談地鐵小系統負荷計算中熱濕比的影響

吳 進

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 概述

地鐵車站內部按區域劃分，一般分為公共區和設備區，公共區為乘客提供服務的空間，設備區為車站運營辦公和設備用房空間。為公共區服務的通風空調系統簡稱為“大系統”，為設備區服務的通風空調系統簡稱為“小系統”。

小系統根據設備區中房間對溫、濕度要求及運行時間的不同，劃分為多個子系統。其中空調系統用房一般分3類：人員管理、弱電設備、供電設備。其余房間一般采用機械通風。

本文通過分析杭州某地鐵車站小系統中弱電設備用房負荷計算的過程，提出一種熱濕比的選取原則。

2 杭州某地鐵車站設備用房

某地鐵車站設備區布置圖見圖1，圖2，其中公共通信設備室、信號設備室、弱電綜合電源室、弱電綜合設備室、通風空調電控室、控制室、站臺門控制室、照明配電室等房間為弱電設備房；會議室、更衣室、站長室、站務室、值班室、票務室等為人員管理用房；消防泵房、氣瓶間、備品庫、電纜間等為通風房間；變壓器室、高壓開關柜室、電能吸收室等為供電房間；衛生間、開水間、污水泵房等為獨立排風房間。

3 單風道全空氣系統

3.1 系統介紹

全空氣系統是完全由空氣來擔負房間冷熱負荷的系統，系統通過輸送的冷空氣向房間提供顯熱冷量和潛熱冷量，其空氣的冷卻、除濕由機房內空氣機組來完成。單風道系統為機房內空氣處理機組只處理出一種送風參數(溫、濕度)的空氣，供一個房間或多個區域應用的系統。

地鐵地下車站空調系統基本上采用單風道集中式全空氣一次回風系統。

3.2 計算原理

地鐵規范[1]和技術文件規定弱電房間室內溫度為27 ℃，濕度為40%～60%，具體參數詳見表1，弱電房間空調系統一般采用露點送風，溫差10 ℃[2]。

表1 地下車站設備與管理用房空氣計算溫度、相對濕度與換氣次數

當經過空調機組處理一定量10 ℃溫差的空氣送入各個設備用房，經過吸熱、吸濕后，由回排風機排出至空調機組混風箱，與室外新風混合，經過空調機組處理之后再次送入室內。

房間的送風量計算表達式如式(1)所示：

(1)

其中，Ms,Mw分別為房間送風量和濕負荷，kg/s;Qc,Qcs分別為房間全熱冷負荷和顯熱冷負荷，kW;hR,hs分別為室內空氣和送風的比焓,kJ/kg;tR,ts分別為室內空氣和送風的溫度，℃;dR,ds分別為室內空氣和送風的含濕量，g/kg;cp為空氣定壓的比熱，kJ/(kg·℃)。

送入各個房間的空氣吸熱、吸濕的狀態變化過程如圖3所示。

其中送入各個房間的空氣吸熱、吸濕的狀態變化過程的角系數為：

(2)

角系數ε又稱為熱濕比，在工程設計過程中，室內冷負荷和濕負荷是已知的，根據式(2)可計算出各房間的熱濕比數值。

工程上，一般根據送風狀態點、熱濕比、室內溫度，通過焓濕圖來確定室內狀態點的具體參數。

因此，當各狀態點參數確定后，可知弱電系統設備用房空氣狀態變化過程表達如圖4所示。

根據以上分析，對于地鐵設備區空調房間的單風道集中式全空氣一次回風系統而言，如何選定熱濕比線和室內送風狀態點，對于負荷計算至關重要。

4 設計計算分析

4.1 系統參數

地鐵地下車站設備和管理用房空調室外計算干球溫度35.6 ℃，夏季空調室外計算相對濕度64%，大氣壓力夏季1 000.9 hPa。新風量標準為30 m3/(h·人)，且新風量不小于總送風量的10%。

地鐵設計規范及相關地鐵線路設計技術要求中對地下車站設備與管理用房的室內空氣計算溫度、相對濕度和換氣次數的要求，如表1所示。

4.2 計算分析

對于地下空間的設備用房，冷負荷主要是設備、照明發熱及人員顯熱和潛熱負荷，濕負荷主要是圍護結構散濕和人員散濕，本站中，站廳層設備用房側墻和頂板與圍護結構相鄰，考慮一定的結構濕負荷，站臺層站臺門和變電所控制室未與圍護結構相鄰，故忽略其結構壁面散濕。

弱電系統主要設備用房冷負荷、濕負荷及熱濕比計算結果如表2所示。根據表2中每個房間的熱濕比分別繪制焓濕圖，確定一個室內狀態點，具體參數詳見表3。根據式(1)分別計算不同熱濕比下各房間的總風量見表4。

表2 弱電系統設備用房負荷、熱濕比計算表

表3 不同熱濕比下室內狀態點參數

表4 不同熱濕比下室內總風量 m3/h

通過分析以上計算結果，我們可以看出，房間的濕負荷差別不大，影響房間熱濕比的主要是設備發熱量，發熱量越大，熱濕比越大。根據熱濕比得出的室內狀態點參數可知，熱濕比越大，室內狀態點相對濕度越小，含濕量越低，焓值越小，所計算的總風量越大。

對于本工程而言，選用不同熱濕比所得到的室內狀態點，其相對濕度在46%～47%之間，滿足規范規定40%～60%的要求。理論上，本工程中選用任何房間的熱濕比進行負荷計算，均滿足要求。

對于其他地鐵工程中弱電系統設備用房而言，各房間的熱濕比一般在30 000～300 000之間，按照10 ℃溫差露點送風原則，所得到的室內狀態點相對濕度在46%～47.5%，基本上滿足規范要求[3-4]。

5 結語

對于單風道集中式全空氣一次回風系統而言，最大的優點是設備簡單，初投資較省，管理維護方便，缺點就是因負擔房間較多，各房間負荷變化不一致，無法進行精確調節。對于地鐵弱電系統設備用房來說，對室內環境溫濕度精度要求不高，單風道集中式全空氣一次回風系統可滿足房間溫濕度要求。但此系統缺點有風管較多、尺寸大、占用空間很大，對于地鐵而言，因其系統復雜、管線密集、空間狹小，是個比較棘手的問題。

另外從節能減排、環境保護的角度而言，有數據表明，通風空調系統的能耗占地鐵總能耗的50%左右，在碳達峰、碳中和的時代背景下，節能減排成為大趨勢，因此，在滿足規范和技術要求的前提下，在設計過程中，盡可能的減小系統的送風風量，不僅可縮小系統風管尺寸，節省工程空間，也可以減小空調設備風壓和功率，減小地鐵能耗[5-6]。

綜上所述，在地鐵小系統空調負荷計算過程中，建議選用該系統中較小的熱濕比數值進行負荷計算。