天津站交通樞紐軌道換乘中心空調水系統設計

武世強,那艷玲

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

隨著鐵路與地鐵建設的飛速發展,越來越多的交通樞紐納入進各城市的規劃中來。對于環控設計來說,建筑規模的大體量意味著大系統、大投資、大能耗,合理的設計對于減少環控投資和運營能耗具有非常重要的意義。通過介紹天津站交通樞紐軌道換乘中心水系統設計,闡述二次泵變流量系統在此類工程中的應用分析及設計要點。

1 工程概況

天津站交通樞紐軌道換乘中心位于天津站后廣場,華興道、新廣路與新兆路交匯的四叉路口處,其南側地面為國鐵京津城際主站房。軌道換乘中心由天津城市軌道交通2、3、9號線交匯組成,2、9號線呈平行的東西走向,分別與南北走向的3號線“十”字交叉于天津站后廣場地下,3號線在下,2、9號線在上。

本軌道換乘中心工程總占地面積為70 704 m2,總建筑面積為154 718 m2,單層最大建筑面積55 642 m2。軌道換乘中心總的空調面積約7萬m2,最遠末端距冷凍機房單程距離達500 m。空調水系統負責2、3、9號線站廳站臺及設備管理用房、地下一層換乘大廳和商業區的供冷,同時還需考慮商業區冬季的采暖。

2 空調風系統簡介

軌道換乘中心空調風系統由2、3、9號線站廳站臺公共區空調系統,2、3、9號線設備管理用房空調系統,地下一層換乘大廳空調系統和商業區空調系統組成,其中除商業區空調系統采用風機盤管加新風系統外,其余均采用一次回風全空氣空調系統。

3 水系統形式的選擇

普通地鐵車站,由于整個車站冷負荷一般為1 000～1 500 kW,設計中常采用的水系統形式為一次泵定流量系統或一次泵變流量系統,對于這類中小型工程,此系統相對來說是經濟合理的。天津站交通樞紐軌道換乘中心總設計冷負荷達到11 522 kW,對于如此大規模的軌道換乘中心來說,由于系統大、阻力高,且各環路阻力懸殊或環路之間使用功能有重大區別,采用一次泵系統顯然是不合理的,經過綜合比較,本工程冷水系統最終采用二次泵變流量系統。冷凍水設計進出水溫度為12 ℃/7 ℃,冷卻水設計進出水溫度為32 ℃/37 ℃,冷凍機房布置在地下三層右下角。

商業區計算熱負荷為640 kW,單獨設置1套熱水系統供暖,熱水供至新風機組處,冬季新風機組將空氣加熱后送至商業區,熱源接市政管網95 ℃/70 ℃熱水,經板式換熱器換熱成60 ℃/50 ℃熱水后供新風機組,換熱機房布置在地下一層左下角。

4 水系統分區的劃分

系統分區的劃分是本工程設計的關鍵,直接影響到管線布置、設備選型及以后的運行效果,根據本工程自身特點，二次泵分區劃分有3種方式。

第一種方式為根據各子項目的相對獨立性進行分區劃分,即2號線、3號線、9號線、一層換乘大廳、一層商業區分別設置獨立管路。

第二種方式為根據各子項目運營時間的不同進行分區劃分,即2、3、9號線公共區,2、3、9號線設備管理用房,一層換乘大廳,一層商業區分別設置獨立管路。

第三種方式為根據負荷末端距冷凍機房的遠近及負荷特性進行分區劃分,即分為A、B、C、D 4個區,A區為換乘中心左上角一二三層末端,B區為換乘中心左下角一二三層末端,C區為換乘中心右下角一二層末端,D區為換乘中心地下一層商業區。考慮到設備管理用房為24 h使用房間,并且夜間計算冷負荷只占總冷負荷的10%,為避免冷水機組、水泵長期在低負荷、低效率的狀態下運行,單獨配置一臺冷水機組及相應水泵、冷卻塔等設備。

相比前兩種分區劃分方式,第三種分區劃分既考慮了2、3、9號線以及一層換乘大廳相對一致的運營時間,同時也為商業區運營后相對靈活的營業時間提供了條件。一層末端分區情況見圖1(二、三層末端位置在A、B、C區的垂直下層對應空調機房內),每個分區內末端服務區域見表1。

表1 各分區內末端服務區域

圖1 一層末端分區

5 主要設備選配

(1)冷水系統：軌道換乘中心白天計算冷負荷為11 522 kW,夜間計算冷負荷為1 163 kW,為了既滿足最大負荷時的供冷要求,同時又可以保證夜間冷水機組的穩定、節能運行,本工程設置4臺2 974 kW離心式冷水機組和1臺1 337 kW螺桿式冷水機組,每臺機組分別配置1臺冷凍泵(一次泵)、1臺冷卻泵以及1臺冷卻塔,一次泵不設置備用泵。二次泵根據白天和夜間兩種工況分別設置,A區和C區白天工況各設置3臺冷凍泵,2用1備,夜間工況設置1臺冷凍泵；B區白天工況設置4臺冷凍泵,3用1備,夜間工況設置1臺冷凍泵；D區設置3臺冷凍泵,2用1備。白天運行的水泵均為變頻泵。冷凍水系統示意見圖2。

圖2 冷凍水系統示意

(2)熱水系統：商業區冬季熱水系統設置板式換熱器及3臺熱水循環水泵,2用1備。

6 變頻器配置

對于二次泵變頻器配置方式,通常有以下3種。

第一種為1臺泵變頻運行,其余工頻運行。這是目前應用較多的一種方式,因為工頻定速泵的變頻器可以被節省,所以相對來說比較經濟,但實際運行中存在以下問題：一是當系統水流量變化時,工頻定速泵和變頻泵分別按性能曲線和控制曲線變化,這樣導致2個水泵流量變化相反,當變頻泵流量增加時,定速泵所提供的流量反而降低；二是當變頻泵低頻運行時,可能出現工頻定速泵出口壓力大于變頻泵出口壓力,這樣造成變頻泵不出水甚至產生水倒流的現象。

第二種為1臺大功率變頻器帶多臺水泵并聯運行,即同一分區內的水泵始終保持同一頻率運行。如果所有的水泵在任何時候都在同樣的轉速下運行,這種配置是可行的。但其存在以下問題,一是由于所有水泵同啟同閉,所以此種方式無法滿足低流量時單臺水泵運行的工況；二是過載保護不可靠：變頻器的過載保護正是對較大功率而言,對小功率等級水泵的過載不一定有可靠的保護；三是由于1臺大功率變頻器并不比幾臺小功率變頻器便宜多少,所以不經濟。

第三種為每臺水泵設置變頻器。這種方式既吸取了前面兩種方式的優點,同時彌補了二者的缺點,即在負荷較大時,可以使并聯水泵在相同頻率下運轉,而當負荷較小時,可以關閉其中部分水泵,因為每臺水泵都是可以獨立運行的。

綜合以上分析,軌道換乘中心各分區水泵除備用泵外均設置變頻器。

7 水力平衡

為了保證各支路水力平衡,冷水系統除商業區外均設二級分集水器,通過各分區的二級分集水器,對末端進行配管。此外,組合式空調機組、柜式空調機組均設置動態平衡電動二通調節閥,風機盤管設置動態平衡電動二通閥。

8 結語

天津站綜合交通樞紐軌道換乘中心為目前國內最大的地下軌道換乘中心之一,由于體量大、末端多,水系統方案經過多次修改完善才最終確定,二次泵變流量系統的采用、合理的分區劃分及一對一的變頻器配置都為運營后系統穩定、節能運行提供了條件。

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