某地鐵站冷水機(jī)房和冷卻塔位置方案分析

中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 季益文

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)地鐵車站為地下雙層站，車站兩端分別為設(shè)備集中端和非設(shè)備集中端。目前國內(nèi)南方地鐵車站冷源絕大部分采取螺桿式冷水機(jī)組+冷卻塔，實(shí)際工程中冷水機(jī)房常規(guī)設(shè)置在車站設(shè)備集中端，相應(yīng)冷卻塔在此端風(fēng)井地面就近布置。隨著城市的規(guī)劃和發(fā)展要求，在城市中心地帶，地鐵車站冷卻塔的選址空間十分局限。某地鐵車站由于受周邊空間限制，冷水機(jī)房附近地面無冷卻塔布置空間。本文提出將冷卻塔位置調(diào)整至車站非設(shè)備集中端，對(duì)冷水機(jī)房是否跟隨冷卻塔調(diào)整至非設(shè)備集中端的2種方案的投資、能耗及對(duì)土建方案的影響進(jìn)行比較，綜合分析2種方案的可實(shí)施性和優(yōu)缺點(diǎn)。

1 工程概況

該車站為地下雙層島式標(biāo)準(zhǔn)站，地下1層為站廳層，地下2層為站臺(tái)層。在車站左、右端地面上各設(shè)有2座活塞/機(jī)械通風(fēng)亭、1座新風(fēng)亭和1座排風(fēng)亭，在站廳層右端設(shè)冷水機(jī)房1座，冷水機(jī)組、冷水泵、冷卻水泵均安裝在冷水機(jī)房內(nèi)。該站的右端設(shè)備管理用房區(qū)域集中布置變電所，通信、信號(hào)相關(guān)弱電房間及車站管理人員用房等，將車站右端稱為設(shè)備集中端；左端設(shè)備管理用房僅包含環(huán)控電控室、照明配電室等少量房間，將車站左端稱為非設(shè)備集中端。車站站廳布置示意圖見圖1。

圖1 車站站廳布置示意圖

車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用集中冷源的集中空調(diào)系統(tǒng)，公共區(qū)和設(shè)備管理用房空調(diào)系統(tǒng)合設(shè)冷源。車站計(jì)算冷負(fù)荷為1 040 kW，其中非設(shè)備集中端計(jì)算冷負(fù)荷為380 kW，設(shè)備集中端計(jì)算冷負(fù)荷為660 kW。選用2臺(tái)制冷量相同的水冷螺桿式冷水機(jī)組，機(jī)組制冷量為520 kW，COP為5.25，IPLV為6.1。冷水供回水溫度為7 ℃/12 ℃，冷卻水供回水溫度為32 ℃/37 ℃，供回水溫差均為5 ℃。

設(shè)置2臺(tái)冷水泵、2臺(tái)冷卻水泵、2臺(tái)冷卻塔，與冷水機(jī)組一一對(duì)應(yīng)配置，冷水機(jī)房設(shè)置在車站站廳層右端設(shè)備集中端，空調(diào)水系統(tǒng)定壓與補(bǔ)水采用膨脹水箱，冷卻塔、多聯(lián)機(jī)室外機(jī)分別設(shè)在車站右端新風(fēng)亭附近地面。冷水系統(tǒng)采用一級(jí)泵系統(tǒng)，在組合式空調(diào)機(jī)組的冷水回水管上設(shè)置動(dòng)態(tài)壓差平衡型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，冷水機(jī)房內(nèi)分水器和集水器間設(shè)置壓差旁通閥。冷水系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 冷水系統(tǒng)原理圖

2 地鐵冷卻塔的協(xié)調(diào)方案

由于地面景觀和規(guī)劃等限制因素，地鐵站地面冷卻塔的設(shè)置已是地鐵建設(shè)過程中需要面對(duì)的重大難題。冷卻塔設(shè)置位置及形式與周邊的城市景觀不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象逐漸凸顯；冷卻塔塔體的振動(dòng)、散熱、飄霧、軍團(tuán)菌污染、噪聲等對(duì)周邊建筑和人流的影響和危害也越來越明顯[1]。國內(nèi)冷卻塔的協(xié)調(diào)方案主要有：1) 冷卻塔安裝方式調(diào)整為下沉式或地下封閉式[2]；2) 冷卻塔安裝位置調(diào)整至車站另外一端風(fēng)井附近。

該站冷卻塔的原定位置由于周邊地塊協(xié)調(diào)難度較大，車站右側(cè)設(shè)備管理用房集中端風(fēng)井地面無冷卻塔布置空間，無設(shè)置下沉式或地下封閉式冷卻塔條件。根據(jù)實(shí)地現(xiàn)場探勘，發(fā)現(xiàn)車站左側(cè)非設(shè)備集中端風(fēng)井地面附近具備布置冷卻塔空間。從而提出將冷卻塔布置在車站非設(shè)備集中端的方案，并對(duì)冷水機(jī)房位置是否調(diào)整進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

3 冷水機(jī)房和冷卻塔位置方案

3.1 常規(guī)方案：冷卻塔和冷水機(jī)房均在車站設(shè)備集中端

地下標(biāo)準(zhǔn)雙層島式車站的冷水機(jī)房設(shè)置在靠近車站負(fù)荷中心的位置，即設(shè)備集中端，相應(yīng)冷卻塔也布置在同一端風(fēng)亭地面附近。

3.2 調(diào)整方案1：冷卻塔在車站左側(cè)非設(shè)備集中端，冷水機(jī)組在車站右側(cè)設(shè)備集中端

由于地面條件受限及規(guī)劃部門的要求，設(shè)備集中端風(fēng)亭地面附近不具備布置冷卻塔的條件，因此將冷卻塔位置調(diào)整至非設(shè)備集中端風(fēng)亭附近。此方案為響應(yīng)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]的要求：“冷水機(jī)房應(yīng)設(shè)置在靠近車站負(fù)荷中心的位置，即設(shè)備集中端”，將冷水機(jī)房布置在設(shè)備集中端，冷卻塔布置在非設(shè)備集中端，調(diào)整后冷水系統(tǒng)原理圖見圖3。冷卻塔距離冷水機(jī)房200 m，增加冷卻水泵的揚(yáng)程和功率。

圖3 調(diào)整方案1冷水系統(tǒng)原理圖

3.3 調(diào)整方案2：冷卻塔和冷水機(jī)組均在車站非設(shè)備集中端

當(dāng)冷卻塔由于外部條件受限布置在車站非設(shè)備集中端時(shí)，將冷水機(jī)房跟隨冷卻塔調(diào)整至非設(shè)備集中端，調(diào)整后冷水系統(tǒng)原理圖見圖4。此方案需將從冷水機(jī)房接至車站另一端的冷水管管徑由DN125增加至DN150。

圖4 調(diào)整方案2冷水系統(tǒng)原理圖

4 方案對(duì)比分析

4.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

1) 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的管路投資占系統(tǒng)整體投資的比例雖不高，但其占用空間較大，如果管路長、轉(zhuǎn)彎多，會(huì)導(dǎo)致水泵的輸送能耗大?？s短輸送設(shè)備到負(fù)荷末端的距離，不但可減少管路投資，還可降低輸送能耗，同時(shí)可減少環(huán)控設(shè)備投資，減少配電負(fù)荷及配電設(shè)備投資，此外還能降低設(shè)備噪聲，減少消聲系統(tǒng)投資[4]。對(duì)3種方案中冷卻水泵參數(shù)及冷卻水管、冷水管管徑和長度進(jìn)行分析對(duì)比，如表1所示。

表1 方案對(duì)比

2) 對(duì)調(diào)整方案1和調(diào)整方案2進(jìn)行方案投資經(jīng)濟(jì)性分析：調(diào)整方案1增加了冷卻水泵的揚(yáng)程、功率和冷卻水管的長度，調(diào)整方案2中服務(wù)冷水機(jī)房另一端空調(diào)機(jī)組的冷水管管徑加大，具體造價(jià)分析對(duì)比見表2。

表2 方案造價(jià)增加對(duì)比 元

經(jīng)過以上造價(jià)投資計(jì)算分析可知，調(diào)整方案2相對(duì)調(diào)整方案1減少投資約8萬元。

3) 對(duì)2種調(diào)整方案進(jìn)行運(yùn)營能耗分析：冷水泵能耗只與流量、揚(yáng)程、效率3個(gè)因素有關(guān)，由于車站“狹長”的空間特點(diǎn)決定了供冷半徑，故在車站兩端都有空調(diào)末端的情況下，冷水機(jī)房位置調(diào)整后車站冷水系統(tǒng)供冷半徑?jīng)]有調(diào)整，因此對(duì)冷水泵的這3個(gè)參數(shù)(尤其是揚(yáng)程)沒有實(shí)質(zhì)性的影響。2個(gè)調(diào)整方案中冷卻塔、冷水泵、冷水機(jī)組的參數(shù)無需調(diào)整，影響運(yùn)營能耗的原因有：① 調(diào)整方案1中冷卻水泵功率增加導(dǎo)致運(yùn)行成本增加；② 調(diào)整方案2中服務(wù)冷水機(jī)房另一端空調(diào)機(jī)組的冷水管管徑加大，增加管道冷量損失，從而增加冷水機(jī)組的運(yùn)行荷載和能耗。對(duì)2種方案中增加的運(yùn)營能耗分別進(jìn)行計(jì)算。

① 調(diào)整方案1中每臺(tái)冷卻水泵軸功率由10.4 kW增加到25.5 kW，導(dǎo)致車站冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行能耗比常規(guī)方案每小時(shí)增加30.2 kW·h。

② 調(diào)整方案2增加了管道冷量損失，冷水管道冷量損失按照下式計(jì)算[5]：

q=πD1Q

(1)

式中q為單位長度管道的冷量損失，W/m；D1為內(nèi)層絕熱層外徑，m；Q為絕熱層外表面單位面積的冷量損失，W/m2，用式(2)計(jì)算[5]。

(2)

式中To為管道的外表面溫度，K；Ta為環(huán)境溫度，K；λ為絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；D0為管道外徑，m；as為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

冷水管道的冷量損失提高了冷水機(jī)組的運(yùn)行荷載，造成能耗提升，所增加的冷水機(jī)組功率P按照下式計(jì)算[6]：

(3)

式中P為功率，kW；L為管道長度，m；COP為制冷性能系數(shù)。

2種方案服務(wù)冷水機(jī)房另一端空調(diào)機(jī)組的冷水管道的冷量損失計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可以看出，相對(duì)常規(guī)方案，調(diào)整方案2由于冷水管道冷量損失所增加的能耗為0.4 kW·h。

表3 服務(wù)冷水機(jī)房另一端空調(diào)機(jī)組的冷水管道的冷量損失

③ 結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析得出：調(diào)整方案1比常規(guī)方案增加的冷卻水泵運(yùn)行能耗為30.2 kW·h，調(diào)整方案2比常規(guī)方案增加的冷水管道冷量損失能耗為0.4 kW·h，調(diào)整方案2能耗比調(diào)整方案1更低，更節(jié)能。

4.2 土建方案影響

地下車站的規(guī)模控制是一個(gè)綜合過程，不但包括車站長度、寬度、面積和埋深，也包括合理的開挖方式和圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，亦含內(nèi)部結(jié)構(gòu)截面選定、車站裝修標(biāo)準(zhǔn)等[7]。地鐵車站冷水機(jī)房面積一般為120～140 m2，與通風(fēng)空調(diào)機(jī)房合設(shè)，冷水機(jī)房、通風(fēng)空調(diào)機(jī)房面積較大，且需要和相鄰的風(fēng)道結(jié)合設(shè)計(jì)[8]。

調(diào)整方案1對(duì)土建專業(yè)的影響為：由于增加2根DN200的冷卻水管從車站集中端冷水機(jī)房穿越設(shè)備管理用房、公共區(qū)至車站非設(shè)備集中端風(fēng)亭，在滿足綜合管線布置的前提下，需將車站集中端設(shè)備管理用房范圍的站廳層層高由4.85 m提高至5.35 m，增加土建投資約70萬元。

調(diào)整方案2對(duì)土建專業(yè)的影響為：冷水機(jī)房常規(guī)布置在車站設(shè)備集中端的附屬外掛區(qū)域內(nèi)，若調(diào)整至非設(shè)備集中端，可以利用出入口和車站附屬風(fēng)亭合圍區(qū)域，無需增加車站站廳層層高，在不調(diào)整車站布局和風(fēng)亭位置的情況下，可減少車站面積和投資。具體如何調(diào)整需結(jié)合各站實(shí)際位置、形式和外部條件來合理布置。

5 結(jié)論

通過以上數(shù)據(jù)分析，當(dāng)車站設(shè)備集中端風(fēng)井地面附近無冷卻塔位置時(shí)，將冷卻塔調(diào)整至非設(shè)備集中端的方案是可行的。若將冷水機(jī)房跟隨冷卻塔調(diào)整至車站非設(shè)備集中端，通風(fēng)空調(diào)專業(yè)設(shè)備投資、運(yùn)營能耗比冷水機(jī)房不調(diào)整方案均有所降低，對(duì)土建方案的影響因站而異，整體上不增加車站面積和投資。

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中“冷水機(jī)房應(yīng)設(shè)置在靠近車站負(fù)荷中心的位置(設(shè)備集中端)”的要求的本意是盡量減小冷水系統(tǒng)的管道輸配能耗，因此實(shí)際地鐵工程中不宜硬搬執(zhí)行該要求，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際現(xiàn)場條件，優(yōu)化管路系統(tǒng)，有效減少管網(wǎng)阻力、降低設(shè)備能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)約投資的精品工程。