北京地區(qū)地鐵車站風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)探究

穆育紅

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 100037， 北京∥高級(jí)工程師)

地鐵車站冷卻塔是地鐵空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，一般采用在地面設(shè)置或下沉式設(shè)置。風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔采用新型設(shè)置形式，節(jié)省占地、無需額外征地，對(duì)周邊景觀環(huán)境無影響，能有效解決冷卻塔景觀影響、噪聲擾民及衛(wèi)生等問題，尤其適用于景觀要求高、環(huán)境影響評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)高及場地受限的情況。但采用風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔時(shí)，工程造價(jià)會(huì)有所增加。

風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)是一種新型冷卻技術(shù)。本文以北京某新建線路的地鐵車站(以下稱為“A站”)為例，對(duì)風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的技術(shù)特點(diǎn)、布局要求、設(shè)計(jì)思路等進(jìn)行論述，探討內(nèi)置式風(fēng)道冷卻塔的技術(shù)發(fā)展。

1 冷卻塔的設(shè)置

A站位于主城區(qū)繁華地段，其出入口與風(fēng)道分別設(shè)置于北京長話大樓和某寫字樓旁，并與開發(fā)地塊結(jié)合設(shè)置。由于場地有限，且項(xiàng)目對(duì)景觀要求較高，故A站選擇風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔方案。

1.1 設(shè)計(jì)思路

風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔設(shè)置在車站內(nèi)的新風(fēng)井與排風(fēng)井中間，主要采用新風(fēng)道補(bǔ)風(fēng)、排風(fēng)道排出冷卻塔濕熱氣流的方式，對(duì)冷卻塔進(jìn)行通風(fēng)降溫。

具體設(shè)計(jì)思路為：首先，分別在車站排風(fēng)道及新風(fēng)道相接處設(shè)置電動(dòng)風(fēng)閥，并在新風(fēng)道及排風(fēng)道設(shè)置濕球溫度傳感器；當(dāng)排風(fēng)道排風(fēng)濕球溫度<新風(fēng)道濕球溫度時(shí)，開啟排風(fēng)道側(cè)的電動(dòng)風(fēng)閥，關(guān)閉新風(fēng)道側(cè)的電動(dòng)風(fēng)閥，利用車站排風(fēng)對(duì)冷卻塔進(jìn)行冷卻；當(dāng)排風(fēng)道排風(fēng)濕球溫度≥新風(fēng)道濕球溫度時(shí)，關(guān)閉排風(fēng)道側(cè)電動(dòng)風(fēng)閥，開啟新風(fēng)道側(cè)電動(dòng)風(fēng)閥，利用室外新風(fēng)冷卻，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的高效通風(fēng)換熱。

1.2 冷卻塔的選型

如果冷卻塔距地面很近，氣流組織順暢，且沒有特殊余壓要求，則風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔可選用側(cè)進(jìn)側(cè)出橫流變頻冷卻塔(見圖1)。由于A站的冷卻塔設(shè)在車站地下四層，距地面排風(fēng)口約20 m，排風(fēng)阻力較大，需冷卻塔提供至少300 Pa以上的余壓，因此，對(duì)于A站而言，采用抗熱回流能力穩(wěn)定、受環(huán)境氣候影響小、熱力性能穩(wěn)定的鼓風(fēng)式逆流變頻冷卻塔更合適。冷卻塔通過風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的智能溫控功能，實(shí)現(xiàn)冷卻塔變頻控制，降低運(yùn)行噪聲；其風(fēng)機(jī)啟停平緩，可延長電機(jī)壽命。冷卻塔配置的變流量噴頭可在30%～110%流量范圍內(nèi)均勻布水，以保證變頻運(yùn)行的淋水與換熱效果。

注：尺寸單位為mm； 標(biāo)高單位為m。圖1 風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔(橫流塔)立面示意圖Fig.1 Elevation diagram of air duct built-in cooling tower (cross-flow tower)

1.3 氣流組織

橫流冷卻塔方案采用廠家定制的側(cè)進(jìn)側(cè)出橫流冷卻塔，其進(jìn)出風(fēng)與新排風(fēng)井方向一致，氣流組織更順暢，換熱效果更佳。

在逆流冷卻塔方案中，由于北京地區(qū)氣候干燥易起塵土，地鐵排風(fēng)道內(nèi)積塵較多，故A站不考慮利用排風(fēng)道對(duì)冷卻塔進(jìn)行通風(fēng)換熱，直接利用新風(fēng)道送風(fēng)、排風(fēng)井出風(fēng)換熱。為滿足出風(fēng)側(cè)的氣流順暢需求，冷卻塔的氣流組織采用有組織排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)方式。A站在車站兩端設(shè)備區(qū)靠近新風(fēng)井與排風(fēng)井處，利用地下風(fēng)道內(nèi)空間分別設(shè)置冷凍機(jī)房。其中1處為大端冷凍機(jī)房，1處為小端冷凍機(jī)房。冷卻塔靠近排風(fēng)井設(shè)置，并與冷凍機(jī)房相鄰，其頂部出風(fēng)口設(shè)置與排風(fēng)井相連的靜壓箱，以保證氣流順暢(見圖2)。在冷卻塔與新風(fēng)井相鄰的墻上設(shè)置新風(fēng)閥，可保證冷卻塔從新風(fēng)井自然進(jìn)風(fēng)(見圖3)。

1.4 冷卻塔與冷凍機(jī)房的布置

根據(jù)A站的實(shí)際冷負(fù)荷需求，在小端冷凍機(jī)房中：冷卻泵水量Q小，1=175 m3/h；冷卻塔循環(huán)水量Q小,2=250 m3/h，所需排風(fēng)量為162 500 m3/h；新風(fēng)閥開洞尺寸為4 500 mm×3 200 mm；受土建條件限制，排風(fēng)閥開洞尺寸與新風(fēng)閥尺寸一致；冷卻塔處風(fēng)速達(dá)到3 m/s，滿足冷卻塔的排風(fēng)量需求。在大端冷凍機(jī)房(見圖3)中：冷卻泵水量Q大,1=260 m3/h，冷卻塔循環(huán)水量Q大,2=200×2(臺(tái)) m3/h，所需總排風(fēng)量為260 000 m3/h；新風(fēng)閥與排風(fēng)閥開洞尺寸均為5 200 mm×3 200 mm；冷卻塔處風(fēng)速約為4 m/s，滿足風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的排風(fēng)量與換熱要求。

尺寸單位：mm圖2 風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔(逆流塔)氣流組織示意圖Fig.2 Air distribution diagram of air duct built-incooling tower (counter current tower)

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 A站冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)及隱患

由設(shè)置在地面或屋面的冷卻塔組成的冷卻系統(tǒng)中，冷卻塔設(shè)置在冷卻系統(tǒng)最高點(diǎn)，高于冷水機(jī)組冷凝器；管路長，水容量大；冷卻塔至冷卻泵的吸水管路有足夠高差。

注：管徑單位為mm;尺寸單位為mm;標(biāo)高單位為m。

而在A站的冷卻系統(tǒng)中，冷卻塔與冷凍機(jī)房同層布置，幾乎沒有高差，不能形成自灌；冷卻塔水盤幾乎與冷水機(jī)組冷凝器等高，且二者水平距離太遠(yuǎn)，極易使冷卻泵吸水管路空氣混入水中、進(jìn)入水泵并壓入管道中，產(chǎn)生水錘；冷卻塔緊鄰排風(fēng)井、冷卻泵及冷凍機(jī)房布置，冷卻水供回水管路總長度僅60 m左右，水容量相對(duì)較小(見圖4)，不能接納停泵時(shí)涌入的水，易產(chǎn)生水盤溢流，且再次啟泵時(shí)因吸水量不足，易吸入空氣造成水錘。因此，應(yīng)針對(duì)A站冷卻系統(tǒng)存在的隱患，預(yù)測運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的各種問題，進(jìn)而采取針對(duì)性措施，完善設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

注：i為坡度;管徑單位為mm;標(biāo)高單位為m。圖4 風(fēng)道內(nèi)置冷卻塔冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.4 Cooling system diagram of air duct built-in cooling tower

2.2 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為保證冷卻塔充足的進(jìn)風(fēng)量與換熱效果，冷卻塔進(jìn)風(fēng)面距墻凈距應(yīng)不小于冷卻塔進(jìn)風(fēng)高度。由于冷卻塔出水要依靠重力流入冷卻泵，且冷卻泵要與冷卻塔相近設(shè)置，故冷卻塔出水管須沿坡度≥5%的縱坡一路坡向冷卻泵，不能出現(xiàn)局部高點(diǎn)或低點(diǎn)；距冷卻泵吸水口處要設(shè)置管長L≥5D(D為冷卻管道直徑)的直管段；冷卻塔位置應(yīng)滿足冷卻水泵凈吸入揚(yáng)程及必需氣蝕余量的要求(見圖5)。

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)措施》，有：

圖5 冷卻水泵吸入口的凈吸入揚(yáng)程、汽蝕余量計(jì)算簡圖Fig.5 Calculation diagram of net suction lift and NPSH atsuction port of cooling water pumpH=hSV-[ha-hav-Σhab-Δh]

(1)

式中：

H——冷卻塔水盤水面至冷卻水泵吸入口的高差;

hSV——大于水泵樣本提供的必需氣蝕余量(A

站的小端冷凍機(jī)房冷卻泵hSV=5.827 m,大端冷凍機(jī)房冷卻泵hSV=7.753 m)；

ha——大氣壓力，取10 m；

hav——冷卻水溫度下的汽化壓力，取0.65 mm；

Σhab——冷卻塔出口至冷卻水泵吸入口的總水頭損失(A站的小端冷凍機(jī)房Σhab=1.597 m,大端冷凍機(jī)房Σhab=1.459 m)；

Δh——?dú)馕g余量富余值，取0.4～0.6 m。

將各變量取值代入式(1)可知，技術(shù)措施的要求為H≥hSV-(8.95 m-Σhab)。根據(jù)A站實(shí)際情況計(jì)算可得，小端冷凍機(jī)房H=0.40 m，大端冷凍機(jī)房H=0.35 m，滿足《建筑給水排水設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)措施》要求。

當(dāng)冷卻循環(huán)供水管接入并聯(lián)工作的2座冷卻塔時(shí)，進(jìn)水管應(yīng)采用同程布置來保證兩塔間的管道阻力平衡，防止水量分配不均勻，造成冷塔水盤溢流。為避免由于壓力與水量不均帶來冷卻塔溢流問題，2座冷卻塔水盤間需設(shè)置連通管，且出水干管應(yīng)采用比進(jìn)水干管大兩號(hào)的集合管路。

由于冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)水容量小，冷卻泵吸水管路壓差低，冷卻塔水盤的容積不足以容納冷卻泵停止時(shí)流入的水量，故極易引起溢流。當(dāng)再次啟泵時(shí)，由于冷卻塔水盤水量不足，會(huì)吸入空氣造成水錘，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起設(shè)備移位、閥門損壞。因此，須加深冷卻塔水盤深度(即加大水盤容積)，降低冷卻泵吸水口高度，加大吸水干管管徑，以降低流速，保證冷卻泵啟泵時(shí)不吸入空氣。

采用風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔時(shí)，由于冷卻供回水管線路徑短，水容量小，若采取上述措施仍無法滿足冷卻泵吸水量要求，則宜在冷卻塔旁設(shè)置1座與冷卻塔水盤連通的平衡水箱，用于補(bǔ)充冷卻塔水盤容積，為冷卻泵啟泵時(shí)提供補(bǔ)充水量，或在停機(jī)時(shí)為水盤溢流預(yù)留儲(chǔ)存空間(見圖4)。

風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔與冷水機(jī)組的冷凝器無高差，故停泵后管道內(nèi)冷卻水極易落入塔中造成管網(wǎng)中真空，進(jìn)而產(chǎn)生虹吸，將冷卻管網(wǎng)中的水吸上而流入冷卻塔，引起冷卻塔水盤溢水。因此，應(yīng)在冷卻水干管頂端設(shè)置真空破壞器。這樣，即使冷卻泵停止工作，也不會(huì)產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象。此外，還應(yīng)在平衡水箱內(nèi)的連通管上設(shè)置底閥。2座冷卻塔進(jìn)出口均應(yīng)設(shè)電動(dòng)蝶閥，由風(fēng)水聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制，可在停機(jī)時(shí)同時(shí)關(guān)斷。

3 結(jié)語

風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔無需占用地鐵車站的室外場地空間，突破了常規(guī)冷卻塔只能在室外設(shè)置的限制條件，保留了傳統(tǒng)高效的冷卻系統(tǒng)，完美解決了城市繁華地帶地鐵車站室外冷卻塔占地大、景觀差、噪聲大等問題，是空調(diào)冷卻系統(tǒng)的一次技術(shù)突破。

本文根據(jù)風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的特點(diǎn)，梳理了設(shè)計(jì)要點(diǎn)。隨著風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)在運(yùn)營實(shí)踐中的不斷調(diào)整優(yōu)化，該技術(shù)將會(huì)更加成熟與完善。