轨道交通空调设计与选型(一)
详细内容
摘要：本文主要介绍了轨道交通（主要是地铁）站空调的设计要点、冷源形式和机组选型。得出以下结论：①地铁站的空调设计参数、负荷组成与普通民用建筑不同，空调通风占据了更为重要的地位。②地铁站冷源可采用集中式和各站点独立冷源两种形式，应根据具体情况进行选择。③由于轨道交通站主机容量往往按远期负荷考虑，为了确保机组在部分负荷下的运行效率，国内多采用螺杆机。
关键词：集中供冷式冷源 独立冷源 螺杆机
1、引言二十世纪九十年代以来，随着我国城市边缘化规模的不断扩大，城市人口流通量急剧增加，交通拥堵现象日益严重，传统的公共交通工具已经无法满足城市人群日常出行需求。因此运量大、速度快且污染小的轨道交通成为了各大城市解决交通日益紧张问题的必由之路。城市轨道交通建设作为一项投资巨大的基础建设项目，一方面受到国家宏观政策的控制，一方面需要考虑到城市长期规划和发展的切实需求，往往伴随着巨大的投资风险。以武汉市轻轨运行数据显示，轻轨公司每天需55万元收入才能偿付运行费用（包括员工工资、用电电费、每日贷款本息和其它费用），而实际售票收入仅在1.5～3万元之间，这对当地财政是一笔沉重的贴补负担。国内多个城市轨道建设项目的无法计划开工或者叫停，也都与建设资金无法落实相关。因此，轨道交通的规划、设计和运营，应尽力做到经济、实用、安全。
据国内外轨道交通工程对地铁的造价分析，一般土建工程造价占50％～55％；技术设备的建设、购置、安装费用占45％～50％（其中轨道占2％～7％，车辆占13％～17％，机务段占5％～6％，牵引供电占7％～10％，通信信号占10％～12％，其他占1％～4％）。中央空调对于地铁和轻轨车站而言，是必不可少的设备投入，尤其是地铁，其特殊的空调环境也对空调设计提出了不同于地面建筑的要求。在确定空调设计方案以后，我们在空调设备的选择上应当秉承经济合理的原则。以前国内的中央空调市场被国外的几大品牌所垄断，国产中央空调则主要集中在家用和小型商用领域。随着我国中央空调生产技术的不断成熟和完善，目前国内已有多个厂家开始进入大型中央空调机组的研制和销售领域。国产中央空调性能指标和特性并不亚于国外同类产品，而且在特殊产品的定制和服务上，比国外厂家更具优势，所以轨道交通空调设备的国产化是大势所趋。
2、轨道交通站空调设计特点分析2.1 轨道交通的分类和特点
轨道交通可按不同角度分类，按所处的空间位置可分为“地铁”和地面铁路；按所用轨道的轻重可分为“轻轨”和“重轨”。一般来说，运送客流量大的走地下，称为地铁；运量小、主要走地面的为轻轨。
轨道交通具有运量大、污染小、方便快捷的特点。相比而言，地铁的运能大，几乎不受地面气候和交通的影响，但造价高；轻轨的运能较小，但造价较地铁低，受地面交通和气候的影响较大。
2.2 地铁站空调设计特点
车站空调属于舒适性空调的设计范畴。轻轨站位于地面，其空调设计可按照普通车站的设计参数和条件进行设计，这里不再赘述。而地铁基本上与地面环境隔绝，室外大气的温、湿度只对车站空调负荷存在间接的影响。其空调设计参数的选取和空调负荷的计算与常规舒适性空调不同。
2.2.1 空调设计温度地铁站内除工作人员外，其它人员只做短暂停留。为节约能源，只考虑乘客有一个短时间的舒适环境即可。由于人体对环境温度有明显感觉的温差在2℃以上，乘客由地面进入车站，需要经过一个由外界环境温度逐渐过渡到站内温度的过程，这样人体才不会产生忽冷忽热的感觉。以广州地铁一、二号线设计为例[2]：
广州地铁一号线：站厅 t=30℃ φ=45~65% 站台 t=29℃ φ=45~65%
广州地铁二号线：站厅 t=29℃ φ=45~65% 站台 t=27℃ φ=45~65%
这样乘客从地面过站台，直到上车，环境温度变化为33.5℃（广州室外设计温度）[3]→29℃（站厅）→27℃（站台、车内），这样的温度变化是一个卫生舒适的过程。
至于站内管理用房，由于工作人员长时间在内工作，可取常规设计温度tn＝24～27℃。其它设备用房可根据运行和工艺要求来确定设计温、湿度值。
2.2.2 空调负荷组成与计算据文献[1]，列车本身及列车空调的散热约占74％，照明、广告灯箱的散热约占6％，设备（如自动扶梯、售票机等）的散热约占5％，乘客和工作人员的散热约占15％；地铁围护结构周围的土壤能吸收大量的热量并储蓄起来，夏蓄冬放，以调节地铁内空气的温度。根据一些资料记载，此部分热量占地铁产热量的25％～40％。列车本身及列车空调排放的热量扣除传入地铁周围土壤的热量之外，剩余部分由隧道通风系统排到室外。车站内的空调负荷包括站内乘客和工作人员散热、照明散热和其它设备散热量。
从车站的空调负荷组成可看出，地下车站的主要热源来自列车，当站台使用屏蔽门将列车与站台公共区分开时，车站的冷负荷就可以减少为开/闭式车站的1/2～1/3。
2.2.3 站内气流组织车站公共区（也称车站大系统），一般比较狭长，如果只在车站一端设置风柜，那么单条送、回风管就会过长，各个送风口难以实现阻力平衡，送风不均匀。为了避免这一现象，应该在车站两端设置风柜，各自承担大系统空调负荷的1/2，对工作区进行均匀送风。以广州地铁站为例，因为采取集中控制，单一区域空调面积大，所以一个区域的送风量就高达20多万，为了实现各送风口的阻力平衡，确保出风口的余压，除了对风柜本身的强度和控制要求较高之外，更重要的是需要在进行风管设计时，尽量少考虑采用风阀调节（容易产生“拨一发而动千钧”的现象，很难调节），而应该合理设计风管尺寸，依靠风管本身实现自平衡。目前国际上通用的风道计算方法一共有四种：静压复得法、假定速度法、等摩阻法和T算法，对于车站空调这种需要变风量设计的场合，静压复得法是最佳的计算方法。
车站设备管理用房（也称车站小系统），具有工作时间固定（24小时运行），空调负荷较稳定的特点。小系统的空调负荷只占大系统设计值的一小部分，为了管路布置方便 ，小系统的风系统可以和大系统共用。但因为大系统的空调负荷具有明显的不同时段，峰谷时水系统流量变化大，所以小系统的水系统应该独立设置。
地铁隧道通风按位置不同可分为区间隧道通风系统和车站隧道通风系统，按系统形式可分为开式和闭式系统。开式系统是直接将列车运行产生的隧道热风直接引出室外；闭式系统是将车站送、排风道和隧道送、排风道合用，冷负荷由大系统制冷机承担；列车运行时产生活塞效应将站内空调冷风引入隧道，列车停站时，在列车底部和顶部设置局部排风系统，排出列车刹车和顶部空调产生的热量。