利用地鐵車站公共區(qū)排風(fēng)的冷卻塔對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

劉 博

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州）

引言

近年來，城市軌道交通線路長度持續(xù)增加，截止2022 年底，國內(nèi)已有55 個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)行總里程10 287.45 km，其中地鐵運(yùn)行總程度8 008.17 km，車站總計(jì)5 875 座；在建線路總規(guī)模6 350.55 km，其中地下線5 326.88 km。2022 年平均每車每公里運(yùn)行成本23.49 元，其中人工成本占比53.45%，電費(fèi)占比10.59%[1]。

地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗約占總運(yùn)行能耗的50%[2]，其中較大部分為地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗。冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和主機(jī)能耗占比約為3:2:5，其中主機(jī)能耗與冷卻水的流量和溫度等多個(gè)因素有關(guān)。相關(guān)研究表明，利用地鐵排風(fēng)冷卻，在部分時(shí)段可使冷卻塔的出水溫度降低1～3 ℃，減少冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗10%～20%[3]，節(jié)能效益顯著，能夠有效降低碳排放。

本文結(jié)合地鐵車站冷卻塔的特殊放置條件，將地鐵車站的排風(fēng)用于冷卻塔的進(jìn)風(fēng)，在其他因素不變的情況下，通過較低的濕球溫度，得到較低的冷卻水溫度，提高主機(jī)換熱效率，降低空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用，并解決冷卻塔放置地面帶來的飛水、噪音、占地等問題。

1 冷卻塔利用排風(fēng)井設(shè)置形式

隱藏式冷卻塔是利用新排風(fēng)井之間的地下空間放置冷卻塔，如圖1 所示，該冷卻塔位于地下，當(dāng)需要利用排風(fēng)時(shí)，打開風(fēng)閥2，關(guān)閉風(fēng)閥1，排風(fēng)就會經(jīng)過冷卻塔之后再經(jīng)排風(fēng)道排出，當(dāng)需要利用新風(fēng)時(shí)，打開風(fēng)閥3，當(dāng)同時(shí)利用新排風(fēng)時(shí)，打開風(fēng)閥2、3，關(guān)閉風(fēng)閥1，新風(fēng)和排風(fēng)就會經(jīng)過冷卻塔之后再經(jīng)排風(fēng)道排出。

圖1 與地鐵排風(fēng)井結(jié)合隱藏式冷卻塔

2 地鐵車站公共區(qū)排風(fēng)溫度測試

2.1 地鐵車站排風(fēng)溫度測試

廣州地區(qū)夏季最熱月室外空氣干球溫度約為30.5 ℃，濕球溫度約為27.5 ℃[4]。地鐵車站公共區(qū)的排風(fēng)濕球溫度即為站廳站臺的空氣狀態(tài)，約為26 ℃左右，比廣州室外空氣濕球溫度低，若將地鐵車站公共區(qū)排風(fēng)用于冷去塔進(jìn)風(fēng)，將會使冷卻塔出水溫度降低1～2 ℃。

選取廣州地鐵五號線楊箕站，在夏季至過渡季半個(gè)空調(diào)季（7 月5 日～11 月6 日），對排風(fēng)井、新風(fēng)井的空氣溫濕度進(jìn)行測試。記錄時(shí)間間隔為2 min；測試時(shí)長為7 月～11 月。

2.2 隱藏式冷卻塔實(shí)驗(yàn)測試

測試場地為某冷卻塔測試中心，為盡量還原冷卻塔在地鐵排風(fēng)道內(nèi)的換熱情況，本實(shí)驗(yàn)臺模擬地鐵排風(fēng)道構(gòu)造形式，將冷卻塔放置其中，見圖2。通過調(diào)節(jié)對冷卻塔影響最明顯是的四個(gè)因素：冷卻塔進(jìn)水溫度、進(jìn)水流量、風(fēng)機(jī)頻率和進(jìn)風(fēng)濕球溫度來測試不同工況下冷卻塔的散熱能力。冷卻塔進(jìn)水溫度通過場地內(nèi)熱水池和冷水池出口的電動(dòng)蝶閥的開啟度調(diào)節(jié)，冷卻塔進(jìn)水流量通過變頻水泵和閥門調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)頻率通過風(fēng)機(jī)控制界面調(diào)控。因現(xiàn)場為室外，測試條件有限，濕球溫度選取不同的室外濕球溫度時(shí)段測量。

圖2 冷卻塔測試實(shí)驗(yàn)臺

本實(shí)驗(yàn)每個(gè)參數(shù)選擇4個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測試，進(jìn)水溫度選取38 ℃、36 ℃、34 ℃、32℃；進(jìn)水流量選取200 m3/h、160 m3/h、120 m3/h、80 m3/h；風(fēng)機(jī)頻率選取50 Hz、45 Hz、40 Hz、35 Hz，濕球溫度參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇不同濕球溫度時(shí)段測量。本實(shí)驗(yàn)若采用控制變量法需進(jìn)行256 組實(shí)驗(yàn)，因測試條件有限，采用正交試驗(yàn)法，16 組實(shí)驗(yàn)即可完成測試，通過正交試驗(yàn)分析，可分析出每個(gè)因素對冷塔性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)臺對進(jìn)風(fēng)空氣溫濕度、出風(fēng)空氣溫濕度、室外空氣溫濕度、冷卻水泵功率、冷卻塔風(fēng)機(jī)功率和頻率、冷卻水進(jìn)出水溫度、冷卻塔進(jìn)出水量等參數(shù)進(jìn)行記錄，測試結(jié)果實(shí)施顯示在監(jiān)控操作平臺上。實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)各變量，待每個(gè)工況穩(wěn)定后，導(dǎo)出該工況測試數(shù)據(jù)。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 地鐵車站排風(fēng)溫度測試分析

查閱廣州地鐵車站空調(diào)運(yùn)行情況，炎熱夏季空調(diào)全時(shí)段開啟；過渡季節(jié)室外溫度波動(dòng)大，廣州地區(qū)冷熱天氣交替，結(jié)合節(jié)能需求，在室外溫度升高時(shí)開啟空調(diào)，在室外溫度降低時(shí)采用全新風(fēng)運(yùn)行。選擇夏季典型日和過渡季空調(diào)運(yùn)行典型日進(jìn)行逐時(shí)新排風(fēng)濕球溫度分析，計(jì)算過渡季全新風(fēng)運(yùn)行典型日日平均新排風(fēng)濕球溫度作對比，并選擇半個(gè)空調(diào)季進(jìn)行逐日新排風(fēng)濕球溫度分析。

選取7 月18 日為夏季典型日，以小時(shí)為單位，取車站運(yùn)行時(shí)間為7 時(shí)～23 時(shí)，計(jì)算出每小時(shí)溫度的平均值，分析單日新排風(fēng)溫度變化規(guī)律。選取9 月29 日為過渡季空調(diào)運(yùn)行典型日，以小時(shí)為單位，取車站運(yùn)行時(shí)間為7 時(shí)～23時(shí)，計(jì)算出每小時(shí)溫度的平均值，分析單日新排風(fēng)溫度變化規(guī)律；該日空調(diào)運(yùn)行時(shí)段新風(fēng)日平均干球溫度為27.75 ℃，排風(fēng)日平均干球溫度為27.78 ℃。

由表1 中數(shù)據(jù)可知，早上10 時(shí)之后，排風(fēng)濕球溫度與新風(fēng)濕球溫度差近2 ℃。在過渡季空調(diào)運(yùn)行時(shí)段，11 時(shí)～22 時(shí)排風(fēng)濕球溫度與新風(fēng)濕球溫度依舊有1.0 ℃以上，最高可達(dá)到1.5 ℃。

表1 夏季與過渡季空調(diào)運(yùn)行典型日新排風(fēng)逐時(shí)濕球溫度

選取10 月10 日為過渡季全新風(fēng)運(yùn)行典型日，該日全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)段新風(fēng)日平均干球溫度為23.86 ℃，排風(fēng)日平均干球溫度為28.61 ℃。計(jì)算日平均排風(fēng)濕球溫度為22.69，日均排風(fēng)濕球溫度為21.02，新風(fēng)濕球溫度比排風(fēng)濕球溫度底約1.67 ℃。

在過渡季節(jié)使用空調(diào)期間，僅早上短時(shí)間新風(fēng)濕球溫度比排風(fēng)高，其余時(shí)段排風(fēng)濕球溫度低于新風(fēng)濕球溫度，此時(shí)冷卻塔利用排風(fēng)運(yùn)行有節(jié)能效果。在全新風(fēng)運(yùn)行期間，新風(fēng)濕球溫度低于排風(fēng)濕球溫度1.67℃，但此時(shí)冷卻塔也不運(yùn)行。

逐日溫度分析：選取7 月5 日～11 月6 日，計(jì)算出每日7 時(shí)～23 時(shí)時(shí)段新排風(fēng)濕球溫度的平均值，繪制逐日新排風(fēng)濕球溫度對比圖見圖3。

圖3 新排風(fēng)逐日濕球溫度對比圖

從圖3 中可以看出，在7 月5 日～9 月6 日，排風(fēng)濕球溫度比新風(fēng)濕球溫度低2 ℃左右，在9 月20 日之后，排風(fēng)濕球溫度與新風(fēng)濕球溫度接近，在整個(gè)空調(diào)季約有4 個(gè)月排風(fēng)濕球溫度比新風(fēng)濕球溫度低2℃左右，其余時(shí)段空調(diào)運(yùn)行日，排風(fēng)濕球溫度也均會低于新風(fēng)濕球溫度，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間均可利用地鐵車站公共區(qū)排風(fēng)用于冷卻塔進(jìn)風(fēng)，有較大的節(jié)能潛力。

3.2 隱藏式冷卻塔實(shí)驗(yàn)測試分析

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析處理，得到測試結(jié)果見表2。在冷卻塔實(shí)際設(shè)計(jì)中，冷卻塔的設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫度一般為37 ℃/32 ℃。在本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)進(jìn)水溫度過低時(shí)，冷卻塔出水溫度降低幅度不大，這是由于進(jìn)風(fēng)濕球溫度限制了冷卻塔冷卻水溫的極限。

表2 隱藏式冷卻塔實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

對表2 中結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析，得到不同因素的影響程度：進(jìn)水溫度＞室外濕球溫度＞冷卻塔水量＞風(fēng)機(jī)頻率。

對表2 中數(shù)據(jù)進(jìn)行SPSS 多項(xiàng)式回歸模型建立，得到冷卻塔排熱量的擬合方程為：

選定常用設(shè)計(jì)工況進(jìn)水溫度為37 ℃，進(jìn)水量為80 m3/h，風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz（此時(shí)風(fēng)量62.53 kg/s）為出水溫度計(jì)算的工況，通過每小時(shí)的新排風(fēng)濕球溫度，計(jì)算出每小時(shí)冷卻塔出水溫度。

4 模擬計(jì)算

在Open Studio 空調(diào)系統(tǒng)模塊內(nèi)建立冷凍水環(huán)路，將隱藏式冷卻塔的逐日冷卻塔出水溫度、廣州地區(qū)室外新風(fēng)和地鐵車站排風(fēng)的逐日濕球溫度，輸入到Open Studio 的參數(shù)設(shè)置中，在Energy Plus 中計(jì)算得到空調(diào)季的全年能耗數(shù)據(jù)。同時(shí)計(jì)算常規(guī)冷卻塔系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)，將隱藏式冷卻塔（66 034.43 萬kJ）與常規(guī)冷卻塔放置于地面（64 736.15 萬kJ）全年能耗進(jìn)行對比，計(jì)算出全年節(jié)能率為2.01%。

因冷卻塔放置于地下新排風(fēng)井道之間，冷卻塔風(fēng)扇需承擔(dān)新排風(fēng)井道之間的阻力，降低濕球溫度帶來的全年節(jié)能效果并不明顯，但相比于常規(guī)冷卻塔，依舊可以解決放置在地面帶來的噪音、飛水、占地等問題，能有效減少周邊居民投訴，提高環(huán)境品質(zhì)。

5 結(jié)論

通過對冷卻塔利用地鐵車站公共區(qū)排風(fēng)進(jìn)行相關(guān)研究，得出以下結(jié)論：

（1） 在空調(diào)運(yùn)行情況下，夏季地鐵車站公共區(qū)排風(fēng)濕球溫度比新風(fēng)濕球溫度低約2 ℃，過渡季低約1.0 ℃。在過渡季全新風(fēng)運(yùn)行情況下，新風(fēng)濕球溫度比排風(fēng)濕球溫度底約1.67 ℃。

（2） 不同因素對冷卻塔的散熱影響程度：進(jìn)水溫度＞室外濕球溫度＞冷卻塔水量＞風(fēng)機(jī)頻率。

（3） 隱藏式冷卻塔相比于常規(guī)地面冷卻塔全年能耗節(jié)能率為2.01%。

（4） 隱藏式冷卻塔不僅解決了放置在地面所帶來的飛水、噪音、占地等問題，其綜合冷卻能力與地面設(shè)置冷卻塔相比性能相當(dāng)，僅增加一定的初投資，可降低周邊居民投訴，提高了環(huán)境品質(zhì)，在夏熱冬暖地區(qū)，還會產(chǎn)生一定的節(jié)能效益。將隱藏式冷卻塔應(yīng)用于地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中具有較大的可行性。