地鐵車站設備用房空調系統整合可行性研究

陳嘉麒

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

0 引言

地鐵地下車站空間狹窄封閉，施工成本與系統運行費用高，地下車站通風空調系統主要由風井、土建風道、通風設備、流體輸配管路以及控制系統組成。一般地鐵車站通風空調機房、風道與風井均設置在車站兩端，地鐵風亭風井主要受到地面規劃以及現場實際情況控制，通風空調機房與風道則可以在主體建筑與風井之間靈活設置，標準車站設備集中端通風空調機房內一般設置了一套公共區通風空調系統、一套強電設備用房通風空調系統。一套弱電設備用房通風空調系統、一套人員房間通風空調系統、以及其他房間的通風系統設備，系統繁雜管道密集。給施工建設及運營維護均帶來了諸多不便。與人員房間及車站公共區通風空調系統不同，強電、弱電設備用房空系統均是24h全天運行。從節省土建投資、簡化系統形式的角度出發，本文以一座信號非集中站設降壓變電所的常見地鐵車站為例，分析將強電與弱電用房通風空調系統整合的可行性。

1 系統概述

一般標準車站弱電用房包含了商務通信室、通信設備室、信號電源室等10個房間，空調系統采用一次回風系統，室內設計溫度27℃，相對濕度60%，計算負荷150～250kW，考慮室內狀態點對應的露點溫度較高，送風溫度取19℃，計算送風量為25000～40000m3/h。降壓變電所強電用房包含400V開關柜室和35kV開關柜室兩個房間，空調系統采用直流冷風降溫系統，設計溫度為36℃，相對濕度為60%，計算冷負荷為150～200kW，一般送風溫差取15℃，計算送風量為15000～30000m3/h。

2 系統整合

將兩個不同設計標準的空調系統整合，其實目前國內的規范體系是不支持的，《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012第7.3.2條中規定，溫濕度技術和允許波動范圍不同的空調區域宜分設系統，在《公共建筑節能設計標準》GB50189-2013第4.1.7條中也規定了溫度、濕度等要求不同的空氣調節區域不宜劃分在同一個空氣調節系統，其原因在于不同的溫濕度空調區域系統合用時，會給系統運行與調節帶來困難，同時也加大了系統能耗，如果要生硬的套用規范，地鐵強弱電用房空調系統整合基本不可能，但畢竟地鐵工程與一般的民用建筑存在著差異。

首先是負荷構成，由于強弱電設備用房都是設置在地下空間的平時無人值守的設備用房，房間內部除了設備與照明以及相關管線外，再無其他設施設備，如圖1、圖2所示?？照{負荷絕大部分是設備發熱產生的負荷，臨近維護結構的房間，熱量從室內傳向維護結構而非從維護結構傳向室內。同時空調區域的濕負荷很小，臨近維護結構的設備用房一般設置離壁墻，設置在站臺層的房間下方均設置夾層，因此僅有設置在站廳的設備用房在房間頂部或側壁存在少量濕負荷，地鐵設備用房的負荷主要是顯熱負荷。

圖1 弱電設備用房Fig.1 Electronic Equipment Room

圖2 強電設備用房Fig.2 Electric Equipment room

其次是室內設計參數，與同時要求溫度與濕度的民用建筑不同，地鐵設備用房對濕度要求不高，現行的《數據中心設計規范》GB50174-2017中明確進風區域的相對濕度不大于60%，停機時不大于80%，整體要求房間內不得結露。目前現行的《20kV及以下變電所設計規范》GB50053-2013中對變電所房間內的濕度無明確要求，但原則上要求不得結露，通風溫差不大于15℃。

再次是系統運行時間，地鐵強弱電用房基本全年運行，時刻不間斷，空調季節運行空調系統，非空調季節關閉空調水系統，運行通風系統?？照{房間內熱負荷基本恒定，僅新風負荷與室外空氣狀態點參數有關，逐時變化。

將弱電用房與強電用房系統整合后，首先要針對房間修正室內的設計參數，便于系統整合，從室內負荷特性和室內空氣參數需求來看，兩類房間均沒有濕度要求，濕負荷也相對較小。唯一不同的是兩類房間在溫度上的要求相差9℃，根據兩類房間室內要求以及常規表冷器的制冷能力，控制弱電房間送風溫差不大于10℃，考慮1℃溫升，露點送風，則送風點的參數可確定為18℃，相對濕度為84.4%，在沒有濕負荷的情況下，弱電用房與強電用房空調送風為等濕加熱過程，弱電用房室內空氣狀態點溫度為27℃，相對濕度為49.0%，強電用房室內空氣狀態點為36℃，相對濕度為29.4%。由于弱電用房送風溫差由常規的9℃調整至10℃，強電用房送風溫差由常規的15℃調整為18℃，弱電房間送風量比常規系統降低10%左右，強電房間送風量比常規變電所系統風量減少30%左右，整合后的柜式空氣處理機組風量在35000～56000m3/h。柜式空氣處理機組由原來的兩臺減為一臺，由于總送風量減少，設備運行能耗降低。

根據整合后兩類房間回風的處理方式，可將系統分為全回風整合系統、半回風整合系統以及直流整合系統三類形式，各系統詳細描述如表1所示。

表1 強弱電設備用房空調系統整合方式Table 1 Entegration Form of air conditioning system for Electronic and electrical equipment rooms

全回風系統是將強電設備用房與弱電房間回風混合后接入柜式空氣處理機組的混風箱，該系統設備少，僅有一臺柜式空氣處理機組與回排風機，風管在強電用房與弱電設備用房之間可以交錯布置，該系統新風量按照不小于總送風量的10%取值，對于全回風系統，存在如下關系：

式中，hcn為強電設備用房回風與強弱電用房回風混合點焓值；hcw為回風與新風混合點焓值；Gq為強電設備用房空調計算風量；Gr為弱電設備用房空調計算風量；hq為強電設備用房室內空氣焓值；hr為弱電設備用房室內空氣焓值；hw為室外空氣計算焓值。

由于變電所室內設計溫度較高，強制采用全回風的形式不一定合理，半回風系統形式是將變電所房間空氣直接排至室外，將弱電用房回風與室外空氣混合后送入柜式空氣處理機組，與全回風系統形式相比，需要增設一臺變電所排風機，同時減少回風機風量。該系統新風量為強電設備用房計算風量，混風存在如下關系：

式中，hcw’為回風與新風混合點焓值。

全回風系統與半回風系統核心的區別為是否利用變電所室內空氣回風，由于兩套系統總風量相同，不同的只是表冷器的制冷能力，即當全回風系統的混風點比半回風系統的混風點焓值低時，全回風系統相較于半回風系統是經濟的，即：

將以上三式帶入，可得：

由于強電設備用房與弱電設備用房室內設計溫度存在9℃溫差，利用直流系統是利用弱電設備用房回風直接送入強電設備用房，其使用條件是弱電設備用房系統送風量大于利用7℃溫差計算的強電設備用房系統風量，即：

將弱電送風溫差Δtr=10℃與Δtq=9℃帶入可得：

理論上，直流系統整合形式中柜式空氣處理機組的送風量與制冷量僅為弱電設備用房風量與制冷量，充分利用了弱電用房與強電設計用房的設計溫差，系統送風量與制冷量均比其他兩類整合系統小，是一種節能的新思路。在設備配置時需注意回排風機將弱電設備用房回風直接送入變電所房間內，系統管路復雜不利于風量平衡，實際應用時可增設一臺送風風機，在室外溫度大于等于27℃時，系統運行將不再節能。

3 系統適應性分析

整合系統的基礎是室內不考慮室內濕負荷，室內送風過程為等濕降溫過程，但在實際過程中，地下空間畢竟潮濕，從結構頂板、底板或側壁的散濕量還是存在，特別是在雨季地下水位線較高時，從結構表面的析濕量不容忽視，由于濕負荷的影響，熱濕比線不再是一條豎直的直線而是一條斜線，由于室內控制溫度不變，相對濕度增加后，室內狀態點在焓濕圖上向右偏移，導致室內狀態點的對應露點溫度有可能比送風點溫度高，導致發生送風溫度過低而導致房間內風口附近結露的現象。此時需要調小送風溫差，由于表冷器進出水溫度流量與溫差不變，送風量加大后，導致送風點S溫度升高，送風溫差減小，可避免出風口結露的現象，如圖3所示。由于各房間的濕負荷與設計之初計算值存在差異，對于集中送回風系統，為了控制各支路上的送風量與總送風量，可采取變風量一次回風系統的形式，在各房間支路或者主要房間支路上設置變風量調節裝置，在室內送風口附近設置溫濕度傳感器，如圖4所示，當室內送風口溫度接近露點溫度時，通過變風量末端加大房間送風量，同步提高柜式空氣處理機組與對應系統回排風機頻率；當測得溫度遠離濕球溫度時，通過變風量裝置調小送風支路風量，同步調整柜式空氣處理機組與對應回排風機的頻率，系統節能運行的同時保證室內風口不結露。

圖4 變風量系統Fig.4 Variable-air-volume System

4 結論

為了避免空調系統控制困難或出現失控的情況，一般情況下，不同設計標準的空調系統整合在常規通風空調設計過程中是需要避免的，在地鐵的實際建設過程中，總會遇到諸多實際條件限制，本文分析了地鐵弱電設備房間與強電設備房間空調系統整合的可行性，兩套系統整合的基礎是地下設備表用房濕負荷小，兩套系統的送風過程可視為等濕降溫過程，根據室內的顯熱負荷確定兩類房間送風支路的風量，由于強電設備用房存在較大的送風溫差，當強電房間存在濕負荷導致結露時，需要設置溫濕度探頭，采用變風量末端根據房間相對濕度調整送風量，同時將柜式空氣處理機組與回排風機變頻處理，在實際應用過程中采用變風量系統時，應和系統分設進行經濟技術比較，做到方案合理可行。