地鐵空調系統分析及設計

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摘要：本文主要以昆明地區地鐵的地下車站車站設備管理用房通風空調系統（小系統）為對象，介紹小系統中使用變頻多聯空調作為冗余系統的設計理念，分析以往設計中所遇到的問題及得失經驗總結，并舉例介紹了地鐵車站冗余多聯空調系統的設計。

關鍵詞：昆明地鐵;地下車站;多聯空調;冗余系統

昆明作為一座地處溫和地區的城市，擁有其他建設地鐵的城市所不具備的得天獨厚的氣候條件。通過昆明典型氣象年數據[1]制作圖1，可以發現昆明最高月平均干球溫度為20.1℃，整個夏季氣候舒適，只要通風條件良好，房間無大量余熱余濕均能達到很好的舒適度要求。然而地鐵站房的環境控制又區別于普通民用建筑，除了需滿足人員的生理及心理條件要求，還要保證設備正常運轉，對于地下車站設備管理用房的環境控制，地鐵設計規范[2-3]中規定了室內計算溫度、相對濕度和換氣次數的要求，因此需要在地鐵設備管理用房設置通風空調系統（小系統）。昆明地區地鐵為了達到節能降耗的目的小系統宜最大化的采用機械通風系統，而變頻多聯空調作為一種可變冷媒流量的空調系統，調節靈活控制先進、管理智能化，可以作為備用冗余，保證通風空調系統的節能運行和緊急情況下全線系統的正常運營。

1冗余多聯系統的設計理念

根據昆明市的氣候條件，隨著節能標準的深入可盡量采用機械通風的方式來滿足設備管理用房的舒適性要求，避免集中空調的使用。雖然昆明大部分氣候條件可以滿足通風及空調的要求，夏季通風計算溫度采用歷年最熱月14:00時的月平均溫度的平均值23℃完全可以滿足第一類通風降溫要求房間的送風要求，比如降壓變電所、牽引變電所這類雖然發熱量大但是房間計算溫度較高的這類房間。但是采用歷年平均不保證50h的干球溫度作為夏季室外空氣計算干球溫度卻完全不能達到同樣具有較大發熱量卻與人對環境耐受要求度相同的第二類空調要求房間的空調送風狀態點，如通信設備室、通信電源室、信號設備室、信號電源室、綜合監控設備室等。因此在設備管理用房的通風空調系統（小系統）設計中為了最大限度使用昆明的自然條件，又保證地鐵設備的正常運轉，不考慮設置帶有水系統的集中空調系統，全部使用機械通風系統，針對第二類房間和人員用房設置可變冷媒流量的備用冗余多聯空調系統，避免按常規設計的集中空調系統可能經常在部分負荷以至低負荷下，在小溫差、大流量、低效率、高能耗工況下運行[4]。因此對于設置有冗余多聯空調系統的小系統在正常運行工況下制定了小新風空調、全新風空調和全通風三種運行模式：1）當室外空氣焓值大于室內空氣焓值時，采用小新風空調，送風機和排風機均變頻運行，風量需滿足各房間最小新風量要求；2）當室外溫度小于室內溫度及室外空氣焓值小于室內空氣焓值時，采用全新風空調，送風機和排風機工頻運行，變頻多聯空調機組同時運行；3）當室外溫度低于空調送風溫度時，采用全通風運行，送風機和排風機工頻運行，變頻多聯空調機組停止運行。而當設備管理用房發生火災時，整個系統需立即轉入火災模式運行，變頻多聯空調機組及與火災排煙防煙無關的系統停止運行[5]。這樣設置不僅靈活地控制了室內環境質量，還最大限度地避免了能源的浪費，在通風系統發生故障階段還能起備份系統的作用保障全線正常運營、以及保障車站正常運行工況與緊急情況下工況運行的轉換。

2分析以往設計中的得失經驗總結

從深圳地鐵3號線在國內地鐵小系統中首次采用備用空調設計[6]以來，國內越來越多的地鐵小系統開始設置備用冗余系統，從當初的分體機到如今的變頻多聯空調系統，雖然各個地方的設置原則不一樣，運行模式不盡相同，但是對于其中出現的各種問題進行分析總結對昆明地鐵冗余系統設計中避免這些問題十分有必要。常見問題經驗主要有總結以下幾點：1）冷凝管道漏水的問題。由于地鐵站內各種管線交錯，安裝空間有限，所以很多工程中在多聯空調系統的冷凝水系統中采用了冷凝水提升泵。在冷凝水系統中采用冷凝水提升泵無形中增加了維護管理的工作，而且由于提升泵本身有提升高度的限值，很多設計由于沒有考慮綜合管線時的施工安裝往往造成實際安裝完后機外排水高度超過提升泵的提升高度造成漏水。對于昆明地鐵的小系統，為了盡量使用室外空氣，風管往往要比全年使用制冷系統的空調系統要大，因此安裝空間更加的緊張，為避免冷凝管漏水的問題，在設計時建議不采用冷凝水提升泵，室內機冷凝水依靠重力來實現排水，因此設置冷凝水排放管排入設備區的離壁墻內的排水溝內，有條件可以直接接入地漏，排放管坡度不小于0.01，避免管道內出現異物堵塞。2）制冷制熱工況轉換問題。地鐵冗余多聯系統往往同時也負擔管理人員用房的空調，人對于室內環境較為敏感，當然個體之間也有差異，難免會出現預計平均熱感覺指數（PMV）為負的情況，尤其是冬季，部分寒冷地區為保證環境衛生及新風要求的送風抵消室內全熱后還具有一定熱負荷，由此產生了供熱需求。然而設備房間常年需要制冷，此時外機同時負擔了具有制冷及可能會有的供熱需求房間的空調，因此會造成外機出現模式報警，指示室內機故障。昆明地區屬于溫和地區，雖然人員用房會有一定的供暖需求，但這點需求具有短期性、間歇性且冷負荷特別小；雖然其他地區通過集中統一管理克服了報警問題，但是供暖工況的使用率同樣值得商討。因此昆明地區的地鐵冗余多聯空調系統采用單冷型多聯空調，控制顯示器也不具備供暖工況。3）配管過長造成回油困難。地鐵車站的管理用房區一般而言具有大小頭兩端，大端的進深較大，往往從風井到末端房間就已經超過60m的距離。雖然多聯空調系統布置靈活配管長度隨著技術提升也相應增加，由于地鐵多采用風冷型多聯空調機組，故其室外機的設置位置一般都在排風井或者室外。從室外機到第一個分歧管的距離一般都接近或超過要求長度的最長距離的一半，而且近端與遠端室內機的等效長度也同樣有長度限制，部分設計接近限值，但在安裝階段由于管線走管等因素，造成最后安裝完后配管過長超出限值，這樣的多聯空調系統長時間運行容易出現機內堵油，運行EER下降等一系列問題，其主要原因是吸氣管管路阻力增加，造成壓縮機的吸氣壓力下降，表現在lgP-h圖上就是冷媒從室內機吸熱后進入過熱區的溫度降低，從室內機過熱區到氣液分離器這段吸氣管路易析出機油[7]。因此多聯空調系統宜盡量的按區塊分拆減少冷媒管路的配管長度，并根據多聯機制冷劑管路的實際配管長度對其制冷容量進行修正。

3設計實例

本文截取一個含有冗余多聯空調系統的具體車站大端設備管理用房部分用房為例，介紹設計過程[8-9]。

3.1負荷的計算確定

根據工藝專業提供設備散熱，室內外計算參數計算出室內余熱余濕，計算出房間的冷負荷如表1。

3.2室內外機初步選型

多聯空調系統按兩套獨立室外機設置，信號設備室、信號電源室、綜合監控設備室、車站控制室的室內機設置也應為偶數臺，按室內機設備編號單、雙號分別連在不同的室外機上，管理用房室內機可根據管路布置任意連接一臺室外機。因此室內機選型如表2。由于車站控制室為末端房間，單臺制冷容量考慮管長負荷配置相對取大，兩套室內機額定制冷總容量分別為：35.6kW、31kW。依據地鐵站空調使用情況，室內外機容量配比系數為100%~110%，分別計算出所需室外機名義制冷容量為：32.4kW、28.2kW。根據樣本選擇室外機組PCU-a101額定制冷容量為33.5kW；室外機組PCU-a201額定制冷容量為28kW。

3.3冷量校核

根據室內外機的設置位置高差-5m（室內機高于室外機）和管線配管等效長度115m，查取樣本的配管長度及高差綜合修正系數為0.84，計算出室外機額定制冷容量不滿足所需名義制冷容量，重新選取室外機組PCU-a101額定制冷容量為40kW；室外機組PCU-a201額定制冷容量為33.5kW。3.4系統原理圖和平面圖圖2為冗余變頻多聯空調系統原理圖，圖3為冗余變頻多聯空調系統平面圖。

4結語

引入變頻多聯空調系統作為地鐵車站的冗余備用系統對于地鐵設備管理用房的空調系統具有重要意義，不僅提高了系統運行的穩定性，其良好的可調節性及管理的智能化都極大的提高了地鐵空調運營效果，減少了能源的消耗，其布置靈活的特點也為擁擠的地鐵設備管線設計騰出了很大的發揮空間，通過不斷的工程積累及設計改進，相信變頻多聯空調系統能夠在更多的地鐵車站安全運行，為降低地鐵環控系統的能耗做出貢獻。

作者:石胡興 吳馨旎 單位:中國中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司

參考文獻

[1]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2]北京城建設計研究總院.地鐵設計規范(GB50157-2003)[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[3]北京市規劃委員會.地鐵設計規范(GB50157-2013)[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

[4]崔躍,羅建方.溫和地區公共建筑暖通設計優化十題[J].暖通空調,2014,44(9):5-10

[5]中國中鐵二院工程集團有限責任公司.昆明地鐵三號線工程通風空調技術要求[R].2011.

[6]曾臻,葉沖.地鐵小系統備用空調設計探討[J].制冷與空調,2012,26(1):66-68

[7]姚楊.暖通空調熱泵技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[8]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第2版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[9]中國國家標準化管理委員會.多聯式空調（熱泵）機組應用設計與安裝要求(GB/T27941-2011)[S].北京:中國標準出版社,2012.