地鐵車站設(shè)備用房空調(diào)系統(tǒng)整合可行性研究

陳嘉麒

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 西安 710043）

0 引言

地鐵地下車站空間狹窄封閉，施工成本與系統(tǒng)運行費用高，地下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要由風(fēng)井、土建風(fēng)道、通風(fēng)設(shè)備、流體輸配管路以及控制系統(tǒng)組成。一般地鐵車站通風(fēng)空調(diào)機(jī)房、風(fēng)道與風(fēng)井均設(shè)置在車站兩端，地鐵風(fēng)亭風(fēng)井主要受到地面規(guī)劃以及現(xiàn)場實際情況控制，通風(fēng)空調(diào)機(jī)房與風(fēng)道則可以在主體建筑與風(fēng)井之間靈活設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)車站設(shè)備集中端通風(fēng)空調(diào)機(jī)房內(nèi)一般設(shè)置了一套公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、一套強(qiáng)電設(shè)備用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。一套弱電設(shè)備用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、一套人員房間通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、以及其他房間的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)繁雜管道密集。給施工建設(shè)及運營維護(hù)均帶來了諸多不便。與人員房間及車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)不同，強(qiáng)電、弱電設(shè)備用房空系統(tǒng)均是24h全天運行。從節(jié)省土建投資、簡化系統(tǒng)形式的角度出發(fā)，本文以一座信號非集中站設(shè)降壓變電所的常見地鐵車站為例，分析將強(qiáng)電與弱電用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)整合的可行性。

1 系統(tǒng)概述

一般標(biāo)準(zhǔn)車站弱電用房包含了商務(wù)通信室、通信設(shè)備室、信號電源室等10個房間，空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)系統(tǒng)，室內(nèi)設(shè)計溫度27℃，相對濕度60%，計算負(fù)荷150～250kW，考慮室內(nèi)狀態(tài)點對應(yīng)的露點溫度較高，送風(fēng)溫度取19℃，計算送風(fēng)量為25000～40000m3/h。降壓變電所強(qiáng)電用房包含400V開關(guān)柜室和35kV開關(guān)柜室兩個房間，空調(diào)系統(tǒng)采用直流冷風(fēng)降溫系統(tǒng)，設(shè)計溫度為36℃，相對濕度為60%，計算冷負(fù)荷為150～200kW，一般送風(fēng)溫差取15℃，計算送風(fēng)量為15000～30000m3/h。

2 系統(tǒng)整合

將兩個不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)系統(tǒng)整合，其實目前國內(nèi)的規(guī)范體系是不支持的，《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012第7.3.2條中規(guī)定，溫濕度技術(shù)和允許波動范圍不同的空調(diào)區(qū)域宜分設(shè)系統(tǒng)，在《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2013第4.1.7條中也規(guī)定了溫度、濕度等要求不同的空氣調(diào)節(jié)區(qū)域不宜劃分在同一個空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其原因在于不同的溫濕度空調(diào)區(qū)域系統(tǒng)合用時，會給系統(tǒng)運行與調(diào)節(jié)帶來困難，同時也加大了系統(tǒng)能耗，如果要生硬的套用規(guī)范，地鐵強(qiáng)弱電用房空調(diào)系統(tǒng)整合基本不可能，但畢竟地鐵工程與一般的民用建筑存在著差異。

首先是負(fù)荷構(gòu)成，由于強(qiáng)弱電設(shè)備用房都是設(shè)置在地下空間的平時無人值守的設(shè)備用房，房間內(nèi)部除了設(shè)備與照明以及相關(guān)管線外，再無其他設(shè)施設(shè)備，如圖1、圖2所示。空調(diào)負(fù)荷絕大部分是設(shè)備發(fā)熱產(chǎn)生的負(fù)荷，臨近維護(hù)結(jié)構(gòu)的房間，熱量從室內(nèi)傳向維護(hù)結(jié)構(gòu)而非從維護(hù)結(jié)構(gòu)傳向室內(nèi)。同時空調(diào)區(qū)域的濕負(fù)荷很小，臨近維護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)備用房一般設(shè)置離壁墻，設(shè)置在站臺層的房間下方均設(shè)置夾層，因此僅有設(shè)置在站廳的設(shè)備用房在房間頂部或側(cè)壁存在少量濕負(fù)荷，地鐵設(shè)備用房的負(fù)荷主要是顯熱負(fù)荷。

圖1 弱電設(shè)備用房Fig.1 Electronic Equipment Room

圖2 強(qiáng)電設(shè)備用房Fig.2 Electric Equipment room

其次是室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，與同時要求溫度與濕度的民用建筑不同，地鐵設(shè)備用房對濕度要求不高，現(xiàn)行的《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017中明確進(jìn)風(fēng)區(qū)域的相對濕度不大于60%，停機(jī)時不大于80%，整體要求房間內(nèi)不得結(jié)露。目前現(xiàn)行的《20kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范》GB50053-2013中對變電所房間內(nèi)的濕度無明確要求，但原則上要求不得結(jié)露，通風(fēng)溫差不大于15℃。

再次是系統(tǒng)運行時間，地鐵強(qiáng)弱電用房基本全年運行，時刻不間斷，空調(diào)季節(jié)運行空調(diào)系統(tǒng)，非空調(diào)季節(jié)關(guān)閉空調(diào)水系統(tǒng)，運行通風(fēng)系統(tǒng)。空調(diào)房間內(nèi)熱負(fù)荷基本恒定，僅新風(fēng)負(fù)荷與室外空氣狀態(tài)點參數(shù)有關(guān)，逐時變化。

將弱電用房與強(qiáng)電用房系統(tǒng)整合后，首先要針對房間修正室內(nèi)的設(shè)計參數(shù)，便于系統(tǒng)整合，從室內(nèi)負(fù)荷特性和室內(nèi)空氣參數(shù)需求來看，兩類房間均沒有濕度要求，濕負(fù)荷也相對較小。唯一不同的是兩類房間在溫度上的要求相差9℃，根據(jù)兩類房間室內(nèi)要求以及常規(guī)表冷器的制冷能力，控制弱電房間送風(fēng)溫差不大于10℃，考慮1℃溫升，露點送風(fēng)，則送風(fēng)點的參數(shù)可確定為18℃，相對濕度為84.4%，在沒有濕負(fù)荷的情況下，弱電用房與強(qiáng)電用房空調(diào)送風(fēng)為等濕加熱過程，弱電用房室內(nèi)空氣狀態(tài)點溫度為27℃，相對濕度為49.0%，強(qiáng)電用房室內(nèi)空氣狀態(tài)點為36℃，相對濕度為29.4%。由于弱電用房送風(fēng)溫差由常規(guī)的9℃調(diào)整至10℃，強(qiáng)電用房送風(fēng)溫差由常規(guī)的15℃調(diào)整為18℃，弱電房間送風(fēng)量比常規(guī)系統(tǒng)降低10%左右，強(qiáng)電房間送風(fēng)量比常規(guī)變電所系統(tǒng)風(fēng)量減少30%左右，整合后的柜式空氣處理機(jī)組風(fēng)量在35000～56000m3/h。柜式空氣處理機(jī)組由原來的兩臺減為一臺，由于總送風(fēng)量減少，設(shè)備運行能耗降低。

根據(jù)整合后兩類房間回風(fēng)的處理方式，可將系統(tǒng)分為全回風(fēng)整合系統(tǒng)、半回風(fēng)整合系統(tǒng)以及直流整合系統(tǒng)三類形式，各系統(tǒng)詳細(xì)描述如表1所示。

表1 強(qiáng)弱電設(shè)備用房空調(diào)系統(tǒng)整合方式Table 1 Entegration Form of air conditioning system for Electronic and electrical equipment rooms

全回風(fēng)系統(tǒng)是將強(qiáng)電設(shè)備用房與弱電房間回風(fēng)混合后接入柜式空氣處理機(jī)組的混風(fēng)箱，該系統(tǒng)設(shè)備少，僅有一臺柜式空氣處理機(jī)組與回排風(fēng)機(jī)，風(fēng)管在強(qiáng)電用房與弱電設(shè)備用房之間可以交錯布置，該系統(tǒng)新風(fēng)量按照不小于總送風(fēng)量的10%取值，對于全回風(fēng)系統(tǒng)，存在如下關(guān)系：

式中，hcn為強(qiáng)電設(shè)備用房回風(fēng)與強(qiáng)弱電用房回風(fēng)混合點焓值；hcw為回風(fēng)與新風(fēng)混合點焓值；Gq為強(qiáng)電設(shè)備用房空調(diào)計算風(fēng)量；Gr為弱電設(shè)備用房空調(diào)計算風(fēng)量；hq為強(qiáng)電設(shè)備用房室內(nèi)空氣焓值；hr為弱電設(shè)備用房室內(nèi)空氣焓值；hw為室外空氣計算焓值。

由于變電所室內(nèi)設(shè)計溫度較高，強(qiáng)制采用全回風(fēng)的形式不一定合理，半回風(fēng)系統(tǒng)形式是將變電所房間空氣直接排至室外，將弱電用房回風(fēng)與室外空氣混合后送入柜式空氣處理機(jī)組，與全回風(fēng)系統(tǒng)形式相比，需要增設(shè)一臺變電所排風(fēng)機(jī)，同時減少回風(fēng)機(jī)風(fēng)量。該系統(tǒng)新風(fēng)量為強(qiáng)電設(shè)備用房計算風(fēng)量，混風(fēng)存在如下關(guān)系：

式中，hcw’為回風(fēng)與新風(fēng)混合點焓值。

全回風(fēng)系統(tǒng)與半回風(fēng)系統(tǒng)核心的區(qū)別為是否利用變電所室內(nèi)空氣回風(fēng)，由于兩套系統(tǒng)總風(fēng)量相同，不同的只是表冷器的制冷能力，即當(dāng)全回風(fēng)系統(tǒng)的混風(fēng)點比半回風(fēng)系統(tǒng)的混風(fēng)點焓值低時，全回風(fēng)系統(tǒng)相較于半回風(fēng)系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)的，即：

將以上三式帶入，可得：

由于強(qiáng)電設(shè)備用房與弱電設(shè)備用房室內(nèi)設(shè)計溫度存在9℃溫差，利用直流系統(tǒng)是利用弱電設(shè)備用房回風(fēng)直接送入強(qiáng)電設(shè)備用房，其使用條件是弱電設(shè)備用房系統(tǒng)送風(fēng)量大于利用7℃溫差計算的強(qiáng)電設(shè)備用房系統(tǒng)風(fēng)量，即：

將弱電送風(fēng)溫差Δtr=10℃與Δtq=9℃帶入可得：

理論上，直流系統(tǒng)整合形式中柜式空氣處理機(jī)組的送風(fēng)量與制冷量僅為弱電設(shè)備用房風(fēng)量與制冷量，充分利用了弱電用房與強(qiáng)電設(shè)計用房的設(shè)計溫差，系統(tǒng)送風(fēng)量與制冷量均比其他兩類整合系統(tǒng)小，是一種節(jié)能的新思路。在設(shè)備配置時需注意回排風(fēng)機(jī)將弱電設(shè)備用房回風(fēng)直接送入變電所房間內(nèi)，系統(tǒng)管路復(fù)雜不利于風(fēng)量平衡，實際應(yīng)用時可增設(shè)一臺送風(fēng)風(fēng)機(jī)，在室外溫度大于等于27℃時，系統(tǒng)運行將不再節(jié)能。

3 系統(tǒng)適應(yīng)性分析

整合系統(tǒng)的基礎(chǔ)是室內(nèi)不考慮室內(nèi)濕負(fù)荷，室內(nèi)送風(fēng)過程為等濕降溫過程，但在實際過程中，地下空間畢竟潮濕，從結(jié)構(gòu)頂板、底板或側(cè)壁的散濕量還是存在，特別是在雨季地下水位線較高時，從結(jié)構(gòu)表面的析濕量不容忽視，由于濕負(fù)荷的影響，熱濕比線不再是一條豎直的直線而是一條斜線，由于室內(nèi)控制溫度不變，相對濕度增加后，室內(nèi)狀態(tài)點在焓濕圖上向右偏移，導(dǎo)致室內(nèi)狀態(tài)點的對應(yīng)露點溫度有可能比送風(fēng)點溫度高，導(dǎo)致發(fā)生送風(fēng)溫度過低而導(dǎo)致房間內(nèi)風(fēng)口附近結(jié)露的現(xiàn)象。此時需要調(diào)小送風(fēng)溫差，由于表冷器進(jìn)出水溫度流量與溫差不變，送風(fēng)量加大后，導(dǎo)致送風(fēng)點S溫度升高，送風(fēng)溫差減小，可避免出風(fēng)口結(jié)露的現(xiàn)象，如圖3所示。由于各房間的濕負(fù)荷與設(shè)計之初計算值存在差異，對于集中送回風(fēng)系統(tǒng)，為了控制各支路上的送風(fēng)量與總送風(fēng)量，可采取變風(fēng)量一次回風(fēng)系統(tǒng)的形式，在各房間支路或者主要房間支路上設(shè)置變風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，在室內(nèi)送風(fēng)口附近設(shè)置溫濕度傳感器，如圖4所示，當(dāng)室內(nèi)送風(fēng)口溫度接近露點溫度時，通過變風(fēng)量末端加大房間送風(fēng)量，同步提高柜式空氣處理機(jī)組與對應(yīng)系統(tǒng)回排風(fēng)機(jī)頻率；當(dāng)測得溫度遠(yuǎn)離濕球溫度時，通過變風(fēng)量裝置調(diào)小送風(fēng)支路風(fēng)量，同步調(diào)整柜式空氣處理機(jī)組與對應(yīng)回排風(fēng)機(jī)的頻率，系統(tǒng)節(jié)能運行的同時保證室內(nèi)風(fēng)口不結(jié)露。

圖4 變風(fēng)量系統(tǒng)Fig.4 Variable-air-volume System

4 結(jié)論

為了避免空調(diào)系統(tǒng)控制困難或出現(xiàn)失控的情況，一般情況下，不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的空調(diào)系統(tǒng)整合在常規(guī)通風(fēng)空調(diào)設(shè)計過程中是需要避免的，在地鐵的實際建設(shè)過程中，總會遇到諸多實際條件限制，本文分析了地鐵弱電設(shè)備房間與強(qiáng)電設(shè)備房間空調(diào)系統(tǒng)整合的可行性，兩套系統(tǒng)整合的基礎(chǔ)是地下設(shè)備表用房濕負(fù)荷小，兩套系統(tǒng)的送風(fēng)過程可視為等濕降溫過程，根據(jù)室內(nèi)的顯熱負(fù)荷確定兩類房間送風(fēng)支路的風(fēng)量，由于強(qiáng)電設(shè)備用房存在較大的送風(fēng)溫差，當(dāng)強(qiáng)電房間存在濕負(fù)荷導(dǎo)致結(jié)露時，需要設(shè)置溫濕度探頭，采用變風(fēng)量末端根據(jù)房間相對濕度調(diào)整送風(fēng)量，同時將柜式空氣處理機(jī)組與回排風(fēng)機(jī)變頻處理，在實際應(yīng)用過程中采用變風(fēng)量系統(tǒng)時，應(yīng)和系統(tǒng)分設(shè)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，做到方案合理可行。