地铁车站设备用房空调系统整合可行性研究

陈嘉麒

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043）

0 引言

地铁地下车站空间狭窄封闭，施工成本与系统运行费用高，地下车站通风空调系统主要由风井、土建风道、通风设备、流体输配管路以及控制系统组成。一般地铁车站通风空调机房、风道与风井均设置在车站两端，地铁风亭风井主要受到地面规划以及现场实际情况控制，通风空调机房与风道则可以在主体建筑与风井之间灵活设置，标准车站设备集中端通风空调机房内一般设置了一套公共区通风空调系统、一套强电设备用房通风空调系统。一套弱电设备用房通风空调系统、一套人员房间通风空调系统、以及其他房间的通风系统设备，系统繁杂管道密集。给施工建设及运营维护均带来了诸多不便。与人员房间及车站公共区通风空调系统不同，强电、弱电设备用房空系统均是24h全天运行。从节省土建投资、简化系统形式的角度出发，本文以一座信号非集中站设降压变电所的常见地铁车站为例，分析将强电与弱电用房通风空调系统整合的可行性。

1 系统概述

一般标准车站弱电用房包含了商务通信室、通信设备室、信号电源室等10个房间，空调系统采用一次回风系统，室内设计温度27℃，相对湿度60%，计算负荷150～250kW，考虑室内状态点对应的露点温度较高，送风温度取19℃，计算送风量为25000～40000m3/h。降压变电所强电用房包含400V开关柜室和35kV开关柜室两个房间，空调系统采用直流冷风降温系统，设计温度为36℃，相对湿度为60%，计算冷负荷为150～200kW，一般送风温差取15℃，计算送风量为15000～30000m3/h。

2 系统整合

将两个不同设计标准的空调系统整合，其实目前国内的规范体系是不支持的，《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012第7.3.2条中规定，温湿度技术和允许波动范围不同的空调区域宜分设系统，在《公共建筑节能设计标准》GB50189-2013第4.1.7条中也规定了温度、湿度等要求不同的空气调节区域不宜划分在同一个空气调节系统，其原因在于不同的温湿度空调区域系统合用时，会给系统运行与调节带来困难，同时也加大了系统能耗，如果要生硬的套用规范，地铁强弱电用房空调系统整合基本不可能，但毕竟地铁工程与一般的民用建筑存在着差异。

首先是负荷构成，由于强弱电设备用房都是设置在地下空间的平时无人值守的设备用房，房间内部除了设备与照明以及相关管线外，再无其他设施设备，如图1、图2所示。空调负荷绝大部分是设备发热产生的负荷，临近维护结构的房间，热量从室内传向维护结构而非从维护结构传向室内。同时空调区域的湿负荷很小，临近维护结构的设备用房一般设置离壁墙，设置在站台层的房间下方均设置夹层，因此仅有设置在站厅的设备用房在房间顶部或侧壁存在少量湿负荷，地铁设备用房的负荷主要是显热负荷。

图1 弱电设备用房Fig.1 Electronic Equipment Room

图2 强电设备用房Fig.2 Electric Equipment room

其次是室内设计参数，与同时要求温度与湿度的民用建筑不同，地铁设备用房对湿度要求不高，现行的《数据中心设计规范》GB50174-2017中明确进风区域的相对湿度不大于60%，停机时不大于80%，整体要求房间内不得结露。目前现行的《20kV及以下变电所设计规范》GB50053-2013中对变电所房间内的湿度无明确要求，但原则上要求不得结露，通风温差不大于15℃。

再次是系统运行时间，地铁强弱电用房基本全年运行，时刻不间断，空调季节运行空调系统，非空调季节关闭空调水系统，运行通风系统。空调房间内热负荷基本恒定，仅新风负荷与室外空气状态点参数有关，逐时变化。

将弱电用房与强电用房系统整合后，首先要针对房间修正室内的设计参数，便于系统整合，从室内负荷特性和室内空气参数需求来看，两类房间均没有湿度要求，湿负荷也相对较小。唯一不同的是两类房间在温度上的要求相差9℃，根据两类房间室内要求以及常规表冷器的制冷能力，控制弱电房间送风温差不大于10℃，考虑1℃温升，露点送风，则送风点的参数可确定为18℃，相对湿度为84.4%，在没有湿负荷的情况下，弱电用房与强电用房空调送风为等湿加热过程，弱电用房室内空气状态点温度为27℃，相对湿度为49.0%，强电用房室内空气状态点为36℃，相对湿度为29.4%。由于弱电用房送风温差由常规的9℃调整至10℃，强电用房送风温差由常规的15℃调整为18℃，弱电房间送风量比常规系统降低10%左右，强电房间送风量比常规变电所系统风量减少30%左右，整合后的柜式空气处理机组风量在35000～56000m3/h。柜式空气处理机组由原来的两台减为一台，由于总送风量减少，设备运行能耗降低。

根据整合后两类房间回风的处理方式，可将系统分为全回风整合系统、半回风整合系统以及直流整合系统三类形式，各系统详细描述如表1所示。

表1 强弱电设备用房空调系统整合方式Table 1 Entegration Form of air conditioning system for Electronic and electrical equipment rooms

全回风系统是将强电设备用房与弱电房间回风混合后接入柜式空气处理机组的混风箱，该系统设备少，仅有一台柜式空气处理机组与回排风机，风管在强电用房与弱电设备用房之间可以交错布置，该系统新风量按照不小于总送风量的10%取值，对于全回风系统，存在如下关系：

式中，hcn为强电设备用房回风与强弱电用房回风混合点焓值；hcw为回风与新风混合点焓值；Gq为强电设备用房空调计算风量；Gr为弱电设备用房空调计算风量；hq为强电设备用房室内空气焓值；hr为弱电设备用房室内空气焓值；hw为室外空气计算焓值。

由于变电所室内设计温度较高，强制采用全回风的形式不一定合理，半回风系统形式是将变电所房间空气直接排至室外，将弱电用房回风与室外空气混合后送入柜式空气处理机组，与全回风系统形式相比，需要增设一台变电所排风机，同时减少回风机风量。该系统新风量为强电设备用房计算风量，混风存在如下关系：

式中，hcw’为回风与新风混合点焓值。

全回风系统与半回风系统核心的区别为是否利用变电所室内空气回风，由于两套系统总风量相同，不同的只是表冷器的制冷能力，即当全回风系统的混风点比半回风系统的混风点焓值低时，全回风系统相较于半回风系统是经济的，即：

将以上三式带入，可得：

由于强电设备用房与弱电设备用房室内设计温度存在9℃温差，利用直流系统是利用弱电设备用房回风直接送入强电设备用房，其使用条件是弱电设备用房系统送风量大于利用7℃温差计算的强电设备用房系统风量，即：

将弱电送风温差Δtr=10℃与Δtq=9℃带入可得：

理论上，直流系统整合形式中柜式空气处理机组的送风量与制冷量仅为弱电设备用房风量与制冷量，充分利用了弱电用房与强电设计用房的设计温差，系统送风量与制冷量均比其他两类整合系统小，是一种节能的新思路。在设备配置时需注意回排风机将弱电设备用房回风直接送入变电所房间内，系统管路复杂不利于风量平衡，实际应用时可增设一台送风风机，在室外温度大于等于27℃时，系统运行将不再节能。

3 系统适应性分析

整合系统的基础是室内不考虑室内湿负荷，室内送风过程为等湿降温过程，但在实际过程中，地下空间毕竟潮湿，从结构顶板、底板或侧壁的散湿量还是存在，特别是在雨季地下水位线较高时，从结构表面的析湿量不容忽视，由于湿负荷的影响，热湿比线不再是一条竖直的直线而是一条斜线，由于室内控制温度不变，相对湿度增加后，室内状态点在焓湿图上向右偏移，导致室内状态点的对应露点温度有可能比送风点温度高，导致发生送风温度过低而导致房间内风口附近结露的现象。此时需要调小送风温差，由于表冷器进出水温度流量与温差不变，送风量加大后，导致送风点S温度升高，送风温差减小，可避免出风口结露的现象，如图3所示。由于各房间的湿负荷与设计之初计算值存在差异，对于集中送回风系统，为了控制各支路上的送风量与总送风量，可采取变风量一次回风系统的形式，在各房间支路或者主要房间支路上设置变风量调节装置，在室内送风口附近设置温湿度传感器，如图4所示，当室内送风口温度接近露点温度时，通过变风量末端加大房间送风量，同步提高柜式空气处理机组与对应系统回排风机频率；当测得温度远离湿球温度时，通过变风量装置调小送风支路风量，同步调整柜式空气处理机组与对应回排风机的频率，系统节能运行的同时保证室内风口不结露。

图4 变风量系统Fig.4 Variable-air-volume System

4 结论

为了避免空调系统控制困难或出现失控的情况，一般情况下，不同设计标准的空调系统整合在常规通风空调设计过程中是需要避免的，在地铁的实际建设过程中，总会遇到诸多实际条件限制，本文分析了地铁弱电设备房间与强电设备房间空调系统整合的可行性，两套系统整合的基础是地下设备表用房湿负荷小，两套系统的送风过程可视为等湿降温过程，根据室内的显热负荷确定两类房间送风支路的风量，由于强电设备用房存在较大的送风温差，当强电房间存在湿负荷导致结露时，需要设置温湿度探头，采用变风量末端根据房间相对湿度调整送风量，同时将柜式空气处理机组与回排风机变频处理，在实际应用过程中采用变风量系统时，应和系统分设进行经济技术比较，做到方案合理可行。