城市軌道交通地下車站公共區(qū)空調系統(tǒng)方案對比分析

武 磊

中國鐵路設計集團有限公司 天津 300000

1 引言

對于地鐵車站公共區(qū)來說，按照空氣處理范圍的不同，可將空調系統(tǒng)分為集中式空調系統(tǒng)和分散式空調系統(tǒng)，集中式空調系統(tǒng)是對公共區(qū)全部空間范圍內的空氣進行處理，根據整體空間冷負荷配置空調系統(tǒng)[1]；分散式空調系統(tǒng)是對公共區(qū)局部空間范圍內的空氣進行處理，按照局部空間冷負荷配置空調系統(tǒng)。當前，地鐵車站公共區(qū)通常采用集中式空調系統(tǒng)，通過組合空調機組、回排風機以及吊頂內的風管、風口，進行全范圍的通風換氣和空調制冷。而公共區(qū)屬于室外空間與列車車廂過渡區(qū)域，乘客在公共區(qū)的停留時間比較短，主要集中在站廳中間區(qū)域和站臺候車區(qū)域，站廳兩端區(qū)域基本無乘客停留。并且站廳兩端區(qū)域與出入口通道聯(lián)通，在活塞風的作用下，冷空氣會經出入口通道流出到室外空間，造成能源浪費，因此，如能根據車站公共區(qū)的人流集散情況，制定合理的空調方案，針對局部區(qū)域進行空調制冷，將會明顯降低能耗，具有顯著的節(jié)能效果。

2 地鐵車站公共區(qū)集中式空調系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)方案

集中式空調系統(tǒng)由設置在兩端環(huán)控機房內的組合空調機組、回排風機、排煙風機、新風機，設置在設備區(qū)及公共區(qū)吊頂內的送風管和排風管，以及設置在風管上的電動風閥構成，系統(tǒng)方案如圖1所示。

2.2 運行模式

集中式空調系統(tǒng)根據溫濕度測點的反饋數據，在自動控制系統(tǒng)的干預下，實現(xiàn)不同工況的模式轉換。

(1) 空調季：當室外空氣焓值大于空調系統(tǒng)回風設計焓值時，采用最小新風空調工況；當室外空氣焓值小于等于空調系統(tǒng)回風設計焓值，且室外空氣溫度大于空調系統(tǒng)送風溫度時，采用全新風空調工況；(2) 過渡季：當室外空氣溫度大于5℃，且小于等于空調系統(tǒng)送風溫度時，采用過渡季通風工況；(3) 冬季：當室外空氣溫度大于車站公共區(qū)室內露點溫度，且小于等于5℃時，采用冬季小新風工況。

2.3 存在問題

集中式空調系統(tǒng)存在四類問題：一是風管阻力大、送風距離長、冷量損失大，送風管末端覆蓋區(qū)域的溫度達不到設計值；二是風管尺寸大，綜合管線布置困難，吊頂安裝高度低；三是組合空調機組安裝于兩端環(huán)控機房內，機房面積大，影響土建規(guī)模；四是集中式空調系統(tǒng)采用全范圍的通風換氣或者空調制冷模式，不能對人流密集區(qū)域和熱負荷較大的區(qū)域進行針對性降溫[2]。由于上述問題的存在，本文提出分散式空調系統(tǒng)，在滿足規(guī)范和運營要求的前提下，解決公共區(qū)末端區(qū)域溫度不達標、管線布置困難、占地面積大等問題。

3 地鐵車站公共區(qū)分散式空調系統(tǒng)

地鐵車站公共區(qū)作為過渡區(qū)域，乘客停留時間較短，研究發(fā)現(xiàn)，乘客進站時，平均在站廳公共區(qū)停留3分鐘左右，乘客出站時，平均在站廳公共區(qū)停留1.5分鐘左右，乘客在站臺公共區(qū)的停留時間與地鐵發(fā)車間隔有關，人流集散情況存在明顯的區(qū)域性，如圖2所示，紅色區(qū)域為人流密集區(qū)域，黃色區(qū)域為人流相對密集區(qū)域，綠色區(qū)域為人流較少區(qū)域，白色區(qū)域為人流極少區(qū)域。經對天津地鐵車站公共區(qū)溫度進行測量，數據顯示，公共區(qū)的環(huán)境溫度與人流密集程度正相關，人流密集區(qū)域的環(huán)境溫度要高于設計溫度，人流極少區(qū)域的環(huán)境溫度要低于設計溫度。究其原因，在于集中式空調系統(tǒng)只能進行全范圍的空調制冷，加上裝修風格、吊頂高度和綜合管線布置等因素的限制，風口多布置在主管道上，導致近設備端的風口風量大，遠設備端的風口風量小，但人流密集區(qū)域主要集中在公共區(qū)中間區(qū)域，且此區(qū)域設備發(fā)熱量大，采用集中式空調系統(tǒng)的公共區(qū)會出現(xiàn)冷熱失調的問題[3]。

圖2 地鐵車站公共區(qū)人流分布圖

3.1 系統(tǒng)方案

結合集中式空調系統(tǒng)的優(yōu)勢，本文提出分散式空調系統(tǒng)。分散式空調系統(tǒng)由設置在兩端環(huán)控機房內的新風機組、排風機、排煙風機，設置在站廳公共區(qū)和站臺公共區(qū)人流密集區(qū)域的島式空調，設置在設備區(qū)及公共區(qū)吊頂內的新風管和排風管，以及設置在風管上的電動風閥構成，系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3 地鐵車站公共區(qū)分散式空調系統(tǒng)原理圖

3.2 運行模式

分散式空調系統(tǒng)根據溫濕度測點的反饋數據，在自動控制系統(tǒng)的干預下，實現(xiàn)不同工況的模式轉換。

(1) 空調季：采用最小新風工況，開啟島式空調機組對人流密集區(qū)域進行空調制冷，開啟新風機組向公共區(qū)補充人員新風。(2) 過渡季：當室外空氣溫度大于5℃，且小于等于空調系統(tǒng)送風溫度時，采用過渡季通風工況，關閉島式空調機組，開啟排風機進行排風，開啟新風機組補充新風。(3) 冬季：當室外空氣溫度大于車站公共區(qū)室內露點溫度，且小于等于5℃時，采用冬季小新風工況，開啟新風機組向公共區(qū)補充人員新風。

3.3 方案特點

分散式空調系統(tǒng)可以彌補常規(guī)集中式空調系統(tǒng)的不足，針對公共區(qū)人流密集程度和熱負荷分布，實現(xiàn)局部范圍的定向降溫。分散式空調系統(tǒng)是將小型空氣處理機組進行集成化處理，去掉非必要的單元，再結合地鐵車站的建筑布局和裝修風格，將集約化處理的島式空調機組安裝在特定區(qū)域，利用島式空調機組自帶的送風口和排風口，實現(xiàn)局部空調制冷，節(jié)約能源。

4 兩種空調系統(tǒng)方案技術分析

4.1 系統(tǒng)方案分析

集中式空調系統(tǒng)的風量和冷量根據公共區(qū)所有范圍內的冷、濕負荷進行計算，包括人員、照明、廣告燈箱、售檢票機、通信設備等產熱量以及人員、圍護結構等產濕量，送風管和回排風管的尺寸根據風量及風速確定。

分散式空調系統(tǒng)的島式空調機組冷量根據公共區(qū)中間區(qū)域的冷、濕負荷進行計算，由于分散式空調系統(tǒng)針對中間區(qū)域進行降溫，出入口通道與站廳公共區(qū)兩端區(qū)域基本無溫差，活塞風導致的出入口熱滲透可以忽略不記，與集中式空調系統(tǒng)相比，島式空調機組冷量要小約20%，新風機組的風量根據人員所需新風量確定，排風機的風量按照換氣次數進行計算，新風管和排風管的尺寸根據風量及風速確定。冷卻水系統(tǒng)、冷水機組、冷凍水系統(tǒng)的設備容量要減小15%左右，此外，島式空調機組可與票亭、樓梯下三角房等區(qū)域進行結合布置。

4.2 初投資分析

以天津地區(qū)標準地下站為例，集中式空調系統(tǒng)和分散式空調系統(tǒng)的投資對比分析見表1。由此可見，包含土建投資時，分散式空調系統(tǒng)比集中式空調系統(tǒng)節(jié)省投資約410.2萬元，不包含土建投資時，節(jié)省投資約90.2萬元。

表1 集中式空調系統(tǒng)和分散式空調系統(tǒng)投資對比表

4.3 運行能耗分析

集中式空調系統(tǒng)和分散式空調系統(tǒng)的運行能耗對比分析見表2。由此可見，在不同運行模式下，分散式空調系統(tǒng)比集中式空調系統(tǒng)的能耗下降明顯，其中，小新風模式下，運行能耗降低約29%，全新風模式下，運行能耗降低約27%，通風模式下，運行能耗降低約56%。

表2 集中式空調系統(tǒng)和分散式空調系統(tǒng)運行能耗對比表

5 結語

本文從地鐵車站常規(guī)集中式空調系統(tǒng)方案入手，指出空調系統(tǒng)存在的問題與不足，并針對性的提出地鐵車站公共區(qū)分散式空調系統(tǒng)，經多方面對比分析后，得出如下結論：分散式空調系統(tǒng)可針對公共區(qū)人流密集程度和熱負荷分布，實現(xiàn)局部范圍的定向精準降溫，避免能源浪費，還可以解決機房占地面積大、系統(tǒng)輸配能耗高、綜合管線排布困難等問題，能夠有效節(jié)約土建規(guī)模和設備出投資，減少空調系統(tǒng)運行費用。