地鐵地下車站隱藏式冷卻塔的控制工藝研究

吳紹康 羅 輝 王靜偉

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥第一作者， 工程師)

冷水機(jī)組搭配開式冷卻塔的傳統(tǒng)方式依然是目前地鐵地下車站空調(diào)水系統(tǒng)的主要形式。常規(guī)冷卻塔的布置主要分為3個(gè)大類：冷卻塔設(shè)置在高風(fēng)亭上、冷卻塔單獨(dú)設(shè)置在地面、冷卻塔下沉設(shè)置[1]。常規(guī)冷卻塔的布置對(duì)周邊環(huán)境帶來了噪聲、余熱及漂水等不良影響，是地鐵設(shè)計(jì)、建設(shè)過程中急需解決的難題。尤其是在中心城區(qū)地面建筑物密集的情況下，冷卻塔的設(shè)置問題更為突出?；诖?，將冷卻塔埋設(shè)于地下、在地面上增加冷卻塔進(jìn)排風(fēng)亭的方案受到了越來越多的關(guān)注。文獻(xiàn)[2]通過將埋地布置的冷卻塔與常規(guī)冷卻塔進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為地鐵工程在景觀要求較高、地面無冷卻塔設(shè)置條件時(shí)可采用全地下的布置形式。文獻(xiàn)[3]針對(duì)廣州地鐵某地下車站采用埋地式布置冷卻塔、蒸發(fā)冷凝兩種方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，認(rèn)為這兩種方案在景觀效果及噪聲控制方面均較好，蒸發(fā)冷凝方案的占地面積更小，但蒸發(fā)冷凝方案應(yīng)用于地鐵項(xiàng)目(尤其是南方高溫高濕地區(qū)的地鐵項(xiàng)目)時(shí)，存在實(shí)際運(yùn)行中能耗較大、運(yùn)行穩(wěn)定性較差、維護(hù)成本較高、使用壽命受水質(zhì)等因素影響較大等方面的不足。隱藏式冷卻塔在上海城市軌道交通、成都地鐵的特殊車站上已有應(yīng)用，有效解決了冷卻塔設(shè)置對(duì)城市景觀影響的問題，且一定程度降低了運(yùn)行噪聲。

隱藏式冷卻塔在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用依然較少，本文在文獻(xiàn)[2-4]的研究基礎(chǔ)上，深入分析地鐵地下車站的排風(fēng)特性，探討利用地鐵地下車站排風(fēng)降低隱藏式冷卻塔的運(yùn)行能耗，低成本解決冷卻塔白霧問題，以期為隱藏式冷卻塔在地鐵地下車站工程中得到更好的應(yīng)用提供參考。

1 隱藏式冷卻塔的布置概述

地鐵風(fēng)亭等附屬結(jié)構(gòu)的圍護(hù)設(shè)計(jì)通常采用挖孔樁或者連續(xù)墻，圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常需包絡(luò)所有風(fēng)亭的外輪廓。對(duì)于地鐵的低矮風(fēng)亭組，新風(fēng)亭和排風(fēng)亭間的凈距要求不小于10 m，在進(jìn)風(fēng)亭和排風(fēng)亭之間常設(shè)有可以利用的空間。因此，適當(dāng)擴(kuò)大風(fēng)亭的維護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)模后，可將冷卻塔布置于地下，這對(duì)車站土建的初始投資影響不大。

隱藏式冷卻塔結(jié)合車站土建附屬空間予以布置，其布置方案如圖1所示，在地面增加供冷卻塔使用的進(jìn)風(fēng)亭和排風(fēng)亭?？紤]減小占地面積及盡量不影響城市景觀等因素，該方案在設(shè)計(jì)時(shí)往往將新增風(fēng)亭與原車站風(fēng)亭合建。與常規(guī)冷卻塔的布置相比，隱藏式冷卻塔的布置增加了冷卻塔運(yùn)行的阻力，增大了冷卻塔本體的噪聲，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用降低冷卻塔坑道的風(fēng)速、優(yōu)化坑道的氣流組織等措施，以減小冷卻塔風(fēng)機(jī)的全壓及運(yùn)行噪聲。隱藏式冷卻塔坑道的尺寸和風(fēng)亭面積與車站規(guī)模有關(guān)，應(yīng)根據(jù)車站具體的空調(diào)負(fù)荷大小、冷卻塔散熱能力及冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)壓綜合考慮確定。此外，若冷卻水泵與冷卻塔坑道同層布置，還需要注意水泵啟動(dòng)和運(yùn)行過程中的氣體腐蝕、空氣腐蝕問題，以及空調(diào)水系統(tǒng)停止運(yùn)行后冷卻水的倒流問題，這些問題不是本文研究的重點(diǎn)，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

a) 平面圖

2 地鐵地下車站的排風(fēng)再利用

本文選取廣州地鐵2號(hào)線某典型地下車站某個(gè)夏季空調(diào)日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖2為該站當(dāng)日06:00—22:00車站排風(fēng)道、室外新風(fēng)道內(nèi)干球和濕球的溫度時(shí)程變化曲線。由圖2可知，室外新風(fēng)的干球、濕球溫度隨時(shí)間的變化較大，濕球溫度在13:00左右達(dá)到最高值(31.8 ℃)；車站排風(fēng)的干球、濕球溫度變化較小，車站排風(fēng)參數(shù)相對(duì)較為穩(wěn)定。不同時(shí)刻下車站排風(fēng)的干球溫度最大相差2.1 ℃左右，濕球溫度差異則更為明顯(最大相差6.4 ℃)。由此可見，在夏季，廣州地鐵地下車站排風(fēng)的干、濕球溫度大部分時(shí)刻均低于室外新風(fēng)的干、濕球溫度，采用引入車站排風(fēng)作為冷卻塔的進(jìn)風(fēng)以降低冷卻塔進(jìn)風(fēng)的濕球溫度的措施是可行的。

圖2 廣州地鐵典型地下車站夏季空調(diào)日車站排風(fēng)及室外新風(fēng)的溫度時(shí)程變化曲線Fig.2 Temperature time-history curve of exhaust air and outdoor fresh air in typical underground station of Guangzhou Metro on summer air-conditioning day

利用車站排風(fēng)作為進(jìn)風(fēng)以降低冷卻塔進(jìn)風(fēng)濕球的溫度變化幅度，該幅度與車站可利用的排風(fēng)量大小密切相關(guān)。地鐵地下車站服務(wù)公共區(qū)的空調(diào)大系統(tǒng)及主要設(shè)備房的空調(diào)小系統(tǒng)一般采用雙風(fēng)機(jī)的一次回風(fēng)系統(tǒng)，回風(fēng)閥開啟或關(guān)閉的依據(jù)是排風(fēng)與室外新風(fēng)參數(shù)的對(duì)比情況。圖3為廣州地鐵采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)的典型地下車站2020年8月連續(xù)3 d的室外新風(fēng)、大系統(tǒng)排風(fēng)及空調(diào)小系統(tǒng)排風(fēng)焓值的時(shí)程變化曲線。由圖3可以看出，室外新風(fēng)焓值隨時(shí)間的變化較大，并在13:00達(dá)到最大值；車站排風(fēng)焓值(包括大系統(tǒng)排風(fēng)焓值和空調(diào)小系統(tǒng)排風(fēng)焓值)波動(dòng)較小，波動(dòng)主要是由于房間濕度的變化引起的。

從圖3還可以看出，在連續(xù)3 d的監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，室外新風(fēng)焓值均高于車站空調(diào)系統(tǒng)的排風(fēng)焓值，這表明了廣州地區(qū)地鐵地下車站空調(diào)系統(tǒng)夏季主要在小新風(fēng)空調(diào)工況下運(yùn)行，空調(diào)區(qū)域低溫低濕的排風(fēng)可用于冷卻塔的風(fēng)量較少。除了這部分的空調(diào)排風(fēng)外，還可利用的排風(fēng)主要是車站軌行區(qū)排熱系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“軌排”)的排風(fēng)、通風(fēng)房間的風(fēng)量及車站混合后的排風(fēng)。在軌排工頻運(yùn)行的情況下，廣州地鐵典型地下車站排風(fēng)道內(nèi)可利用的排風(fēng)量約為40～50 m3/s，與一般規(guī)模車站的冷卻塔進(jìn)風(fēng)量大小相當(dāng)。由于車站排風(fēng)道的排風(fēng)量受車站空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況的影響較大，因此，不同地區(qū)的地下車站應(yīng)根據(jù)車站的實(shí)際情況核算排風(fēng)的可利用程度。

a) 第1天

3 隱藏式冷卻塔的控制工藝

隱藏式冷卻塔結(jié)合地鐵地下車站附屬風(fēng)道布置，具備切換風(fēng)道內(nèi)閥門的條件，可利用車站排風(fēng)改變冷卻塔的進(jìn)、出風(fēng)參數(shù)，使冷卻塔在節(jié)能、防白霧、排煙等不同運(yùn)行工況下靈活運(yùn)行，進(jìn)而解決常規(guī)冷卻塔運(yùn)行時(shí)存在的部分問題。

3.1 節(jié)能工況

降低冷卻塔出水溫度，可降低冷水機(jī)組的冷凝溫度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷凝溫度每降低1 ℃，冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)(COP)可提高3%左右。因此，在冷卻塔結(jié)構(gòu)一定、熱力性能良好的情況下，冷卻塔的出水溫度取決于環(huán)境濕球溫度。隱藏式冷卻塔在節(jié)能工況下的運(yùn)行原理如圖4所示。

a) 節(jié)能工況一(通過MD-W02的排風(fēng)量小于冷卻塔進(jìn)風(fēng)量)

如圖4所示，在車站排風(fēng)及室外新風(fēng)處分別設(shè)置溫濕度傳感器H-W01、H-W02。當(dāng)車站排風(fēng)的濕球溫度低于室外新風(fēng)濕球溫度時(shí)，打開節(jié)能風(fēng)閥MD-W02，此時(shí)車站低濕度的排風(fēng)與室外新風(fēng)混合，可降低冷卻塔入口空氣的濕球溫度，降低冷卻塔出水溫度，進(jìn)而可提高冷水機(jī)組的COP。

圖4 a)節(jié)能工況一中，通過MD-W02的排風(fēng)量須小于冷卻塔的進(jìn)風(fēng)量。若通過MD-W02的排風(fēng)量大于冷卻塔的進(jìn)風(fēng)量，部分車站排風(fēng)將通過冷卻塔新風(fēng)亭排出室外，由于冷卻塔的新風(fēng)亭往往與車站新風(fēng)亭合建，車站排風(fēng)與車站新風(fēng)將出現(xiàn)短路現(xiàn)象，不符合GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于風(fēng)亭間距的要求。該情況下，應(yīng)在冷卻塔新風(fēng)道設(shè)置風(fēng)向傳感器V-W01，當(dāng)檢測(cè)到新風(fēng)道氣流流向室外時(shí)，立即關(guān)閉冷卻塔新風(fēng)閥MD-W01，此時(shí)閥門的切換及空氣的流動(dòng)如圖4 b)節(jié)能工況二所示。因此，應(yīng)結(jié)合地下車站空調(diào)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行風(fēng)量平衡核算，以確定是否需要設(shè)置MD-W01。

3.2 全新風(fēng)工況

當(dāng)車站排風(fēng)的濕球溫度大于等于室外新風(fēng)濕球溫度時(shí)，車站排風(fēng)不具備再利用的條件，應(yīng)關(guān)閉MD-W02，冷卻塔以全新風(fēng)工況運(yùn)行，如圖5所示。相對(duì)于常規(guī)地面冷卻塔的布置，隱藏式冷卻塔布置增加了土建風(fēng)道阻力，因而在全新風(fēng)工況下的能耗有所增加?？紤]地鐵工程對(duì)冷卻塔噪聲的控制要求較高，隱藏式冷卻塔在布置時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大塔的風(fēng)道面積，以減小局部阻力，并降低冷卻塔的風(fēng)機(jī)全壓，使之在降低噪聲的同時(shí)減小運(yùn)行能耗。

圖5 隱藏式冷卻塔在全新風(fēng)工況下的運(yùn)行原理圖Fig.5 Operation principle of invisible cooling tower under full fresh air working condition

3.3 防白霧工況

如圖6 a)焓濕圖所示，冷卻塔白霧形成的原理是冷卻塔出風(fēng)側(cè)高溫高濕氣體(狀態(tài)點(diǎn)O1)與室外空氣(狀態(tài)點(diǎn)W)的混合點(diǎn)落入空氣飽和區(qū)，即線段WO1與相對(duì)濕度Φ=100%等值線相交。室外空氣越接近飽和、溫度越低時(shí)，混合點(diǎn)落入飽和區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)越大；冷卻塔的出風(fēng)溫度和相對(duì)濕度越高時(shí)，混合點(diǎn)落入飽和區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)亦越大[5-6]。以廣州地鐵為例，每年的3月份、4月份地下車站的室外溫度較低，且冷卻塔出風(fēng)接近飽和狀態(tài)，冷卻塔易產(chǎn)生白霧現(xiàn)象。白霧現(xiàn)象在一定程度上影響了城市景觀，冷卻塔周邊如有住宅等敏感建筑，還容易受到市民投訴。

a) 焓濕圖分析

由于地鐵地下車站的室外氣象參數(shù)難以控制，因此，解決冷卻塔白霧的主要措施是降低冷卻塔出口處高溫高濕氣體的相對(duì)濕度，使其與室外空氣的混合狀態(tài)點(diǎn)處于非飽和狀態(tài)。通過混合空氣預(yù)防白霧產(chǎn)生已有相關(guān)研究[7]，隱藏式冷卻塔布置可充分利用車站排風(fēng)進(jìn)行除霧，其運(yùn)行原理如圖6 b)所示。通過開啟除霧風(fēng)閥MD-W03、關(guān)閉MD-W02，將高溫不飽和的車站排風(fēng)(狀態(tài)點(diǎn)P)與冷卻塔排風(fēng)(狀態(tài)點(diǎn)O1)混合，混合后的狀態(tài)點(diǎn)為C，使冷卻塔排風(fēng)亭出風(fēng)遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)，進(jìn)而有效地避免白霧的發(fā)生。與工業(yè)領(lǐng)域采用的冷卻塔出風(fēng)側(cè)電加熱或廢熱利用等方式相比，利用車站既有排風(fēng)混合的方式防白霧，其初始投資較低,運(yùn)行能耗較小,后續(xù)維護(hù)工作量較少。此外，地鐵冷卻塔往往在非空調(diào)季或過渡季節(jié)才產(chǎn)生白霧，此時(shí)對(duì)應(yīng)的車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一般為全新風(fēng)工況，車站可利用的排風(fēng)量較大，因此，結(jié)合車站風(fēng)道布置隱藏式冷卻塔，可以用較低的成本有效地解決冷卻塔的白霧問題。

3.4 排煙工況

當(dāng)?shù)叵萝囌景l(fā)生火災(zāi)時(shí)，車站空調(diào)水系統(tǒng)(含冷卻塔)關(guān)閉，車站排風(fēng)道用于火災(zāi)時(shí)的排煙。為避免高溫?zé)煔獯肜鋮s塔導(dǎo)致冷卻塔發(fā)生次生火災(zāi)，應(yīng)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)采取切換電動(dòng)風(fēng)閥等措施，避免火災(zāi)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。此外，冷卻塔填料是一個(gè)常見的火災(zāi)隱患點(diǎn)，在安裝、運(yùn)行及維修過程中可能引發(fā)火災(zāi)[5]，將冷卻塔埋于地下，需要考慮冷卻塔和車站火災(zāi)的相互影響。當(dāng)冷卻塔發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)通過關(guān)閉MD-W01風(fēng)閥，避免煙氣串入車站新風(fēng)道后進(jìn)入車站，對(duì)車站造成不利影響?；馂?zāi)工況下隱藏式冷卻塔的排煙原理如圖7所示。

圖7 火災(zāi)工況下隱藏式冷卻塔的排煙原理Fig.7 Smoke exhaust principle of invisible cooling tower under fire situation

4 結(jié)語

1) 隱藏式冷卻塔結(jié)合車站土建附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，既解決了常規(guī)冷卻塔對(duì)景觀造成影響的問題，還可通過設(shè)置風(fēng)道切換閥門及傳感器滿足其在節(jié)能、防白霧、排煙等多種工況的運(yùn)行要求。

2) 車站排風(fēng)參數(shù)及可利用的排風(fēng)量與車站空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況有關(guān)。對(duì)于廣州地區(qū)而言，車站排風(fēng)的濕球溫度普遍低于室外新風(fēng)的濕球溫度，隱藏式冷卻塔利用車站排風(fēng)降低冷卻塔進(jìn)風(fēng)濕球溫度，可彌補(bǔ)冷卻塔埋于地下因風(fēng)道阻力所增加的運(yùn)行能耗。后續(xù)應(yīng)在實(shí)際工程中對(duì)全年的記錄數(shù)據(jù)計(jì)算分析，將排風(fēng)的節(jié)能量與因土建風(fēng)道增加的能耗值作進(jìn)一步的對(duì)比。

3) 地鐵地下車站冷卻塔白霧易發(fā)生在冬季，此時(shí)車站空調(diào)系統(tǒng)往往處于全新風(fēng)工況，可利用的排風(fēng)量較大。隱藏式冷卻塔通過將車站高溫的排風(fēng)與冷卻塔排風(fēng)混合，改變冷卻塔的出風(fēng)參數(shù)，能低成本、有效地解決常規(guī)冷卻塔的白霧問題。

4) 節(jié)能工況下，應(yīng)對(duì)隱藏式冷卻塔進(jìn)排風(fēng)及車站排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量平衡核算，以避免車站排風(fēng)通過冷卻塔進(jìn)風(fēng)亭回灌至車站新風(fēng)亭，造成車站新風(fēng)污染。此外，還應(yīng)進(jìn)一步研究隱藏式冷卻塔和車站發(fā)生火災(zāi)時(shí)的相互影響，通過風(fēng)閥切換等措施避免火災(zāi)影響范圍的擴(kuò)大。