多聯(lián)機(jī)空調(diào)與機(jī)械通風(fēng)集成系統(tǒng)在地鐵車站設(shè)備管理用房中的應(yīng)用

李小坤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063，武漢//高級(jí)工程師)

地鐵車站設(shè)備管理用房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(小系統(tǒng))受房間功能、環(huán)境要求及設(shè)備發(fā)熱量等因素制約，導(dǎo)致目前所廣泛應(yīng)用的全空氣系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)負(fù)荷冗余、冷負(fù)荷自適應(yīng)調(diào)節(jié)及系統(tǒng)輸送能耗較高等方面存在諸多局限性，鑒于此，設(shè)計(jì)了將設(shè)備管理用房空調(diào)負(fù)荷與公共區(qū)進(jìn)行冷源獨(dú)立的多聯(lián)機(jī)空調(diào)與機(jī)械通風(fēng)集成的小系統(tǒng)方案。本文針對(duì)某城市地鐵站采用的多聯(lián)機(jī)空調(diào)與機(jī)械通風(fēng)集成方案，結(jié)合建設(shè)及運(yùn)營(yíng)后反饋的問(wèn)題，提出相應(yīng)的改進(jìn)思路。

1 多聯(lián)機(jī)空調(diào)與機(jī)械通風(fēng)集成系統(tǒng)方案

多聯(lián)機(jī)空調(diào)與機(jī)械通風(fēng)集成系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“多聯(lián)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)”)，是指設(shè)備管理用房配置多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)及機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。空調(diào)季節(jié)時(shí)，房間冷負(fù)荷由多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)；非空調(diào)季節(jié)時(shí)，可開啟機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，利用室外低溫通風(fēng)消除室內(nèi)余熱。相對(duì)于全空氣系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是與車站空調(diào)大系統(tǒng)的冷源相獨(dú)立，非運(yùn)營(yíng)時(shí)段冷水系統(tǒng)可完全關(guān)閉，控制靈活且集成性較好，能夠跟隨各個(gè)房間的實(shí)時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使設(shè)備始終穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 多聯(lián)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)方案存在問(wèn)題及解決辦法

2. 1 非空調(diào)季節(jié)機(jī)械通風(fēng)與多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析

根據(jù)對(duì)某地鐵線路部分站點(diǎn)非空調(diào)季節(jié)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗的監(jiān)測(cè)，在線路開通初期，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)并不一定比多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。以地鐵某站為例，共采用了3套多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)及3套機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，配置如表1所示。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)部門的測(cè)試，2016年1～3月期間，非空調(diào)季節(jié)采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)日均耗電量?jī)H為144 kW·h。若關(guān)閉多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)定風(fēng)量運(yùn)行排除余熱，則按理論推算(因缺少該工況下實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù))，風(fēng)機(jī)總功率為30.4 kW，日耗電量為729.6 kW·h。由此可知，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的理論能耗遠(yuǎn)大于多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，初步分析主要原因如下：

表1 某地鐵站設(shè)備管理用房的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)配置表 kW

1) 現(xiàn)階段設(shè)備房間實(shí)際發(fā)熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)容量，多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)房間的實(shí)時(shí)發(fā)熱量調(diào)整自身出力，使得實(shí)際運(yùn)行能耗較小；

2) 多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于每個(gè)房間均可單獨(dú)控制，故在實(shí)際使用過(guò)程中，管理人員可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整設(shè)備房間的設(shè)定溫度及室內(nèi)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)，以降低能耗；

3) 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)一般考慮排除房間最大余熱，并按照夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，大部分情況下設(shè)計(jì)風(fēng)量較為冗余。

因此，在非空調(diào)季節(jié)，不能盲目主觀判斷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)或是機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)哪種更為節(jié)能。兩種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換工況在節(jié)能方面存在一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，且主要取決于通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量。建議可從以下方面進(jìn)行考慮：

1) 由于多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)可作為通風(fēng)不保證狀況下的后備系統(tǒng)，因此可適當(dāng)選取室外計(jì)算溫度，加大通風(fēng)設(shè)計(jì)溫差，以降低設(shè)計(jì)風(fēng)量。當(dāng)僅靠通風(fēng)無(wú)法滿足余熱量排除時(shí)，即開啟多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)輔助降溫，以及合理選擇運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

2) 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)送排風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，在發(fā)熱量較小或室外溫度較低的時(shí)段，通過(guò)降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率來(lái)減少功耗。由于機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)所服務(wù)的各個(gè)房間存在差異，風(fēng)機(jī)頻率的調(diào)整較難實(shí)現(xiàn)自控調(diào)整，且同類設(shè)備房間發(fā)熱量一般具有一致變化規(guī)律，因此考慮根據(jù)運(yùn)營(yíng)歷史數(shù)據(jù)總結(jié)適宜的規(guī)律具有可行性。

2. 2 通風(fēng)系統(tǒng)需考慮對(duì)空氣的預(yù)處理措施

在已運(yùn)營(yíng)線路中，多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時(shí)考慮僅在空調(diào)季節(jié)運(yùn)行，非空調(diào)季節(jié)開啟機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。但在運(yùn)營(yíng)一個(gè)周期后，發(fā)現(xiàn)風(fēng)口及房間內(nèi)設(shè)備均有大量的粉塵堆積，其原因主要在于新風(fēng)道或通風(fēng)管道內(nèi)未設(shè)置有效過(guò)濾措施，新風(fēng)經(jīng)過(guò)土建風(fēng)道后，將大量灰塵帶入室內(nèi)。因此建議：

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

2) 對(duì)新風(fēng)道壁面作改良處理，確保壁面清潔光滑不起灰。

3) 在重要設(shè)備用房及人員房間的送風(fēng)管吸入端合理控制風(fēng)速并設(shè)置集中的過(guò)濾措施，無(wú)條件時(shí)可在各房間送風(fēng)口上設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，以進(jìn)一步減少進(jìn)入室內(nèi)的灰塵。

2. 3 重要房間多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

重要設(shè)備用房的空調(diào)系統(tǒng)是確保設(shè)備能安全運(yùn)行的必要保障，必須具有足夠高的可靠性。多聯(lián)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)在最初設(shè)計(jì)時(shí)也針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了分析并采取了一定的措施。如：機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，除了滿足非空調(diào)季節(jié)運(yùn)行節(jié)能的要求，以及確保氣體滅火保護(hù)房間滅火后排氣的需要外，也可在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障或進(jìn)行保養(yǎng)時(shí)，啟用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)以消除房間余熱；在重要設(shè)備用房?jī)?nèi)一般布置不小于2臺(tái)室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)總冷量配置也相對(duì)冗余，當(dāng)其中一臺(tái)室內(nèi)機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)，其他室內(nèi)機(jī)仍可保證至少一半以上制冷量，且室外機(jī)各模塊獨(dú)立供電，互不影響。

但若發(fā)生冷媒泄露問(wèn)題，將導(dǎo)致整個(gè)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)癱瘓，且短時(shí)間內(nèi)不易發(fā)現(xiàn)且不易修復(fù)。因此，建議重要設(shè)備用房多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)采用冗余配置方案，即：由2套獨(dú)立的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)共同承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，將室外機(jī)和冷媒管路分開，各自承擔(dān)一半的系統(tǒng)負(fù)荷；室內(nèi)機(jī)為偶數(shù)臺(tái)，以此提高多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的安全性。當(dāng)具備條件時(shí)，在初期發(fā)熱量較小且系統(tǒng)負(fù)荷率不足50%的情況下，可使2套系統(tǒng)平時(shí)輪流投入使用，這樣在提高能效比的同時(shí)，可在一定程度上延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2. 4 變電所房間與大系統(tǒng)共用冷源可行性分析

因強(qiáng)電設(shè)備用房發(fā)熱量較大、通風(fēng)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(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，由于室內(nèi)外機(jī)數(shù)量較多，存在房間內(nèi)設(shè)備立體布置及室外機(jī)占地空間較大的問(wèn)題。鑒于此，可考慮強(qiáng)電設(shè)備用房與公共區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)共用冷源，利用已設(shè)置的冷凍水系統(tǒng)供冷，這樣額外增加的冷水系統(tǒng)能耗就變得相對(duì)較小。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)測(cè)試得知，變電所強(qiáng)電設(shè)備發(fā)熱量具有一定的規(guī)律，主要體現(xiàn)在：運(yùn)營(yíng)時(shí)段用電負(fù)荷較大的情況下發(fā)熱量出現(xiàn)高峰；而在停運(yùn)階段，因供電負(fù)荷降低，其發(fā)熱量也相對(duì)降低，可能低至設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的20%～30%。針對(duì)此特點(diǎn)，在空調(diào)季節(jié)運(yùn)營(yíng)時(shí)段，公共區(qū)需制冷時(shí)變電所設(shè)備用房采用冷風(fēng)降溫，而在非運(yùn)營(yíng)時(shí)段冷水系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)排除余熱；在非空調(diào)季節(jié)，由于室外溫度較低，消除室內(nèi)余熱所需的通風(fēng)量也相對(duì)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(jìn)行定性分析。其設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 某地鐵站強(qiáng)電設(shè)備房間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)表

采用全空氣系統(tǒng)時(shí)，考慮到冷風(fēng)消除室內(nèi)全熱負(fù)荷與通風(fēng)消除室內(nèi)顯熱負(fù)荷能力不同，以表2空調(diào)冷風(fēng)量為定值，采用顯熱計(jì)算公式校核室外通風(fēng)溫度。當(dāng)通風(fēng)溫度為17.4 ℃時(shí)，采用機(jī)械通風(fēng)方式可滿足消除余熱的要求。與空調(diào)季節(jié)和非空調(diào)季節(jié)的轉(zhuǎn)換工況點(diǎn)大致相符，由于強(qiáng)電房間的設(shè)備特點(diǎn)，其室內(nèi)溫度為40～42 ℃時(shí)依然可視為正常工作環(huán)境，因此，在冷水系統(tǒng)停運(yùn)季節(jié)，根據(jù)空調(diào)冷風(fēng)量配置的通風(fēng)系統(tǒng)可滿足消除余熱的要求。在空調(diào)季節(jié)，運(yùn)營(yíng)時(shí)段可與公共區(qū)共用冷源，通過(guò)冷風(fēng)降溫;而在非運(yùn)營(yíng)時(shí)段，按設(shè)備發(fā)熱量?jī)H為設(shè)計(jì)負(fù)荷的40%(考慮一定的安全系數(shù))進(jìn)行考慮，夜晚室外通風(fēng)計(jì)算溫度按32 ℃、室內(nèi)計(jì)算溫度按40 ℃考慮時(shí)，計(jì)算得到所需的通風(fēng)量均小于正常情況下全空氣系統(tǒng)冷風(fēng)降溫所配置的系統(tǒng)風(fēng)量，具體如表3所示。

由表3可見，根據(jù)強(qiáng)電設(shè)備房間設(shè)備發(fā)熱量的特點(diǎn)及其對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性，將強(qiáng)電設(shè)備房間與公共區(qū)共用冷源，并采用全空氣系統(tǒng)，而其他設(shè)備管理用房采用多聯(lián)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的方案是可行的。考慮到室外通風(fēng)溫度的變化，風(fēng)機(jī)可采用變頻控制，以根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整風(fēng)量，來(lái)降低通風(fēng)能耗。

表3 某地鐵站非運(yùn)營(yíng)時(shí)段強(qiáng)電設(shè)備房間通風(fēng)量校核參數(shù)表

3 多聯(lián)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)方案

目前,大多數(shù)城市地鐵車站大小系統(tǒng)共用冷源并采用全空氣系統(tǒng)時(shí)，設(shè)置了大規(guī)模的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)。但在設(shè)計(jì)時(shí)，全空氣系統(tǒng)及備用系統(tǒng)一般均按照100%冷負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，設(shè)備房間的發(fā)熱量低于設(shè)計(jì)冷量的情況較為普遍，致使通風(fēng)空調(diào)設(shè)備常年以低負(fù)荷率運(yùn)行。備用系統(tǒng)一般是在非運(yùn)營(yíng)時(shí)段不開啟冷機(jī)時(shí)投入使用，或在主用系統(tǒng)檢修維護(hù)時(shí)使用，這兩種狀況下出現(xiàn)最高冷負(fù)荷的概率較低，且不同類型設(shè)備發(fā)熱也有各自特點(diǎn)，因此空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備均按最大冷負(fù)荷去配置容量欠妥。

基于以上考慮，建議的改進(jìn)方案是多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)作為全空氣系統(tǒng)備用方案，即主用系統(tǒng)及備用系統(tǒng)均按一定的負(fù)荷不保證率進(jìn)行配置。如：按計(jì)算冷負(fù)荷的70%進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常僅采用主用空調(diào)系統(tǒng)即可滿足大部分時(shí)段的要求；而在出現(xiàn)不保證的高負(fù)荷情況下，通過(guò)將房間內(nèi)設(shè)置的聯(lián)動(dòng)備用系統(tǒng)投入使用進(jìn)行輔助降溫，以共同承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷。由此，在減少設(shè)備投資的基礎(chǔ)上，可有效降低運(yùn)營(yíng)能耗，特別是在初近期負(fù)荷遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)負(fù)荷的情況下，更具可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

多聯(lián)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)方案在運(yùn)營(yíng)線路中已得到成功應(yīng)用及運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，但也存在不足之處。本文結(jié)合項(xiàng)目的參建經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議，以期為廣大設(shè)計(jì)人員提供參考。

1) 非空調(diào)季節(jié)，不能盲目進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)和多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，應(yīng)通過(guò)分析或?qū)崪y(cè)進(jìn)行確定。在某些情況下，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗并不低于多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，且建議機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能進(jìn)行變風(fēng)量調(diào)節(jié)。

2) 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)考慮空氣過(guò)濾措施。建議在新風(fēng)道內(nèi)設(shè)置集中的板式過(guò)濾器，對(duì)部分重要房間的通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)考慮進(jìn)一步采取空氣過(guò)濾的措施。

3) 為確保重要設(shè)備房間空調(diào)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的冗余性。建議采用室外機(jī)和冷媒管路均獨(dú)立的2套子系統(tǒng)共同承擔(dān)同一房間的室內(nèi)負(fù)荷。

4) 考慮強(qiáng)電設(shè)備用房的發(fā)熱特點(diǎn)及設(shè)備對(duì)環(huán)境的適應(yīng)特點(diǎn)，當(dāng)車站小系統(tǒng)采用多聯(lián)機(jī)通風(fēng)方案時(shí)，強(qiáng)電設(shè)備用房可采用與公共區(qū)共用冷源的全空氣系統(tǒng)，非空調(diào)季節(jié)及空調(diào)季節(jié)的非運(yùn)營(yíng)時(shí)段，僅靠機(jī)械通風(fēng)排除余熱具有可行性。

5) 當(dāng)車站小系統(tǒng)采用大小系統(tǒng)共用冷源的全空氣系統(tǒng)+多聯(lián)機(jī)備用空調(diào)系統(tǒng)的方案時(shí)，建議作為主用系統(tǒng)的全空氣系統(tǒng)可按“欠負(fù)荷”原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)出現(xiàn)不保證負(fù)荷時(shí)，啟動(dòng)備用系統(tǒng)共同承擔(dān)，以減少通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的容量來(lái)降低運(yùn)行能耗。備用系統(tǒng)亦無(wú)須按照100%冷負(fù)荷進(jìn)行配置。