地铁空调系统分析及设计

摘要：本文主要以昆明地区地铁的地下车站车站设备管理用房通风空调系统（小系统）为对象，介绍小系统中使用变频多联空调作为冗余系统的设计理念，分析以往设计中所遇到的问题及得失经验总结，并举例介绍了地铁车站冗余多联空调系统的设计。

关键词：昆明地铁;地下车站;多联空调;冗余系统

昆明作为一座地处温和地区的城市，拥有其他建设地铁的城市所不具备的得天独厚的气候条件。通过昆明典型气象年数据[1]制作图1，可以发现昆明最高月平均干球温度为20.1℃，整个夏季气候舒适，只要通风条件良好，房间无大量余热余湿均能达到很好的舒适度要求。然而地铁站房的环境控制又区别于普通民用建筑，除了需满足人员的生理及心理条件要求，还要保证设备正常运转，对于地下车站设备管理用房的环境控制，地铁设计规范[2-3]中规定了室内计算温度、相对湿度和换气次数的要求，因此需要在地铁设备管理用房设置通风空调系统（小系统）。昆明地区地铁为了达到节能降耗的目的小系统宜最大化的采用机械通风系统，而变频多联空调作为一种可变冷媒流量的空调系统，调节灵活控制先进、管理智能化，可以作为备用冗余，保证通风空调系统的节能运行和紧急情况下全线系统的正常运营。

1冗余多联系统的设计理念

根据昆明市的气候条件，随着节能标准的深入可尽量采用机械通风的方式来满足设备管理用房的舒适性要求，避免集中空调的使用。虽然昆明大部分气候条件可以满足通风及空调的要求，夏季通风计算温度采用历年最热月14:00时的月平均温度的平均值23℃完全可以满足第一类通风降温要求房间的送风要求，比如降压变电所、牵引变电所这类虽然发热量大但是房间计算温度较高的这类房间。但是采用历年平均不保证50h的干球温度作为夏季室外空气计算干球温度却完全不能达到同样具有较大发热量却与人对环境耐受要求度相同的第二类空调要求房间的空调送风状态点，如通信设备室、通信电源室、信号设备室、信号电源室、综合监控设备室等。因此在设备管理用房的通风空调系统（小系统）设计中为了最大限度使用昆明的自然条件，又保证地铁设备的正常运转，不考虑设置带有水系统的集中空调系统，全部使用机械通风系统，针对第二类房间和人员用房设置可变冷媒流量的备用冗余多联空调系统，避免按常规设计的集中空调系统可能经常在部分负荷以至低负荷下，在小温差、大流量、低效率、高能耗工况下运行[4]。因此对于设置有冗余多联空调系统的小系统在正常运行工况下制定了小新风空调、全新风空调和全通风三种运行模式：1）当室外空气焓值大于室内空气焓值时，采用小新风空调，送风机和排风机均变频运行，风量需满足各房间最小新风量要求；2）当室外温度小于室内温度及室外空气焓值小于室内空气焓值时，采用全新风空调，送风机和排风机工频运行，变频多联空调机组同时运行；3）当室外温度低于空调送风温度时，采用全通风运行，送风机和排风机工频运行，变频多联空调机组停止运行。而当设备管理用房发生火灾时，整个系统需立即转入火灾模式运行，变频多联空调机组及与火灾排烟防烟无关的系统停止运行[5]。这样设置不仅灵活地控制了室内环境质量，还最大限度地避免了能源的浪费，在通风系统发生故障阶段还能起备份系统的作用保障全线正常运营、以及保障车站正常运行工况与紧急情况下工况运行的转换。

2分析以往设计中的得失经验总结

从深圳地铁3号线在国内地铁小系统中首次采用备用空调设计[6]以来，国内越来越多的地铁小系统开始设置备用冗余系统，从当初的分体机到如今的变频多联空调系统，虽然各个地方的设置原则不一样，运行模式不尽相同，但是对于其中出现的各种问题进行分析总结对昆明地铁冗余系统设计中避免这些问题十分有必要。常见问题经验主要有总结以下几点：1）冷凝管道漏水的问题。由于地铁站内各种管线交错，安装空间有限，所以很多工程中在多联空调系统的冷凝水系统中采用了冷凝水提升泵。在冷凝水系统中采用冷凝水提升泵无形中增加了维护管理的工作，而且由于提升泵本身有提升高度的限值，很多设计由于没有考虑综合管线时的施工安装往往造成实际安装完后机外排水高度超过提升泵的提升高度造成漏水。对于昆明地铁的小系统，为了尽量使用室外空气，风管往往要比全年使用制冷系统的空调系统要大，因此安装空间更加的紧张，为避免冷凝管漏水的问题，在设计时建议不采用冷凝水提升泵，室内机冷凝水依靠重力来实现排水，因此设置冷凝水排放管排入设备区的离壁墙内的排水沟内，有条件可以直接接入地漏，排放管坡度不小于0.01，避免管道内出现异物堵塞。2）制冷制热工况转换问题。地铁冗余多联系统往往同时也负担管理人员用房的空调，人对于室内环境较为敏感，当然个体之间也有差异，难免会出现预计平均热感觉指数（PMV）为负的情况，尤其是冬季，部分寒冷地区为保证环境卫生及新风要求的送风抵消室内全热后还具有一定热负荷，由此产生了供热需求。然而设备房间常年需要制冷，此时外机同时负担了具有制冷及可能会有的供热需求房间的空调，因此会造成外机出现模式报警，指示室内机故障。昆明地区属于温和地区，虽然人员用房会有一定的供暖需求，但这点需求具有短期性、间歇性且冷负荷特别小；虽然其他地区通过集中统一管理克服了报警问题，但是供暖工况的使用率同样值得商讨。因此昆明地区的地铁冗余多联空调系统采用单冷型多联空调，控制显示器也不具备供暖工况。3）配管过长造成回油困难。地铁车站的管理用房区一般而言具有大小头两端，大端的进深较大，往往从风井到末端房间就已经超过60m的距离。虽然多联空调系统布置灵活配管长度随着技术提升也相应增加，由于地铁多采用风冷型多联空调机组，故其室外机的设置位置一般都在排风井或者室外。从室外机到第一个分歧管的距离一般都接近或超过要求长度的最长距离的一半，而且近端与远端室内机的等效长度也同样有长度限制，部分设计接近限值，但在安装阶段由于管线走管等因素，造成最后安装完后配管过长超出限值，这样的多联空调系统长时间运行容易出现机内堵油，运行EER下降等一系列问题，其主要原因是吸气管管路阻力增加，造成压缩机的吸气压力下降，表现在lgP-h图上就是冷媒从室内机吸热后进入过热区的温度降低，从室内机过热区到气液分离器这段吸气管路易析出机油[7]。因此多联空调系统宜尽量的按区块分拆减少冷媒管路的配管长度，并根据多联机制冷剂管路的实际配管长度对其制冷容量进行修正。

3设计实例

本文截取一个含有冗余多联空调系统的具体车站大端设备管理用房部分用房为例，介绍设计过程[8-9]。

3.1负荷的计算确定

根据工艺专业提供设备散热，室内外计算参数计算出室内余热余湿，计算出房间的冷负荷如表1。

3.2室内外机初步选型

多联空调系统按两套独立室外机设置，信号设备室、信号电源室、综合监控设备室、车站控制室的室内机设置也应为偶数台，按室内机设备编号单、双号分别连在不同的室外机上，管理用房室内机可根据管路布置任意连接一台室外机。因此室内机选型如表2。由于车站控制室为末端房间，单台制冷容量考虑管长负荷配置相对取大，两套室内机额定制冷总容量分别为：35.6kW、31kW。依据地铁站空调使用情况，室内外机容量配比系数为100%~110%，分别计算出所需室外机名义制冷容量为：32.4kW、28.2kW。根据样本选择室外机组PCU-a101额定制冷容量为33.5kW；室外机组PCU-a201额定制冷容量为28kW。

3.3冷量校核

根据室内外机的设置位置高差-5m（室内机高于室外机）和管线配管等效长度115m，查取样本的配管长度及高差综合修正系数为0.84，计算出室外机额定制冷容量不满足所需名义制冷容量，重新选取室外机组PCU-a101额定制冷容量为40kW；室外机组PCU-a201额定制冷容量为33.5kW。3.4系统原理图和平面图图2为冗余变频多联空调系统原理图，图3为冗余变频多联空调系统平面图。

4结语

引入变频多联空调系统作为地铁车站的冗余备用系统对于地铁设备管理用房的空调系统具有重要意义，不仅提高了系统运行的稳定性，其良好的可调节性及管理的智能化都极大的提高了地铁空调运营效果，减少了能源的消耗，其布置灵活的特点也为拥挤的地铁设备管线设计腾出了很大的发挥空间，通过不断的工程积累及设计改进，相信变频多联空调系统能够在更多的地铁车站安全运行，为降低地铁环控系统的能耗做出贡献。

作者:石胡兴 吴馨旎 单位:中国中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司

参考文献

[1]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]北京城建设计研究总院.地铁设计规范(GB50157-2003)[S].北京:中国计划出版社,2003.

[3]北京市规划委员会.地铁设计规范(GB50157-2013)[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[4]崔跃,罗建方.温和地区公共建筑暖通设计优化十题[J].暖通空调,2014,44(9):5-10

[5]中国中铁二院工程集团有限责任公司.昆明地铁三号线工程通风空调技术要求[R].2011.

[6]曾臻,叶冲.地铁小系统备用空调设计探讨[J].制冷与空调,2012,26(1):66-68

[7]姚杨.暖通空调热泵技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[8]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第2版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[9]中国国家标准化管理委员会.多联式空调（热泵）机组应用设计与安装要求(GB/T27941-2011)[S].北京:中国标准出版社,2012.