涂旭煒

(廣州中咨城軌工程咨詢有限公司，廣州 510030)

0 引言

我國城市軌道交通處于建設(shè)高峰期，目前有近30個城市在建設(shè)中，同時有多個城市在開展前期研究與項目申報。城市軌道交通的運營將會大大改善城市交通環(huán)境，為市民出行提供方便、快捷、舒適的服務(wù);同時，項目建設(shè)將消耗大量資源，運營將消耗大量能源。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是軌道交通能源消耗大戶之一，能源消耗點主要為系統(tǒng)設(shè)備(冷水機組、空調(diào)機組、通風(fēng)機、水泵、冷卻塔等)，設(shè)備選型的合理性對系統(tǒng)能耗具有關(guān)鍵影響。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型基于設(shè)計參數(shù)，在參數(shù)確定過程中，先通過系統(tǒng)確定計算值，然后在計算值上計入適當(dāng)?shù)倪x型附加系數(shù)以確定設(shè)備最終參數(shù)。影響設(shè)備參數(shù)的主要因素有系統(tǒng)方案的合理性、計算參數(shù)的準(zhǔn)確性、選型附加系數(shù)取值的合理性等。本文就設(shè)備選型附加系數(shù)進行探討，期望為城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)選擇合適設(shè)備提供參考。

1 設(shè)計規(guī)范、手冊、技術(shù)措施等對選型附加系數(shù)的規(guī)定

GB 50159—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》、《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施》等對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型參數(shù)附加系數(shù)作出了相關(guān)規(guī)定，主要規(guī)定歸納如表1［1-3］所示。

表1 設(shè)計規(guī)范、手冊、技術(shù)措施對附加系數(shù)規(guī)定匯總表Table 1 Addition coefficients provided in related existing design codes，handbooks and technical measures

從表1可看出，在規(guī)定設(shè)備選型附加系數(shù)時有以下特點:

1)風(fēng)系統(tǒng)按特性進行了分類，根據(jù)系統(tǒng)特性不同，設(shè)備選型時的附加系數(shù)取值存在差異;

2)通風(fēng)機采用變頻調(diào)速時，只對電動機的功率在計算值上進行了修正;

3)設(shè)計手冊、設(shè)計技術(shù)措施給出的附加系數(shù)在水泵上略有不同。

同時，《設(shè)計手冊》對水泵采用并聯(lián)運轉(zhuǎn)時的流量折減提出了相應(yīng)要求，選型時可參照執(zhí)行。

2 相關(guān)城市軌道交通工程設(shè)計技術(shù)要求對設(shè)備選型附加系數(shù)的規(guī)定

表2為國內(nèi)較具有代表性軌道交通線路的設(shè)計技術(shù)要求(包含已投入運營線路、已完成施工圖設(shè)計正在進行工程建設(shè)線路、正處于設(shè)計階段線路等)對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型附加系數(shù)規(guī)定的匯總表。

從表2可以看出，各工程在對設(shè)備選型附加系數(shù)作規(guī)定時存在以下問題:

1)系數(shù)取值及修正內(nèi)容不盡相同，且與規(guī)范、手冊、措施規(guī)定不一致;

表2 相關(guān)城市軌道交通工程設(shè)計技術(shù)要求對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型附加系數(shù)匯總表Table 2 Addition coefficients of ventilation and air conditioning equipment selection provided in technical design measures for urban rapidrail transit works in relevant cities

2)未考慮通風(fēng)機采用變頻調(diào)速時電機功率的修正;

3)水泵并聯(lián)運行時大部分線路沒有考慮流量的折減修正;

4)相關(guān)工程對空調(diào)機組的冷量不必要進行修正;

5)在修正壓力時，空調(diào)機組應(yīng)為機外余壓、通風(fēng)機應(yīng)為全壓，大部分工程未進行區(qū)分;

6)都未考慮冷卻塔流量如何修正。

3 選型附加系數(shù)取值分析及建議

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備有空調(diào)機組、通風(fēng)機、冷水機組、冷卻塔、水泵等。選型時可能需要修正的參數(shù):空調(diào)機組為冷量、風(fēng)量、機外余壓、風(fēng)機電機軸功率;通風(fēng)機為風(fēng)量、風(fēng)機全壓、風(fēng)機電機軸功率;冷水機組為冷量;冷卻塔為水流量;水泵為流量、揚程、水泵電機軸功率。

3.1 計入附加系數(shù)的原因分析

目前普遍認(rèn)為需要修正的主要原因為:避免計算值偏小的修正;對系統(tǒng)客觀存在缺陷的修正。

3.1.1 計算不準(zhǔn)確因素

當(dāng)前許多設(shè)計對設(shè)備選型參數(shù)只做簡單估算，然后計入附加系數(shù)來確定最終參數(shù)，這種簡單工作方法在設(shè)計中應(yīng)予避免。由于設(shè)備選型未做詳細計算及分析，從相關(guān)工程調(diào)試過程來看，往往實測參數(shù)比所選型設(shè)備參數(shù)(尤其是流量、壓力/揚程)偏大，造成了不必要浪費，同時給調(diào)試及運行帶來相關(guān)問題(如設(shè)備壓頭選擇過大，設(shè)備過載運行、電機發(fā)熱嚴(yán)重，以至影響電機正常使用壽命)。該因素不屬于正常的設(shè)計方法，本文不做詳細討論。

3.1.2 系統(tǒng)客觀存在缺陷因素

在系統(tǒng)運行過程中，考慮到風(fēng)管和設(shè)備漏風(fēng)可能導(dǎo)致室內(nèi)參數(shù)(溫度、相對濕度、風(fēng)速、有害物濃度等)達不到設(shè)計和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，為了彌補漏風(fēng)可能產(chǎn)生的不利影響，選擇通風(fēng)機、空調(diào)機組時會考慮一定的附加系數(shù)。同時，對通風(fēng)機、水泵并聯(lián)運行流量折減進行修正;設(shè)備運行環(huán)境與產(chǎn)品的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在差異的修正(如冷卻塔等)。

3.2 流量、壓力/揚程、軸功率間的關(guān)系式

3.2.1 水泵

設(shè)水泵計算流量G，m3/h;計算揚程H，m;軸功率NZ，kW。采用當(dāng)量局部阻力法［4］有以下關(guān)系式:

式中S為水管系統(tǒng)的管道特性系數(shù)，與系統(tǒng)的局部阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)、管徑、管道長度等相關(guān)，當(dāng)水系統(tǒng)方案穩(wěn)定后，S是一個常數(shù)。

同時有以下關(guān)系式:

式中:ρ為水密度，1 000 kg/m3;η為水泵效率，一般為0.5～0.8;S′為綜合管道特性系數(shù)。

從上述關(guān)系式可以看出:水泵的流量、揚程、軸功率之間相互關(guān)聯(lián)，在修正其中一個參數(shù)時，其他關(guān)聯(lián)參數(shù)將會隨之變化，如修正流量時，揚程將以平方關(guān)系變化、軸功率將以立方關(guān)系變化。

3.2.2 通風(fēng)機(含空間機組的通風(fēng)機)

設(shè)通風(fēng)機計算風(fēng)量Q，m3/h;計算全壓p，Pa;軸功率NZ，kW。當(dāng)風(fēng)系統(tǒng)方案穩(wěn)定后，按照水系統(tǒng)的方式類比，同樣可得出下列關(guān)系式［2］:

式中:η為風(fēng)機效率;ηm為風(fēng)機的傳動效率(電動機直連為100%、聯(lián)軸器連接為98%、三角皮帶傳動為95%);S′為綜合管道特性系數(shù)。

從上述的關(guān)系式可以看出，通風(fēng)機的風(fēng)量、壓力、軸功率之間相互關(guān)聯(lián)，在修正其中一個參數(shù)時，其他關(guān)聯(lián)參數(shù)將會隨之變化。

3.3 各設(shè)備選型附加系數(shù)分析

表1，2都對同一臺設(shè)備給予了多個參數(shù)修正，從式(1)—(4)來看，設(shè)備各參數(shù)間是相互關(guān)聯(lián)的，當(dāng)對一個參數(shù)修正后，設(shè)備運行過程中其他參數(shù)將會自動實現(xiàn)調(diào)整;因此，建議在選型時，對同一臺設(shè)備只對其中一個主要參數(shù)實施修正，這樣選擇的設(shè)備不但能滿足系統(tǒng)運行要求，同時可以避免多個參數(shù)修正后設(shè)備容量的重復(fù)加大。下面對通風(fēng)空調(diào)各類設(shè)備選型的附加系數(shù)進行分析。

3.3.1 冷水機組

冷水機組可能需要修正的參數(shù)為冷量。冷水機組容量由空調(diào)空間的冷負荷，風(fēng)系統(tǒng)空調(diào)機組風(fēng)機溫升、送風(fēng)管道的冷量損失，水系統(tǒng)水泵溫升、水管冷損失等幾大部分組成。

3.3.1.1 冷負荷附加系數(shù)K1

當(dāng)冷源供冷范圍確定后，最合理的冷源負荷計算方法是將整個供冷范圍作為一個“大房間”、綜合圍護結(jié)構(gòu)、人員、照明、設(shè)備、新風(fēng)等各類熱濕負荷同時進行逐時計算［5］。

但軌道交通車站空調(diào)負荷計算時難以將整個車站看成一個“大房間”來計算。常用的計算方法:首先，將車站公共區(qū)域看作一個“大房間”進行逐時負荷計算，以獲得公共區(qū)的空調(diào)負荷(大系統(tǒng)空調(diào)負荷);然后，對設(shè)備管理用房的各需要空調(diào)房間進行負荷計算，將各空間負荷合計以獲得設(shè)備管理用房空調(diào)的負荷(小系統(tǒng)負荷);最后，將大、小系統(tǒng)負荷進行疊加以獲總冷負荷。

從上面的計算方法可看出，大系統(tǒng)與小系統(tǒng)的負荷間、小系統(tǒng)各個空間負荷間會存在逐時負荷最大值不發(fā)生在同一時間區(qū)域的情況，形成了不同時間段的負荷疊加，使得計算結(jié)果比實際值偏大。由于常規(guī)計算方法的缺陷，據(jù)經(jīng)驗，在確定冷源容量時應(yīng)給予的附加系數(shù)K1=90%左右。

3.3.1.2 空調(diào)機組風(fēng)機溫升、送風(fēng)管道的冷量損失附加系數(shù)K2

1)風(fēng)機溫升冷損失附件率估算。以大系統(tǒng)組合式空調(diào)機組為例，對常規(guī)的車站，一般組合式空調(diào)機組風(fēng)機全壓在650～700 Pa(機組機外余壓450～500 Pa)，電機效率按80%計算，電機安裝在組合式空調(diào)機組內(nèi)，此時送風(fēng)溫升約為△t=0.82℃［3］，送風(fēng)溫差一般為10℃，則大系統(tǒng)風(fēng)機溫升冷損失附加率約為0.82/10=8.2%;而小系統(tǒng)空調(diào)機組的全壓相對小于大系統(tǒng)，風(fēng)機溫升冷損失的附加率在5%［5］左右。按照常規(guī)車站采用屏蔽門系統(tǒng)時，大小系統(tǒng)負荷比例為70%∶30%計算的話，整個車站由于風(fēng)機溫升造成的冷損失附加率= 8.2%×70%+5%×30%=7.24%。

2)送風(fēng)管道冷損失附加率分析。由于大、小系統(tǒng)的空調(diào)送、回管均布置在車站內(nèi)部，在選擇冷源容量作空調(diào)負荷計算時，將整個車站看作一個“大房間”來計算，風(fēng)管的冷損失也是散發(fā)在“大房間”內(nèi)部，因此，分管的冷損失的附加在此不應(yīng)計算。

綜合上述風(fēng)機、風(fēng)管的冷損失的附加率后，K2=7.24%。

3.3.1.3 水泵溫升、水管冷損失附加系數(shù)K3

1)水泵溫升冷損失附加率估算。以分站供冷方式為例，冷凍水泵的揚程在30 m以下可以滿足要求，當(dāng)水泵效率在80%左右時，則水泵引起冷凍水溫升約為0.09℃［3］，常規(guī)系統(tǒng)冷水機組供、回水溫差取5℃(供水7℃、回水12℃)，則冷凍水泵溫升冷損失附加率=0.09/5=1.8%。

2)水管溫升冷損失附件率分析。由于水系統(tǒng)的水管均布置在車站內(nèi)部，在選擇冷源容量作空調(diào)負荷計算時，將整個車站看作一個“大房間”來計算，水管的冷損失也散發(fā)在“大房間”內(nèi)部。因此，水管的冷損失的附加在此不應(yīng)計算。

綜合上述水泵、水管管的冷損失的附加率后，K3=1.8%。

對于集中供冷系統(tǒng)，由于二級泵的揚程較大、冷凍水管敷設(shè)很長，其冷損失應(yīng)通過詳細的計算來確定，在此不作詳細分析。

綜合上述K1，K2，K3，冷水機組選型附加系數(shù)K=K1+K2+K3=0.990 4，取K=1.0。

3.3.2 通風(fēng)機

通風(fēng)機可能需要修正的參數(shù)為風(fēng)量、全壓、電機軸功率。對全壓可考慮進行適當(dāng)?shù)男拚?風(fēng)量修正主要是考慮風(fēng)管的漏風(fēng)因素，而軌道交通車站通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管大部分布置在通風(fēng)空間室內(nèi)，同時對風(fēng)壓進行修正將引起風(fēng)量的相應(yīng)變化，建議不對風(fēng)量進行修正。因此，建議對通風(fēng)空調(diào)及排煙系統(tǒng)通風(fēng)機，采用定速運轉(zhuǎn)時只修正風(fēng)機的壓力，參照表1，取壓力修正系數(shù)KP=1.15較為合適;當(dāng)采用變頻調(diào)速時只修正電機軸功率，參照表1，取軸功率修正系數(shù)KN=1.15～1.2較為合適。

風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)方案穩(wěn)定后，從式(3)中可看出，S是常數(shù)，當(dāng)修正后的壓力p′=1.15 p時，存在關(guān)系式:Q′=，即實際上風(fēng)量進行了KQ=1.072的修正。

當(dāng)通風(fēng)機采用變頻調(diào)速時，風(fēng)量、風(fēng)壓可采用調(diào)節(jié)電機電源頻率來實現(xiàn)，為了防止頻率調(diào)高時電機過載運行，需對通風(fēng)機軸功率進行適當(dāng)?shù)男拚．?dāng)取KN= 1.15～1.2時，根據(jù)式(4)可得關(guān)系式:

實際上風(fēng)量進行了KQ=1.048～1.063的修正、風(fēng)壓發(fā)生了Kp=1.098～1.13的修正。

3.3.3 空調(diào)機組

空調(diào)機組可能需要修正的參數(shù)為冷量、機外余壓、風(fēng)量、電機軸功率?？照{(diào)機組的通風(fēng)機參數(shù)修正見“3.3.2”中的分析。對于冷量的修正，由于冷負荷計算值采用逐時負荷的最大值，而系統(tǒng)處于最大負荷運行時段比例不大;同時，當(dāng)通風(fēng)機風(fēng)壓修正后會引起風(fēng)量和空調(diào)機組供冷量變化，不應(yīng)再對計算負荷進行修正。因此，空調(diào)機組建議只對其機外余壓進行修正，其他參數(shù)不作調(diào)整。

3.3.4 水泵

水泵可能需要修正的參數(shù)為流量、揚程、電機軸功率。此處只討論分站供冷工況，分站供冷的水系統(tǒng)一般采用一次泵、定轉(zhuǎn)速運行為宜，也不考慮水泵的變頻調(diào)節(jié)工況，因此不考慮電機軸功率的修正。

水系統(tǒng)水管不應(yīng)存在滲漏損失，流量不應(yīng)進行修正;對于水泵參數(shù)的修正，可參考通風(fēng)機的修正方案，其原理相同，在此不做詳細討論。因此，建議只對水泵的揚程進行修正，取Kp=1.15，水泵的流量不應(yīng)再作修正。此處的附加系數(shù)是指系統(tǒng)單臺水泵運行的修正，當(dāng)水系統(tǒng)采用多臺水泵并聯(lián)運行時，對其流量應(yīng)進行折減修正。

3.3.5 冷卻塔

冷卻塔可能需要修正的參數(shù)為水流量。冷卻塔的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況(非工業(yè)型)為［2］:進水溫度37℃，出水溫度32℃，設(shè)計溫差5℃，濕球溫度28℃，干球溫度31.5℃，大氣壓力99.4 kPa。

軌道交通空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計工況普遍采用冷水機組進水溫度32℃，出水溫度37℃，進出水溫差5℃，在冷卻塔選型時可作為恒定條件。冷卻塔的散熱主要是通過冷卻水的蒸發(fā)、水由液態(tài)變氣態(tài)的相變吸熱來達到冷卻水降溫的目的。而水的蒸發(fā)量與空氣的含濕量密切相關(guān)，空氣的濕球溫度是影響冷卻塔水蒸發(fā)的關(guān)鍵因素，也是冷卻塔選型應(yīng)重點關(guān)注的因素。

根據(jù)全國各城市的室外氣象資料［2］，目前正在進行的軌道交通建設(shè)或規(guī)劃城市，長江流域以南城市的夏季室外計算干球溫度(空調(diào))普遍超過冷卻塔的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況的31.5℃;而夏季空調(diào)室外計算空氣濕球溫度超過冷卻塔的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況28℃的城市有南京、合肥、南昌、福州、武漢、長沙等地。因此，冷卻塔在選型時應(yīng)對比當(dāng)?shù)氐氖彝鈿庀髤?shù)與冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況，然后通過計算來確定冷卻塔實際需要的流量。由于冷卻塔選型計算過程較為復(fù)雜，可參考冷卻塔參考資料中的選型曲線進行計算。

3.4 各設(shè)備附加系數(shù)取值建議值匯總

通過“3.3”分析，對城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型附件系數(shù)建議的匯總見表3。

表3 城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備選型附加系數(shù)建議值匯總表Table 3 Proposed addition coefficients in ventilation and air conditioning equipment selection in urban rapid rail transit program

4 舉例計算不同附加系數(shù)取值存在的差異

利用地下車站大系統(tǒng)作為算例:空調(diào)季節(jié)大系統(tǒng)每d運行17 h(6:00—23:00)，電費按照1元/(kW· h)計算(只按照軸功率計算)?；?排機、空調(diào)機組(各2臺)采用定速運轉(zhuǎn)，通風(fēng)機計算風(fēng)量為30 000 m3/h、計算風(fēng)機全壓為500 Pa;空調(diào)機組計算風(fēng)量為40 000 m3/h、計算機外余壓為500 Pa(設(shè)機組本身風(fēng)壓損失200 Pa，則風(fēng)機全壓為700 Pa)、冷量300 kW。軸功率計算:空調(diào)機組配置高效離心風(fēng)機，η一般為70%～85%，取η=75%，電機與風(fēng)機采用三角皮帶傳動，ηm= 95%;回/排風(fēng)機采用軸流風(fēng)機，η一般不超過90%，取η=85%，電機與風(fēng)機采用直聯(lián)傳動，ηm=100%。設(shè)備選型附加系數(shù)取值按照下面3種模式:

按文中推薦方案:只對通風(fēng)機全壓、空調(diào)機組機外余壓進行修正，取K=1.15。

按設(shè)計規(guī)范、手冊、技術(shù)措施規(guī)定方案:參見表1中“匯總”欄，通風(fēng)機風(fēng)量取K=1.1，全壓取K=1.15;空調(diào)機組風(fēng)量取K=1.1，機外余壓取K=1.15。

按軌道交通設(shè)計技術(shù)要求規(guī)定方案:參見表2中“匯總”欄，通風(fēng)機風(fēng)量取K=1.1，全壓取K=1.2;空調(diào)機組風(fēng)量取K=1.1，機外余壓取K=1.2，冷量K=1.15。

大系統(tǒng)按照各種附加系數(shù)調(diào)整后的設(shè)備參數(shù)及運行費用見表4。

表4 不同附加系數(shù)方案大系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)及運行費用對比表Table 4 Comparison and contract of parameters and cost of equipment with different addition coefficients

5 結(jié)論與討論

根據(jù)軌道交通工程通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運行環(huán)境及系統(tǒng)特性的分析，對于冷水機組，由于車站負荷主要受客流的影響，且冷負荷(尤其是大系統(tǒng))逐時最大值基本同時發(fā)生，建議機組選型負荷可直接采用計算負荷;對流體輸送設(shè)備(如通風(fēng)機、水泵)，建議只對風(fēng)壓(揚程)進行修正，不宜再對風(fēng)量(水流量)進行修正;冷卻塔選型時，應(yīng)對比實際的室外氣象參數(shù)與冷卻塔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)的差異，通過計算來確定冷卻實際流量。

對于通風(fēng)機、水泵，按照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范、手冊、技術(shù)措施等規(guī)定，均要求對風(fēng)量(流量)、風(fēng)壓(揚程)同時進行修正。經(jīng)過文中分析，由于參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，風(fēng)壓(揚程)修正后風(fēng)量(水流量)也隨著發(fā)生調(diào)整，因此文中建議不再對風(fēng)量(水流量)進行修正，該觀點是否合適希望同行探討。

［1］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50159—2003 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2004:47-48.

［2］ 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:187-2056.

［3］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施:暖通空調(diào)·動力［S］.北京:中國計劃出版社，2009:63-157.

［4］ 賀平，孫剛.供熱工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1993:67-68.

［5］ 涂旭煒.對確定制冷容量的幾點想法［J］.暖通空調(diào)，1992 (4):24-44.