利用地鐵車站公共區排風的冷卻塔對空調系統節能效果分析

劉 博

（廣州地鐵設計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增加，截止2022 年底，國內已有55 個城市開通城市軌道交通，運行總里程10 287.45 km，其中地鐵運行總程度8 008.17 km，車站總計5 875 座；在建線路總規模6 350.55 km，其中地下線5 326.88 km。2022 年平均每車每公里運行成本23.49 元，其中人工成本占比53.45%，電費占比10.59%[1]。

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

本文結合地鐵車站冷卻塔的特殊放置條件，將地鐵車站的排風用于冷卻塔的進風，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，提高主機換熱效率，降低空調運行費用，并解決冷卻塔放置地面帶來的飛水、噪音、占地等問題。

1 冷卻塔利用排風井設置形式

隱藏式冷卻塔是利用新排風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，當需要利用排風時，打開風閥2，關閉風閥1，排風就會經過冷卻塔之后再經排風道排出，當需要利用新風時，打開風閥3，當同時利用新排風時，打開風閥2、3，關閉風閥1，新風和排風就會經過冷卻塔之后再經排風道排出。

圖1 與地鐵排風井結合隱藏式冷卻塔

2 地鐵車站公共區排風溫度測試

2.1 地鐵車站排風溫度測試

廣州地區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]。地鐵車站公共區的排風濕球溫度即為站廳站臺的空氣狀態，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排風用于冷去塔進風，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空調季（7 月5 日～11 月6 日），對排風井、新風井的空氣溫濕度進行測試。記錄時間間隔為2 min；測試時長為7 月～11 月。

2.2 隱藏式冷卻塔實驗測試

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道內的換熱情況，本實驗臺模擬地鐵排風道構造形式，將冷卻塔放置其中，見圖2。通過調節對冷卻塔影響最明顯是的四個因素：冷卻塔進水溫度、進水流量、風機頻率和進風濕球溫度來測試不同工況下冷卻塔的散熱能力。冷卻塔進水溫度通過場地內熱水池和冷水池出口的電動蝶閥的開啟度調節，冷卻塔進水流量通過變頻水泵和閥門調節，風機頻率通過風機控制界面調控。因現場為室外，測試條件有限，濕球溫度選取不同的室外濕球溫度時段測量。

圖2 冷卻塔測試實驗臺

本實驗每個參數選擇4個工況點進行測試，進水溫度選取38 ℃、36 ℃、34 ℃、32℃；進水流量選取200 m3/h、160 m3/h、120 m3/h、80 m3/h；風機頻率選取50 Hz、45 Hz、40 Hz、35 Hz，濕球溫度參數根據現場實際情況選擇不同濕球溫度時段測量。本實驗若采用控制變量法需進行256 組實驗，因測試條件有限，采用正交試驗法，16 組實驗即可完成測試，通過正交試驗分析，可分析出每個因素對冷塔性能的影響。

本實驗臺對進風空氣溫濕度、出風空氣溫濕度、室外空氣溫濕度、冷卻水泵功率、冷卻塔風機功率和頻率、冷卻水進出水溫度、冷卻塔進出水量等參數進行記錄，測試結果實施顯示在監控操作平臺上。實驗時調節各變量，待每個工況穩定后，導出該工況測試數據。

3 測試數據分析

3.1 地鐵車站排風溫度測試分析

查閱廣州地鐵車站空調運行情況，炎熱夏季空調全時段開啟；過渡季節室外溫度波動大，廣州地區冷熱天氣交替，結合節能需求，在室外溫度升高時開啟空調，在室外溫度降低時采用全新風運行。選擇夏季典型日和過渡季空調運行典型日進行逐時新排風濕球溫度分析，計算過渡季全新風運行典型日日平均新排風濕球溫度作對比，并選擇半個空調季進行逐日新排風濕球溫度分析。

選取7 月18 日為夏季典型日，以小時為單位，取車站運行時間為7 時～23 時，計算出每小時溫度的平均值，分析單日新排風溫度變化規律。選取9 月29 日為過渡季空調運行典型日，以小時為單位，取車站運行時間為7 時～23時，計算出每小時溫度的平均值，分析單日新排風溫度變化規律；該日空調運行時段新風日平均干球溫度為27.75 ℃，排風日平均干球溫度為27.78 ℃。

由表1 中數據可知，早上10 時之后，排風濕球溫度與新風濕球溫度差近2 ℃。在過渡季空調運行時段，11 時～22 時排風濕球溫度與新風濕球溫度依舊有1.0 ℃以上，最高可達到1.5 ℃。

表1 夏季與過渡季空調運行典型日新排風逐時濕球溫度

選取10 月10 日為過渡季全新風運行典型日，該日全新風運行時段新風日平均干球溫度為23.86 ℃，排風日平均干球溫度為28.61 ℃。計算日平均排風濕球溫度為22.69，日均排風濕球溫度為21.02，新風濕球溫度比排風濕球溫度底約1.67 ℃。

在過渡季節使用空調期間，僅早上短時間新風濕球溫度比排風高，其余時段排風濕球溫度低于新風濕球溫度，此時冷卻塔利用排風運行有節能效果。在全新風運行期間，新風濕球溫度低于排風濕球溫度1.67℃，但此時冷卻塔也不運行。

逐日溫度分析：選取7 月5 日～11 月6 日，計算出每日7 時～23 時時段新排風濕球溫度的平均值，繪制逐日新排風濕球溫度對比圖見圖3。

圖3 新排風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，排風濕球溫度比新風濕球溫度低2 ℃左右，在9 月20 日之后，排風濕球溫度與新風濕球溫度接近，在整個空調季約有4 個月排風濕球溫度比新風濕球溫度低2℃左右，其余時段空調運行日，排風濕球溫度也均會低于新風濕球溫度，空調運行時間均可利用地鐵車站公共區排風用于冷卻塔進風，有較大的節能潛力。

3.2 隱藏式冷卻塔實驗測試分析

對測試數據進行正交試驗分析處理，得到測試結果見表2。在冷卻塔實際設計中，冷卻塔的設計進出水溫度一般為37 ℃/32 ℃。在本實驗中當進水溫度過低時，冷卻塔出水溫度降低幅度不大，這是由于進風濕球溫度限制了冷卻塔冷卻水溫的極限。

表2 隱藏式冷卻塔實驗測試結果

對表2 中結果進行正交試驗極差分析，得到不同因素的影響程度：進水溫度＞室外濕球溫度＞冷卻塔水量＞風機頻率。

對表2 中數據進行SPSS 多項式回歸模型建立，得到冷卻塔排熱量的擬合方程為：

選定常用設計工況進水溫度為37 ℃，進水量為80 m3/h，風機頻率為50 Hz（此時風量62.53 kg/s）為出水溫度計算的工況，通過每小時的新排風濕球溫度，計算出每小時冷卻塔出水溫度。

4 模擬計算

在Open Studio 空調系統模塊內建立冷凍水環路，將隱藏式冷卻塔的逐日冷卻塔出水溫度、廣州地區室外新風和地鐵車站排風的逐日濕球溫度，輸入到Open Studio 的參數設置中，在Energy Plus 中計算得到空調季的全年能耗數據。同時計算常規冷卻塔系統的能耗數據，將隱藏式冷卻塔（66 034.43 萬kJ）與常規冷卻塔放置于地面（64 736.15 萬kJ）全年能耗進行對比，計算出全年節能率為2.01%。

因冷卻塔放置于地下新排風井道之間，冷卻塔風扇需承擔新排風井道之間的阻力，降低濕球溫度帶來的全年節能效果并不明顯，但相比于常規冷卻塔，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，提高環境品質。

5 結論

通過對冷卻塔利用地鐵車站公共區排風進行相關研究，得出以下結論：

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

（2） 不同因素對冷卻塔的散熱影響程度：進水溫度＞室外濕球溫度＞冷卻塔水量＞風機頻率。

（3） 隱藏式冷卻塔相比于常規地面冷卻塔全年能耗節能率為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置冷卻塔相比性能相當，僅增加一定的初投資，可降低周邊居民投訴，提高了環境品質，在夏熱冬暖地區，還會產生一定的節能效益。將隱藏式冷卻塔應用于地鐵車站通風空調系統中具有較大的可行性。