行业要闻

广佛地铁夏南车辆段通风空调系统方案

【摘 要】 通过对广佛地铁夏南车辆段实际情况分析，对集中水冷系统及多联机系统进行方案比较。确定集中水冷系统方案，对系统进行了优化设计及对冰蓄冷运行于该项目的设想进行讨论。
【关键词】 地铁 车辆段 空调 多联机 能耗 节能

1工程概述
      夏南车辆段是珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段工程的车辆段，总用地面积为221500m2，总建筑面积：78487.73m2。车辆段内建房屋包括运用库、联合车库、控制中心、综合维修楼、工程车库及调机库、牵引降压混合变电所等建筑。其中需要集中设置空调的建筑有控制中心、综合维修楼、运用库辅跨办公房、联合车库辅跨办公房。其中控制中心地下一层，地上八层建筑的高层建筑, 地面一～三层为设备房以及办公用房，地面四～八层为办公及 2 层宿舍；综合维修楼包含一地面 6 层的主建筑（总建筑面积 9000m2，主要为办公房）、一地面 2 层食堂（单层建筑面积约 900m2）、一地面 3层的辅助生产楼（总建筑面积 5000m2，包含办公房间）；运用库辅跨办公房为地面 2 层，主要为办公及设备用房；联合车库辅跨办公房为地面 2 层，主要为办公及设备用房。
      车辆段具体的相对位置见图 1（填充部分为空调区域）。

2空调方案比选
      广州地铁已建线路的车辆段均采用多联机系统，由于广佛线夏南车辆段情况比较特殊，全段面积大，且广佛线全线的控制中心设置于段内，使得段内负荷显著增加。现对集中水冷方案以及多联机系统方案从车辆段实际情况和 2 种方案的技术特点上进行比选：
2.1集中水冷方案
      从优点来看：
      第一：这种大面积的段内，水冷系统冷水机房布置集中，如设置于控制中心地下一层，处于段内空调的负荷中心位置；通过对段内负荷分布及变化的特点分析来看，段内空调房间可分为全天空调运行的房间（主要为段内各专业用设备房，宿舍及部分根据办公性质晚上需要值班的办公房）及上班时间空调运行的房间（其他办公房间），其负荷变化比较稳定且有规律，将全天运行的负荷和夜间运行的负荷综合考虑作为主机选型的依据，采用多台机组并联运行，通过机房群控系统实时调节机组、水泵、冷却塔运行状态，更便于适应段内不同负荷的需要。办公室房均采用风机盘管，末端控制简单、方便。
      第二：控制中心中央调度室由于房间的重要性和设备性质，宜采用全空气系统，采用水冷系统可以同时作为控制中心中央调度室的全空气系统的冷源。
      第三：传统的水冷系统在技术上比较成熟，一般在能效比上比多联机系统要高，同时水冷系统受层高，面积，管长的约束较小，且初投资比多联机系统小。
      所以集中水冷系统应该更适合夏南车辆段这种面积较大，负荷分布及变化较稳定且有规律的场合。
      从缺点来看：
      第一：车辆段空调房间面积较大，水系统管路纵向较长，水系统调节较为困难，需配置一定数量的监测点及平衡阀对其进行调控。
      第二：如在控制中心顶部设置冷却塔，有一定的噪声污染问题。
      第三：水冷系统日后还需要运营单位对设备进行专门的维护和管理，势必要考虑到日后维护管理费用。
2.2多联机方案
      多联机系统是最近这些年发展很快的一种空调形式。它的特点是：第一、多联机系统布置分散，末端形式多样，可适合不同要求的各类型房间，在系统设计上比较灵活；第二、厂家可承担室内、外机的安装、维护工作，并可以提供集中控制系统，运营管理也较为方便，这个也是它的一大卖点。
      但是它的缺点也是明显的：第一、多联机系统受其配管长度的制约很大。压缩机的效率会随着管路的延长衰减得很厉害。通常来说 30 米的管路一般来说衰减会在 20%左右，而一般在实际运用过程中多联机系统的平均COP值一般都不会超过 3，能效比显然不及水冷系统。对于夏南车辆段工程来说，需要空调的单体的总建筑面积达到 3 万平方米，且控制中心为地面 8 层，维修综合楼地面 6 层，层高均不低，车辆段包含众多重要的设备用房，对空调的温湿度要求较高，受多联机配管长度的制约势必会造成多联机系统较远端的空调效果不理想，特别是位于低楼层的设备用房，多联机系统COP值降低更不如预期的理想。而且多联机技术是源于日本，就目前国内厂家的产品情况来看，因为缺乏核心技术，产品质量也很难保证理想，实际使用过程中也不如厂家所言；第二、如采用多联机系统，控制中心中央调度室还需单独考虑全空气系统的冷源，使得整个车辆段空调形式变得复杂；第三、根据已建车辆段对多联系统的运用经验，均不同程度的存在主机烧毁、冷媒泄漏等问题。而且就冷媒泄漏来说，几乎是无法检测到，带来检修的困难。
      所以，多联机系统其实更适合用于中小规模，使用时间差异大，个性化要求明显需要使用灵活多变的场所。

3方案比选结论及优化
      经过比较，确定夏南车辆段采用集中水冷方案，在控制中心地下一层设置冷水机房，在屋顶设置冷却塔，空调冷冻水系统采用定流量闭式两管制一次泵系统，供/回水温差按照 5℃进行设计。
      在设计过程中，对水冷空调方案进行了一些优化：
      联合车库辅跨办公房计算负荷为 200KW 左右，但是离控制中心冷源距离 400 多米之远，能耗损失较大，从控制中心将冷水传输至负荷不大的联合车库辅跨办公房势必不经济。将联合车库辅跨办公房采用分体空调，简化管路，优化了空调水系统，这种方案经济合理。
      采用全热新风换气机优化风机盘管+新风系统，全热新风换气机显热回收效率≥70%，全热回收效率≥60%，有效减少段内空调新风负荷，达到节能目的。
      空调水系统分区域供、回水：车辆段综合楼、运用库为一个区域；控制中心为一个区域。在建筑每一层的空调回水总管上设置差压平衡阀。在局部分支总管设置静态平衡阀初调节管路。
      经过计算：控制中心空调计算全天逐时计算最大冷负荷935kW，其中晚间需运行空调的冷负荷为575kW；运用库辅跨办公楼空调全天逐时计算最大冷负荷总共为195kW，其中晚间需运行空调的冷负荷为100kW；维修综合楼空调计算全天逐时计算最大冷负荷总共为 1094kW，其中晚间需运行空调的冷负荷为 250kW。车辆段空调系统全天逐时计算最大冷负荷 2212kW，晚间需空调运行的冷负荷为925kW。设两台制冷量为 1220kW 水冷螺杆式冷水机组。

4冰蓄冷运用于该项目的设想
      从节约运行费用考虑，对冰蓄冷方案运用于该项目的设想进行讨论。
4.1初分析
      空调的冷负荷具有两个不均匀性：
      全年逐日不均匀性：夏季每天的冷负荷不相同，温度最高的天数占整个使用空调天数的比例较小；
      全天逐时不均匀性：8：00-18：00时工作时间段冷负荷较为均应，基本为 2000kW 以上；早晚非工作时间段空调冷负荷仅为部分全天运行设备用房空调负荷，约为 925kW。
      本工程夏天设计日空调逐时冷负荷分布如图2 所示。

      本工程较为接近普通办公楼性质，工作时间与非工作时间空调负荷相差较大，可考虑采用冰蓄冷空调系统，利用夜间低谷时间段蓄冰，工作时间段溶冰制冷或联合制冷。
4.2冰蓄冷方案的经济性
      储冰系统设计须依据影响初期投资及运行成本的各种因素综合考虑而确定，储冰空调系统中的储冰容量越大，初期投资越高，但可节约更多的运行成本，因而在方案设计时，须详尽研究系统的电力增容投资、峰谷电价结构及设备初投资等资料，以期达到最佳的经济效益，在降低初期投资的同时节约更多的运行成本，转移更多的高峰用电量。由于广东地区现阶段对地铁项目不实行分时电价，但对佛山地区今后建成地铁是否实行分时电价，并不能够确定，如有，进行经济分析后，则冰蓄冷空调系统运用于该项目从理论上存在可能性；如没有，则冰蓄冷空调系统对该项目没有实际意义。故下文仅对冰蓄冷方案假设能运用于该项目进行方案分析。
4.3冰蓄冷方案储冰模式选择
      全量储冰模式
      主机在电力低谷期全负荷运行，制得所需要的全部冷量。在电力高峰期，主机不需要运行，所需冷负荷全部由融冰来满足，其运行费用虽然很低，但系统的储冰容量、主机及配套设备容量均较大,系统的初期投资较高。
      负荷均衡的分量储冰模式
      主机在设计日均以满负荷运行，在设计负荷日，当主机制冷量小于冷负荷量时，不足部分由融冰补充；主机在电力低谷期全负荷运行，制得所需要的全部冷量。虽然运行费用较全量储冰高，但系统的储冰容量、主机及配套设备容量均较小，系统的初期投资较低。从系统规模上推荐采用分量储冰模式。
4.4冰蓄冷方案设备配置
      系统选用 1 台制冷量 925kW常规水冷冷水机组，选用 1 台 925/600kW 双工况水冷冷水机组。同时配置冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、乙二醇泵、板换及蓄冰盘管等设备。具体设备配置见表 1。

4.5冰蓄冷空调系统运行策略
      （1）系统的主要特点
      冰蓄冷系统按串联循环回路设计，选用双工况螺杆式制冷主机用于制冷与制冰，配置一台基载主机满足全天负荷需求；储冰装置采用不完全冻结式盘管储冰装置。
      （2）系统流程说明
      冰蓄冷系统流程中配置有双工况螺杆式冷水主机、基载主机、储冰装置、板式换热器、乙二醇泵等主要设备，双工况主机与储冰装置串联循环回路，乙二醇泵置于储冰装置的进口，并与板式换热器相联，满足系统在各工况下对乙二醇回路的要求。
      基载主机与双工况主机、蓄冰装置等蓄冰设备并联设置，共用冷冻水泵及冷却水泵。
      蓄冰系统冷冻水回路与乙二醇回路通过板式换热器进行热交换，彼此完全隔离。供冷期间，板式换热器将储冰系统中循环的乙二醇溶液温度调整到空调负荷所需要的温度，同时保证乙二醇仅在储冰循环中流动，减少乙二醇用量并避免乙二醇在空调负荷回路中的泄漏，降低了末端系统设计与维护的难度。回路中设有电动阀，在控制系统指示下进行工况转换与系统保护，根据冷负荷变化，调节进入储冰装置的乙二醇流量，保证进入板式换热器的乙二醇温度恒定，从而向末端空调系统提供所需温度的冷冻水，满足冷负荷需求。
      （3）简要运行策略
      采用溶冰供冷优先控制策略，同时根据室外气温和室内实际负荷需求自动调整主机供冷量。
      蓄冰时间段（0：00-8：00）：常规水冷冷水机组满负荷运行，提供总冷量 7400kW.h；双工况主机制冰工况运行，总储冷量 4800kW.h。
      工作时间段（8：00-18：00）：蓄冰装置溶冰供冷，提供总冷量 4560kW.h（考虑 5%未溶冰）；双工况主机制冷工况运行，常规水冷冷水机组制冷运行，根据实际制冷需求调整主机供冷量，设计日实际需提供总冷量为 17165kW.h。
      中间时间段（18：00-0：00）：双工况主机制冷工况运行，常规水冷冷水机组制冷运行，根据实际制冷需求调整主机供冷量。

5总 结
      根据夏南车辆段实际情况，通过对集中水冷系统及多联机系统的比选，夏南车辆段实行水冷空调系统是经济合理的。设计过程中对水冷系统进行了优化，也考虑到环保、节能的因素。同时对冰蓄冷技术运用于该项目进行了设想，由于车辆段位于该地区分时电价的暂时不确定性，本文仅对冰蓄冷技术假设运用于该项目作了方案和配置说明。

参考文献
[1] 潘云钢.高层民用建筑空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:148-200
[2] GB50157-2003.地铁设计规范[S]
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[4] GB 50189-2005.公共建筑节能设计标准[S]