多聯機空調與機械通風集成系統在地鐵車站設備管理用房中的應用

李小坤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063，武漢//高級工程師)

地鐵車站設備管理用房的通風空調系統(小系統)受房間功能、環境要求及設備發熱量等因素制約，導致目前所廣泛應用的全空氣系統在應對設計負荷冗余、冷負荷自適應調節及系統輸送能耗較高等方面存在諸多局限性，鑒于此，設計了將設備管理用房空調負荷與公共區進行冷源獨立的多聯機空調與機械通風集成的小系統方案。本文針對某城市地鐵站采用的多聯機空調與機械通風集成方案，結合建設及運營后反饋的問題，提出相應的改進思路。

1 多聯機空調與機械通風集成系統方案

多聯機空調與機械通風集成系統(以下簡稱“多聯機通風系統”)，是指設備管理用房配置多聯機空調系統及機械通風系統。空調季節時，房間冷負荷由多聯機空調系統承擔；非空調季節時，可開啟機械通風系統，利用室外低溫通風消除室內余熱。相對于全空氣系統，其主要優點是與車站空調大系統的冷源相獨立，非運營時段冷水系統可完全關閉，控制靈活且集成性較好，能夠跟隨各個房間的實時空調冷負荷進行自適應調整，使設備始終穩定、高效地運行，從而達到節能降耗的目的。

2 多聯機通風系統方案存在問題及解決辦法

2. 1 非空調季節機械通風與多聯機空調系統的能耗分析

根據對某地鐵線路部分站點非空調季節通風空調系統能耗的監測，在線路開通初期，機械通風系統并不一定比多聯機空調系統節能。以地鐵某站為例，共采用了3套多聯機空調系統及3套機械通風系統，配置如表1所示。

根據運營部門的測試，2016年1～3月期間，非空調季節采用多聯機空調系統，該系統日均耗電量僅為144 kW·h。若關閉多聯機空調系統，采用機械通風系統通過定風量運行排除余熱，則按理論推算(因缺少該工況下實際測試數據)，風機總功率為30.4 kW，日耗電量為729.6 kW·h。由此可知，機械通風系統的理論能耗遠大于多聯機空調系統，初步分析主要原因如下：

表1 某地鐵站設備管理用房的通風空調系統配置表 kW

1) 現階段設備房間實際發熱量遠小于設計容量，多聯機空調系統根據每個房間的實時發熱量調整自身出力，使得實際運行能耗較小；

2) 多聯機空調系統運行時，由于每個房間均可單獨控制，故在實際使用過程中，管理人員可根據經驗調整設備房間的設定溫度及室內機開啟臺數，以降低能耗；

3) 機械通風系統一般考慮排除房間最大余熱，并按照夏季通風室外計算溫度進行設計，大部分情況下設計風量較為冗余。

因此，在非空調季節，不能盲目主觀判斷多聯機空調系統或是機械通風系統哪種更為節能。兩種運行模式的轉換工況在節能方面存在一個轉換點，且主要取決于通風系統的設計容量。建議可從以下方面進行考慮：

1) 由于多聯機空調系統可作為通風不保證狀況下的后備系統，因此可適當選取室外計算溫度，加大通風設計溫差，以降低設計風量。當僅靠通風無法滿足余熱量排除時，即開啟多聯機空調系統輔助降溫，以及合理選擇運行工況的轉換點。

2) 機械通風系統送排風機采用變頻風機，在發熱量較小或室外溫度較低的時段，通過降低風機運行頻率來減少功耗。由于機械通風系統所服務的各個房間存在差異，風機頻率的調整較難實現自控調整，且同類設備房間發熱量一般具有一致變化規律，因此考慮根據運營歷史數據總結適宜的規律具有可行性。

2. 2 通風系統需考慮對空氣的預處理措施

在已運營線路中，多聯機空調系統最初設計時考慮僅在空調季節運行，非空調季節開啟機械通風系統。但在運營一個周期后，發現風口及房間內設備均有大量的粉塵堆積，其原因主要在于新風道或通風管道內未設置有效過濾措施，新風經過土建風道后，將大量灰塵帶入室內。因此建議：

1) 新風道由于過風面積較大，一般可將其風速控制在4～5 m/s；如有設置過濾器的條件，可考慮在新風道內設置平板式粗效過濾措施，如可采用過濾粒徑≥10 μm的金屬波紋網等便于沖洗清潔的過濾器。

2) 對新風道壁面作改良處理，確保壁面清潔光滑不起灰。

3) 在重要設備用房及人員房間的送風管吸入端合理控制風速并設置集中的過濾措施，無條件時可在各房間送風口上設置過濾網，以進一步減少進入室內的灰塵。

2. 3 重要房間多聯機系統冗余設計

重要設備用房的空調系統是確保設備能安全運行的必要保障，必須具有足夠高的可靠性。多聯機通風系統在最初設計時也針對此問題進行了分析并采取了一定的措施。如：機械通風系統，除了滿足非空調季節運行節能的要求，以及確保氣體滅火保護房間滅火后排氣的需要外，也可在多聯機系統發生故障或進行保養時，啟用機械通風系統以消除房間余熱；在重要設備用房內一般布置不小于2臺室內機，室內機總冷量配置也相對冗余，當其中一臺室內機產生故障時，其他室內機仍可保證至少一半以上制冷量，且室外機各模塊獨立供電，互不影響。

但若發生冷媒泄露問題，將導致整個多聯機系統癱瘓，且短時間內不易發現且不易修復。因此，建議重要設備用房多聯機系統采用冗余配置方案，即：由2套獨立的多聯機系統共同承擔室內負荷，將室外機和冷媒管路分開，各自承擔一半的系統負荷；室內機為偶數臺，以此提高多聯機系統的安全性。當具備條件時，在初期發熱量較小且系統負荷率不足50%的情況下，可使2套系統平時輪流投入使用，這樣在提高能效比的同時，可在一定程度上延長設備的使用壽命。

2. 4 變電所房間與大系統共用冷源可行性分析

因強電設備用房發熱量較大、通風管道截面較大，以及存在安全距離等原因，使得管線布置困難；另外，采用多聯機空調系統時，由于室內外機數量較多，存在房間內設備立體布置及室外機占地空間較大的問題。鑒于此，可考慮強電設備用房與公共區的空調系統共用冷源，利用已設置的冷凍水系統供冷，這樣額外增加的冷水系統能耗就變得相對較小。

根據運營經驗及相關測試得知，變電所強電設備發熱量具有一定的規律，主要體現在：運營時段用電負荷較大的情況下發熱量出現高峰；而在停運階段，因供電負荷降低，其發熱量也相對降低，可能低至設計冷負荷的20%～30%。針對此特點，在空調季節運營時段，公共區需制冷時變電所設備用房采用冷風降溫，而在非運營時段冷水系統關閉時，采用機械通風系統排除余熱；在非空調季節，由于室外溫度較低，消除室內余熱所需的通風量也相對較小，有一定的可行性[2]。以某城市地鐵車站的整流變室及低壓室為例進行定性分析。其設計參數如表2所示。

表2 某地鐵站強電設備房間空調設計參數表

采用全空氣系統時，考慮到冷風消除室內全熱負荷與通風消除室內顯熱負荷能力不同，以表2空調冷風量為定值，采用顯熱計算公式校核室外通風溫度。當通風溫度為17.4 ℃時，采用機械通風方式可滿足消除余熱的要求。與空調季節和非空調季節的轉換工況點大致相符，由于強電房間的設備特點，其室內溫度為40～42 ℃時依然可視為正常工作環境，因此，在冷水系統停運季節，根據空調冷風量配置的通風系統可滿足消除余熱的要求。在空調季節，運營時段可與公共區共用冷源，通過冷風降溫;而在非運營時段，按設備發熱量僅為設計負荷的40%(考慮一定的安全系數)進行考慮，夜晚室外通風計算溫度按32 ℃、室內計算溫度按40 ℃考慮時，計算得到所需的通風量均小于正常情況下全空氣系統冷風降溫所配置的系統風量，具體如表3所示。

由表3可見，根據強電設備房間設備發熱量的特點及其對環境溫度的適應性，將強電設備房間與公共區共用冷源，并采用全空氣系統，而其他設備管理用房采用多聯機通風系統的方案是可行的。考慮到室外通風溫度的變化，風機可采用變頻控制，以根據負荷變化調整風量，來降低通風能耗。

表3 某地鐵站非運營時段強電設備房間通風量校核參數表

3 多聯機通風系統的改進方案

目前,大多數城市地鐵車站大小系統共用冷源并采用全空氣系統時，設置了大規模的多聯機空調系統作為備用系統。但在設計時，全空氣系統及備用系統一般均按照100%冷負荷進行設計。實際運營中，設備房間的發熱量低于設計冷量的情況較為普遍，致使通風空調設備常年以低負荷率運行。備用系統一般是在非運營時段不開啟冷機時投入使用，或在主用系統檢修維護時使用，這兩種狀況下出現最高冷負荷的概率較低，且不同類型設備發熱也有各自特點，因此空調系統設備均按最大冷負荷去配置容量欠妥。

基于以上考慮，建議的改進方案是多聯機空調系統作為全空氣系統備用方案，即主用系統及備用系統均按一定的負荷不保證率進行配置。如：按計算冷負荷的70%進行設計時，通常僅采用主用空調系統即可滿足大部分時段的要求；而在出現不保證的高負荷情況下，通過將房間內設置的聯動備用系統投入使用進行輔助降溫，以共同承擔室內負荷。由此，在減少設備投資的基礎上，可有效降低運營能耗，特別是在初近期負荷遠達不到設計負荷的情況下，更具可行性。

4 結語

多聯機通風系統方案在運營線路中已得到成功應用及運營檢驗，基本達到了設計的預期效果，但也存在不足之處。本文結合項目的參建經驗，提出以下建議，以期為廣大設計人員提供參考。

1) 非空調季節，不能盲目進行機械通風系統和多聯機空調系統轉換，應通過分析或實測進行確定。在某些情況下，機械通風系統的運行能耗并不低于多聯機空調系統，且建議機械通風系統應能進行變風量調節。

2) 機械通風系統應考慮空氣過濾措施。建議在新風道內設置集中的板式過濾器，對部分重要房間的通風系統，應考慮進一步采取空氣過濾的措施。

3) 為確保重要設備房間空調系統的可靠性，應充分考慮系統的冗余性。建議采用室外機和冷媒管路均獨立的2套子系統共同承擔同一房間的室內負荷。

4) 考慮強電設備用房的發熱特點及設備對環境的適應特點，當車站小系統采用多聯機通風方案時，強電設備用房可采用與公共區共用冷源的全空氣系統，非空調季節及空調季節的非運營時段，僅靠機械通風排除余熱具有可行性。

5) 當車站小系統采用大小系統共用冷源的全空氣系統+多聯機備用空調系統的方案時，建議作為主用系統的全空氣系統可按“欠負荷”原則進行設計，當出現不保證負荷時，啟動備用系統共同承擔，以減少通風空調系統的容量來降低運行能耗。備用系統亦無須按照100%冷負荷進行配置。