)具有重要意義，不僅提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，其良好的可調(diào)節(jié)性及管理的智能化都極大的提高了地鐵空調(diào)運(yùn)營(yíng)效果，減少了能源的消耗，其布置靈活的特點(diǎn)也為擁擠的地鐵設(shè)備管線設(shè)計(jì)騰出了很大的發(fā)揮空間，通過(guò)不斷的工程積累及設(shè)計(jì)改進(jìn)，相信變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)能夠在更多的地鐵車站安全運(yùn)行，為降低地鐵環(huán)控系統(tǒng)的能耗做出貢獻(xiàn)。

作者:石胡興 吳馨旎 單位:中國(guó)中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

參考文獻(xiàn)

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