毛細(xì)管供冷系統(tǒng)在城市軌道交通地下車站中的應(yīng)用探索

李長春　郎平

摘 要：簡要介紹了毛細(xì)管供冷系統(tǒng)的工作原理及其優(yōu)勢，通過分析城市軌道交通地下車站的空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)，評估毛細(xì)管供冷系統(tǒng)在地下車站中的適用性。對比不同工況下的能耗和經(jīng)濟(jì)性，闡述了毛細(xì)管供冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)地鐵環(huán)控系統(tǒng)的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：毛細(xì)管供冷系統(tǒng)；地鐵；節(jié)能；溫濕度獨(dú)立控制

中圖分類號：U231.4；TU831.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.076

1 毛細(xì)管供冷系統(tǒng)簡介

毛細(xì)管網(wǎng)柵管徑為3.4 mm×0.55 mm 或4.3 mm×0.8 mm，網(wǎng)柵間距為10 mm，大量液體在管道中均勻分配，流入導(dǎo)管中。毛細(xì)管內(nèi)通16 ℃/21 ℃（供水/回水）的冷水，能量在用戶和有效傳熱表面之間以輻射的形式傳輸，這種方式符合所有生物自然形式下的主要體溫調(diào)節(jié)方式。因此，通毛細(xì)管系統(tǒng)采暖或制冷會使房間內(nèi)的用戶感覺非常舒適，并由此提高了其運(yùn)行效率。

另外，毛細(xì)管供冷系統(tǒng)利用高溫冷水大大節(jié)約了能源系統(tǒng)（制冷機(jī)）的運(yùn)行費(fèi)用，延長了使用壽命，減少了重復(fù)投資，同時，節(jié)約安裝空間也進(jìn)一步降低了土建成本。

2 可行性評估

2.1 城市軌道交通地下車站負(fù)荷特性

城市軌道交通地下車站內(nèi)包括公共區(qū)（站廳、站臺）和設(shè)備管理區(qū)。公共區(qū)環(huán)控系統(tǒng)常稱大系統(tǒng)，設(shè)備管理區(qū)環(huán)控系統(tǒng)常稱小系統(tǒng)。

大系統(tǒng)環(huán)控負(fù)荷特性有以下四大規(guī)律：①負(fù)荷波動性比較大，但是，波動率與室內(nèi)人員的數(shù)量有直接關(guān)系；②室內(nèi)濕負(fù)荷波動性比較大，但是，波動率與室內(nèi)人員數(shù)量有直接關(guān)系；③室內(nèi)負(fù)荷是由一部分（46%～81%）的穩(wěn)定負(fù)荷構(gòu)成（維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、照明負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷）；④滿足使用條件的新風(fēng)指標(biāo)高，新風(fēng)供冷能力大于波動部分冷負(fù)荷。

小系統(tǒng)管理用房負(fù)荷特性與普通辦公類似，比較適用于溫濕度獨(dú)立控制環(huán)控系統(tǒng)中。在此，不在贅述這部分內(nèi)容。

2.2 項(xiàng)目應(yīng)用適應(yīng)性結(jié)論

通過分析城市軌道交通負(fù)荷特性和毛細(xì)管仿生供冷系統(tǒng)的應(yīng)用適應(yīng)性，可得出以下結(jié)論：①地下車站公共區(qū)（大系統(tǒng)）可利用毛細(xì)管仿生供冷系統(tǒng)承擔(dān)穩(wěn)定部分負(fù)荷。滿足使用條件（屏蔽門漏風(fēng)）新風(fēng)送風(fēng)量指標(biāo)遠(yuǎn)大于滿足衛(wèi)生要求新風(fēng)量指標(biāo)，其絕對濕度差充分滿足室內(nèi)濕負(fù)荷需求和目前新風(fēng)處理設(shè)備處理能力的需求，新風(fēng)供冷能力大于室內(nèi)冷負(fù)荷波動部分指標(biāo)滿足溫度控制要求。②地下車站設(shè)備管理區(qū)（小系統(tǒng)）負(fù)荷特征與毛細(xì)管仿生供冷系統(tǒng)應(yīng)用適應(yīng)性比較吻合。③以毛細(xì)管仿生供冷系統(tǒng)為手段的溫濕度獨(dú)立控制環(huán)控系統(tǒng)在城市地下軌道交通地下車站的應(yīng)用是可行的。

3 項(xiàng)目運(yùn)用簡介

傳統(tǒng)的地下車站環(huán)控系統(tǒng)設(shè)置方案如下：①車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)大系統(tǒng)采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，雙端送風(fēng)；②根據(jù)各房間的使用功能和不同使用環(huán)境等要求，設(shè)置4個全空氣一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，每個系統(tǒng)包括1臺柜式空調(diào)器和1臺回排風(fēng)機(jī)；③在站廳層設(shè)冷凍機(jī)房，負(fù)責(zé)整個車站空調(diào)設(shè)備所需的冷凍水。

毛細(xì)管供冷系統(tǒng)設(shè)置方案如下：①車站公共區(qū)采用頂板輻射加側(cè)墻冷卻柜的供冷方式，新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組處理后送入公共區(qū)，由出入口和屏蔽門自然排出。②車站小系統(tǒng)根據(jù)功能的不同，采用不同的空調(diào)方式。人員房間采用頂板輻射供冷，弱電設(shè)備用房采用頂板輻射加側(cè)墻冷卻柜輔助供冷方式，變電所房間采用的是傳統(tǒng)的一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。③車站冷源采用高溫冷水系統(tǒng)。冷凍水系統(tǒng)供水/回水溫度按16 ℃/21 ℃計算，冷卻水供水/回水溫度為32 ℃/37 ℃。冷凍水系統(tǒng)采用二次泵變水量閉式循環(huán)系統(tǒng)。

4 節(jié)能性初步評估

4.1 設(shè)計工況能耗指標(biāo)對比

針對已經(jīng)實(shí)施的2個地下車站（簡稱“車站一”和“車站二”），對比設(shè)計工況下2種不同空調(diào)形式的能耗指標(biāo)。方案一為傳統(tǒng)的地鐵環(huán)控系統(tǒng)，方案二為毛細(xì)管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)，將2種不同環(huán)控模式在設(shè)計工況下，能耗指標(biāo)（w/m2）對比情況如圖1所示。

從圖1中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況下，方案二遠(yuǎn)比方案一節(jié)能，且節(jié)能潛力很大。

4.2 室外大氣環(huán)境變化對能耗影響對比分析

4.2.1 環(huán)控負(fù)荷變化的對比分析

室外大氣環(huán)境變化對環(huán)控系統(tǒng)負(fù)荷的影響主要表現(xiàn)為新風(fēng)負(fù)荷變化。對于空調(diào)季節(jié)新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)相同、室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)（干球溫度、相對濕度）相同的各方案而言，新風(fēng)負(fù)荷變化對能耗的影響主要反映在新風(fēng)處理方式的性能系數(shù)差別上，性能系數(shù)越高，節(jié)能經(jīng)濟(jì)性就越好。方案一將新風(fēng)與回風(fēng)混合后，經(jīng)空氣處理機(jī)組降溫除濕。新風(fēng)處理方式下的冷熱源系統(tǒng)綜合性能系數(shù)就是反映冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的綜合性能系數(shù)。方案二新風(fēng)處理采用高溫冷水預(yù)冷加專用冷源的新風(fēng)處理方式。由于預(yù)冷工況與方案一的回風(fēng)工況基本接近，所以，其新風(fēng)處理方式下的冷熱源系統(tǒng)綜合性能系數(shù)就是反映高溫冷水機(jī)組、一次冷凍水泵、新風(fēng)預(yù)冷的二次能動水泵、冷卻水泵、冷卻塔的綜合性能系數(shù)。各方案新風(fēng)處理方式下的冷熱源系統(tǒng)綜合性能系數(shù)（w/w）對比情況如圖2所示。

由圖2可知，隨著室外大氣環(huán)境的變化（偏離設(shè)計工況），方案二比方案一的節(jié)能性好。

4.2.2 冷熱源設(shè)備能效的對比分析

室外大氣環(huán)境變化對冷熱源設(shè)備效率的影響為室外溫濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)工況后，能夠?yàn)橹评?熱泵系統(tǒng)提供更大的過冷/過熱量，在消耗相同壓縮功的前提下，增大制冷/制熱量，從而提高設(shè)備效率。對于冷水機(jī)組而言，室外大氣環(huán)境焓值變化導(dǎo)致冷卻水系統(tǒng)出水溫度變化，其提供的過冷量反映了大氣環(huán)境全熱變化。下面，根據(jù)我國《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015），分析設(shè)備性能系數(shù)（COP）和綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV），以呈現(xiàn)出兩者的差別。

對于本文評估的地下車站的2種環(huán)控方案，方案一冷源全部為冷水機(jī)組，方案二為毛細(xì)管仿生供冷系統(tǒng)、新風(fēng)預(yù)冷采用冷水機(jī)組，新風(fēng)除濕降溫部分采用風(fēng)冷機(jī)組。按照負(fù)荷權(quán)重和相應(yīng)的綜合部分負(fù)荷性能加權(quán)平均后，形成各方

案系統(tǒng)綜合部分負(fù)荷等效性能系數(shù)（IPLV）。各方案IPLV（w/w）對比情況如圖3所示。

由圖3可知，隨著室外大氣環(huán)境的變化（偏離設(shè)計工況），方案二冷熱源設(shè)備的效率明顯優(yōu)于方案一。

4.3 節(jié)能性評估結(jié)論

通過分析以上2個地下車站環(huán)控系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)模式和基于毛細(xì)管仿生供冷模式在設(shè)計空調(diào)工況、客流變化工況、室外大氣環(huán)境變化工況的能耗對比情況，可初步判定采用基于毛細(xì)管仿生供冷系統(tǒng)具有更好的節(jié)能優(yōu)勢。

5 經(jīng)濟(jì)性初步評估

以一個標(biāo)準(zhǔn)的地下兩層車站為模型，分別按照傳統(tǒng)地鐵環(huán)控系統(tǒng)和毛細(xì)管供冷系統(tǒng)設(shè)計方案，并進(jìn)行造價分析。由相關(guān)分析可知，毛細(xì)管網(wǎng)供冷系統(tǒng)的設(shè)備造價要高于傳統(tǒng)的環(huán)控系統(tǒng)，但是，由于毛細(xì)管供冷系統(tǒng)的風(fēng)管數(shù)量和尺寸均有所減小，所以，在滿足凈空要求的前提下，通過對管線的優(yōu)化布置，可以將正常的站廳層層高由4.8 m降為4.2 m，站臺層層高由4.5 m降為4.2 m。這樣，相當(dāng)于車站埋深淺了0.9 m，土建造價節(jié)約得比較多。

造價分析結(jié)果如表1所示。

6 結(jié)束語

經(jīng)過初步分析，將基于毛細(xì)管供冷的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通地下車站，比傳統(tǒng)全空氣系統(tǒng)更有節(jié)能優(yōu)勢，同時，還能節(jié)省一定的建筑高度，節(jié)省造價。因此，毛細(xì)管供冷系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用具有一定的研究開發(fā)價值，日后有待開展更加充分的可行性研究工作。

參考文獻(xiàn)

[1]北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司，中國地鐵工程咨詢有限公司.GB 50157—2013 地鐵設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]中國建筑科學(xué)研究院.GB 50736—2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 142—2012 輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

〔編輯：白潔〕