地鐵控制中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計探討

代焱

一、概述

地鐵在緩解城市交通壓力，促進(jìn)城市經(jīng)濟發(fā)展方面起著越來越大的作用。地鐵以其運行速度高、安全、正點的服務(wù)，受到廣大乘客的歡迎。目前我國已進(jìn)入地鐵建設(shè)的高峰期，數(shù)十個城市已經(jīng)建成或正在建設(shè)地鐵或城市軌道交通。每條地鐵線路列車運行都需要調(diào)度指揮機構(gòu)，國內(nèi)地鐵已經(jīng)建成多個中央控制中心。

地鐵控制中心一般由工藝設(shè)備用房、運營管理用房、中央控制大廳（OCC）等組成，其空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)為各系統(tǒng)和設(shè)備及運營管理人員提供良好的運行和工作環(huán)境。

鐵四院已完成無錫地鐵控制中心、南京靈山地鐵控制中心、武漢三金潭地鐵控制中心、武漢武湖地鐵控制中心等數(shù)個中央控制中心項目，本文對這些已建成運營或在建的控制中心項目的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行探討，為今后新建地鐵控制中心空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

二、控制中心空調(diào)系統(tǒng)方案

地鐵控制中心的特點：（1）工藝設(shè)備用房面積較大，且基本位于建筑物內(nèi)區(qū)；（2）在保證安全性的前提下考慮空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運行；（3）存在分期建設(shè)的問題。

表1列出四個控制中心所采用的空調(diào)系統(tǒng)形式，這些空調(diào)系統(tǒng)的采用均考慮應(yīng)適應(yīng)地鐵控制中心上述特點。

表1 控制中心空調(diào)系統(tǒng)形式

三、工藝設(shè)備用房的空調(diào)形式

1. 機房空調(diào)的系統(tǒng)形式

我國《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》將電子信息系統(tǒng)機房劃分為A、B、C三級，地鐵控制中心的工藝設(shè)備用房一般為A、B級。國內(nèi)外地鐵控制中心的工藝設(shè)備用房都選擇配置機房專用空調(diào)。機房專用空調(diào)形式較多，主要冷卻形式有風(fēng)冷式、冷卻水式、冷送水式、雙冷源系統(tǒng)等，其主要區(qū)別在于冷凝器的冷卻方式上。

對于機房空調(diào)的選用應(yīng)符合安全可靠、經(jīng)濟合理的原則。

風(fēng)冷型機房空調(diào)形式簡單可靠，安裝方便靈活，比較適合中小型數(shù)據(jù)中心；而控制中心的工藝設(shè)備用房（比如通信、信號、信息設(shè)備室）各房間設(shè)備發(fā)熱量大部分在20～40kW左右，因此風(fēng)冷型機房專用空調(diào)在地鐵控制中心中應(yīng)用普遍。

在風(fēng)冷型機房專用空調(diào)的設(shè)計中，需充分考慮室外環(huán)境溫度及冷媒管長度的修正，否則由于機組的衰減，機房內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)不到設(shè)計的效果。比如無錫地鐵控制中心，機房空調(diào)室內(nèi)機與室外機的最遠(yuǎn)距離達(dá)到120m，針對該問題采取了一系列超長冷媒管解決方案：（1）增加高效油分離器；（2）冷凝器風(fēng)扇采用調(diào)速器，變頻調(diào)速；（3）冷媒管垂直方向每3米設(shè)置一個回油彎；（4）加大冷凝器冷凝面積；（5）適當(dāng)加大冷媒管管徑；（6）冷凝器入口設(shè)“反U彎”。通過這些措施的采取，在實際使用過程中，機房空調(diào)均達(dá)到正常的運行狀態(tài)，機房內(nèi)環(huán)境溫度也達(dá)到設(shè)計值。

冷卻水型機房空調(diào)制冷效率高于風(fēng)冷型機房空調(diào)，靠集中的冷卻水環(huán)路把所有機組連接在一起，可不受室內(nèi)、室外機組的距離限制；擴容方便，初期設(shè)計時預(yù)留好接口，在遠(yuǎn)期擴容時實施方便。冷卻水型機房空調(diào)可跟水環(huán)熱泵系統(tǒng)結(jié)合起來，充分利用機房空調(diào)的熱量供給外區(qū)辦公用房供暖。

冷凍水型機房空調(diào)集中制冷，制冷效率相對風(fēng)冷型和冷卻水型機房空調(diào)系統(tǒng)最高，運行費用低，但系統(tǒng)控制復(fù)雜，安裝和日常維護較為復(fù)雜；目前在地鐵控制中心采用較少。

2. 機房空調(diào)的氣流組織

地鐵控制中心工藝設(shè)備機房存在運行時間長、設(shè)備發(fā)熱量大、高顯熱潛熱比等特點。目前數(shù)據(jù)中心常用的機房空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織形式有下送上回（地板下送風(fēng)）、下送上回（冷通道）、上送側(cè)回、側(cè)送側(cè)回等方式。下送上回（冷通道）需設(shè)計冷通道與外界封閉隔離，形成熱通道和冷通道，減少熱量混合，提高制冷效率；上送側(cè)回為達(dá)到均勻送風(fēng)的目的，需安裝風(fēng)管，占用較多的吊頂空間，制冷效率相對下送風(fēng)要低；側(cè)送側(cè)回安裝簡單，造價低，在小型機房中使用較多，但是存在送風(fēng)距離短、冷熱空調(diào)易短路，制冷效率低等缺點；地板下送風(fēng)目前是地鐵控制中心工藝設(shè)備用房主要的送風(fēng)形式，它具有制冷效率高、安裝簡單等優(yōu)點，無錫、南京、武漢等控制中心均采用該送風(fēng)形式。地板下送風(fēng)方式，在地板下敷設(shè)橋架的情況下，為提高送風(fēng)通道的有效面積，需提高經(jīng)典地板的高度，一般建議不小于600mm，以保證地板下均勻的靜壓值。靜電地板下應(yīng)考慮防塵、密閉、保溫。

3. 機房空調(diào)的布置

機房空調(diào)的布置，有兩種方式：一種是布置在設(shè)備用房內(nèi)，另一種是布置在設(shè)備用房旁的專用空調(diào)機房內(nèi)。兩種設(shè)置方式各有優(yōu)缺點，第一種節(jié)省建筑面積，第二種便于管理，加濕器水管、冷凝水管可避免進(jìn)入設(shè)備用房內(nèi)，設(shè)備用房內(nèi)噪聲可以得到有效控制。

四、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

無錫、南京控制中心大樓，由于其內(nèi)外分區(qū)較為明顯，且大量的通信、信號、AFC等專業(yè)設(shè)備用房內(nèi)有恒定的、大量的設(shè)備發(fā)熱，因此在空調(diào)設(shè)計過程中考慮采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)對此部分能量的利用問題。

冬季內(nèi)區(qū)水環(huán)熱泵機組吸收熱量向公共水環(huán)路釋放，外區(qū)供熱機組吸收該部分熱量并釋放到外區(qū)房間，滿足外區(qū)供熱需求。水環(huán)熱泵系統(tǒng)內(nèi)區(qū)余熱及各機組壓縮機耗電所轉(zhuǎn)換的熱量進(jìn)入公共水環(huán)路后被有效利用，因此具有良好的節(jié)能效果。

無錫地鐵控制中心和南京靈山控制中心對水環(huán)熱泵的利用有兩種不同的形式。

1. 方案一：分散式水環(huán)熱泵系統(tǒng)

無錫地鐵控制中心在初步設(shè)計階段提出采用分散式水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的方案，輔助冷源采用閉式冷卻塔，輔助熱源采用風(fēng)冷熱泵。

無錫地鐵控制中心內(nèi)區(qū)工藝設(shè)備用房采用冷卻水型機房專用空調(diào)系統(tǒng)，外區(qū)辦公用房采用分散的水環(huán)熱泵系統(tǒng)，按負(fù)荷特性在各房間或區(qū)域分散設(shè)置水環(huán)熱泵機組，通過封閉的水環(huán)路系統(tǒng)，將水側(cè)換熱器連接成并聯(lián)環(huán)路，通過水-水換熱達(dá)到節(jié)能的目的。

水環(huán)熱泵系統(tǒng)水環(huán)路溫度保持在15～32℃之間，當(dāng)系統(tǒng)供水溫度處于此范圍時，冷卻塔、風(fēng)冷熱泵水路切斷，水系統(tǒng)通過旁通回路運行，系統(tǒng)最節(jié)能；當(dāng)環(huán)路供水溫度超過32℃時，開啟冷卻塔降低水溫；當(dāng)環(huán)路溫度低于15℃時，開啟風(fēng)冷熱泵給環(huán)路水加熱。

圖1 無錫控制中心空調(diào)水環(huán)熱泵系統(tǒng)原理圖（分散式）

2. 方案二：集中式水環(huán)熱泵系統(tǒng)

南京靈山地鐵控制中心采用集中式水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的方案。辦公用房采用集中的水源熱泵機組，同時輔以風(fēng)冷熱泵機組，夏季制冷；冬季利用機房空調(diào)冷卻水和水源熱泵機組的聯(lián)合工作，實現(xiàn)空調(diào)耗熱和工藝空調(diào)排熱的能量轉(zhuǎn)移，最大限度減少外界供能。

控制中心各工藝設(shè)備機房常年均有恒定的、大量的設(shè)備發(fā)熱，全年均需供冷，按線路及房間分別設(shè)置冷卻水型機房專用空調(diào)，以及設(shè)備用機組；冷卻水型機房專用空調(diào)采用集中冷卻水系統(tǒng)，閉式冷卻塔集中設(shè)置于裙房屋面。

控制中心辦公管理用房考慮冬、夏季季節(jié)性使用空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)置集中空調(diào)系統(tǒng)。冬季機房專用空調(diào)機組吸收熱量向公共冷卻水環(huán)路釋放，水源熱泵機組吸收該部分熱量供辦公管理用房空調(diào)供暖使用。

由于近、遠(yuǎn)期使用功能不同，近期舒適型空調(diào)冷、熱負(fù)荷均大于遠(yuǎn)期，空調(diào)冷熱源的配置按滿足近期使用要求確定。冷熱源采用風(fēng)冷熱泵機組及水源熱泵機組，風(fēng)冷熱泵供熱量滿足控制中心近期辦公管理用房的冬季熱負(fù)荷，同時風(fēng)冷熱泵+水源熱泵機組的供冷量滿足控制中心近期辦公管理用房的夏季冷負(fù)荷。

冷卻水采用環(huán)狀管網(wǎng)供水，變流量系統(tǒng)，供回水溫度為32℃/37℃。各環(huán)路設(shè)電動平衡閥，保證水力平衡。

集中冷卻水環(huán)路溫度保持在15～32℃之間，冬季當(dāng)系統(tǒng)供水溫度低于15℃時，關(guān)閉水源熱泵機組及對應(yīng)的循環(huán)水泵，由風(fēng)冷熱泵機組供熱，當(dāng)機房空調(diào)集中冷卻水溫度超過20℃時，再開啟水源熱泵機組和水泵供熱；當(dāng)環(huán)路供水溫度超過32℃時，開啟閉式冷卻塔水路，運行閉式冷卻塔降低水溫。

3. 兩種水源熱泵方案系統(tǒng)的比較

方案一與方案二相比，方案一控制簡單，系統(tǒng)擴展性較好，但是房間內(nèi)設(shè)水源熱泵機組，壓縮機在室內(nèi)，噪音較大；方案二控制復(fù)雜，但水源熱泵機組能效比高于方案一，且空調(diào)末端設(shè)備噪音較小，舒適度較高。

五、中央控制大廳（OCC）空調(diào)形式

無錫、武漢三金潭、武漢武湖控制中心的中央控制大廳均采用風(fēng)冷型單元式空調(diào)，南京靈山控制中心的中央控制大廳采用水冷型柜式空調(diào)機組。中央控制大廳一般存在分期建設(shè)的情況，因此空調(diào)末端機組的選用一般是2～4臺，在近期使用時可根據(jù)實際情況開啟相應(yīng)的部分空調(diào)機組，節(jié)省能耗。

中央控制大廳一般層高較高，達(dá)到8～10m，送風(fēng)方式上可采用下送上回（地板下送風(fēng)）、上送上回，地板下送風(fēng)制冷效率較上送風(fēng)要高，但需避免送風(fēng)口對工作人員直吹。無錫、武漢三金潭中央控制大廳采用地板下送風(fēng)，武漢武湖、南京靈山中央控制大廳采用旋流風(fēng)口上送風(fēng)。

經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前投入運營的南京珠江路、廣州等中央控制大廳存在工作人員感覺較“悶”的現(xiàn)象。為避免類似情況出現(xiàn)，在無錫、南京靈山、武漢三金潭、武漢武湖中央控制大廳的設(shè)計中主要采取以下措施：（1）加大新風(fēng)量，按每人100m3/h計算新風(fēng)量，并且單獨設(shè)置新風(fēng)機組或者新風(fēng)換氣機組，保證新風(fēng)量；（2）新風(fēng)直接送入人員工作區(qū)，送風(fēng)均勻，保證了工作人員舒適性；（3）調(diào)度大廳擺放綠色植物，改善空氣質(zhì)量、吸收甲醛等有害氣體、減輕精神壓力、調(diào)節(jié)氛圍。

六、多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)布置靈活、節(jié)省空間、控制簡單、管理方便。室外機采用變頻控制，保證在部分負(fù)荷下能夠高效運行。室內(nèi)機相互獨立，互不干擾，不存在水系統(tǒng)平衡失衡問題的困擾。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)項目進(jìn)展情況實施擴容，在分期建設(shè)和分戶計費方面有明顯的優(yōu)勢。

因此對于控制中心項目，營運管理用房采用多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)是一個較好的選擇。鑒于此，無錫地鐵控制中心施工圖階段根據(jù)業(yè)主要求空調(diào)系統(tǒng)由分散式水環(huán)熱泵方案改為多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)；武漢三金潭和武湖控制中心的營運管理用房也均采用了多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)。

七、總結(jié)

（1）地鐵控制中心工藝設(shè)備用房機房空調(diào)可采用風(fēng)冷型和水冷型，風(fēng)冷型機房空調(diào)簡單可靠，應(yīng)用普遍；水冷型機房空調(diào)制冷效率較高，冷卻水型可與水環(huán)熱泵系統(tǒng)結(jié)合，達(dá)到節(jié)能目的。

（2）對于地鐵控制中心這類有24小時供冷需求的場所，冬季采用水環(huán)熱泵回收工藝設(shè)備機房的設(shè)備發(fā)熱量作為辦公管理用房的熱源，可以大大節(jié)省能源。

（3）水環(huán)熱泵的利用有兩種方案：分散式和集中式，針對不同的項目可采用不同的系統(tǒng)。

中央控制大廳（OCC）采用風(fēng)冷型單元式空調(diào)機組簡單可靠，適應(yīng)分期建設(shè)的需要；應(yīng)充分重視OCC大廳人員新風(fēng)的設(shè)計，提高人員舒適度。