梁 艷，唐春華

(1.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133;2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

近年來，伴隨著各城市地鐵的陸續(xù)開通，雖然市民出行交通得到了便利，但沿線部分車站由于周邊用地條件限制及城市快速發(fā)展，冷卻塔設(shè)置位置與周邊的城市景觀不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象逐漸凸顯;冷卻塔塔體的震動(dòng)、散熱、飄水、軍團(tuán)菌污染［1］、噪聲［2－4］等對(duì)周邊建筑和人流干擾也越來越明顯。地鐵車站建成后，因冷卻塔擾民問題遭投訴，最終導(dǎo)致搬遷、改造的事件屢見不鮮。

在國(guó)內(nèi)有關(guān)供冷方式的相關(guān)研究中［5－7］，地鐵車站冷卻塔的布置方式仍以常規(guī)的地面冷卻塔為主，非常規(guī)的各種布置方式也有了一定探索和應(yīng)用。本文主要從對(duì)周邊環(huán)境的影響和技術(shù)特點(diǎn)論述各種情況下冷卻塔布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)。在距離敏感點(diǎn)較近或沒有合適位置布置地面冷卻塔的車站，在方案比選初期，上述對(duì)比就不能滿足確立方案的判定依據(jù)。對(duì)各種布置方式的深入探討及對(duì)比研究就顯得尤為重要。本文除了對(duì)上述2方面進(jìn)行詳細(xì)比較外，還對(duì)各種布置方式的初投資、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用進(jìn)行了分析，全面地對(duì)各種方案進(jìn)行綜合論述。

1 系統(tǒng)方案

國(guó)內(nèi)地鐵車站空調(diào)制冷方式分為分站制冷和集中制冷2種方式。冷卻塔被廣泛用于冷卻空調(diào)制冷裝置的冷卻水，通過水與空氣直接或間接的熱質(zhì)交換來達(dá)到冷卻目的。其過程是:熱水從塔內(nèi)上部噴淋而下，經(jīng)填料層分割成水滴微粒，與此同時(shí)，塔頂?shù)某轱L(fēng)機(jī)將自然風(fēng)自進(jìn)風(fēng)口處吸入，經(jīng)過水滴微粒的表面將水中的熱量帶走。

地鐵線路穿越繁華地段時(shí)，地面冷卻塔的設(shè)置既要易于配管和配電、空間上方便操作維護(hù)和檢修，又要考慮對(duì)建筑物的視覺感官、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)環(huán)境的影響及用地成本等因素，導(dǎo)致冷卻塔的選址越來越困難。而設(shè)計(jì)者對(duì)冷卻塔設(shè)置突破常規(guī)布置方式的探索和應(yīng)用是解決工程矛盾的重要手段，以下對(duì)各種優(yōu)化方案進(jìn)行研究比較。

1.1 地面冷卻塔

地面冷卻塔設(shè)置在地面，塔體周邊空氣暢通，可以保證塔體與室外空氣進(jìn)行充分的熱交換。常用的是橫流式低噪聲冷卻塔，流量一般≤400 m3/h。地面冷卻塔布置形式常與景觀結(jié)合，如圖1和圖2所示。這種方式換熱效率高、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、檢修維護(hù)方便，但部分車站由于地面條件限制，會(huì)產(chǎn)生以下幾個(gè)方面的問題。

圖1 與廣場(chǎng)結(jié)合冷卻塔Fig.1 Arranging cooling tower by combining with the square

圖2 出入口邊冷卻塔Fig.2 Arranging cooling tower nearby the entrance of Metro station

1)GB/T 7190.1—2008《玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔》［8］要求，冷卻塔產(chǎn)品本身噪聲值≤66 dB(A)。GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［9］規(guī)定的功能區(qū)4a類晝間標(biāo)準(zhǔn)為70 dB(A)，夜間標(biāo)準(zhǔn)值為55 dB(A)。地鐵項(xiàng)目中，環(huán)境評(píng)價(jià)報(bào)告一般要求冷卻塔與周邊建筑物距離滿足≥15 m時(shí)，冷卻塔傳播噪聲的衰減會(huì)達(dá)到功能區(qū)的要求，但有敏感建筑物時(shí)，距離要求更大，這使冷卻塔選址更加困難。

2)當(dāng)車站周邊地面無冷卻塔設(shè)置條件時(shí)，將冷卻塔設(shè)置在風(fēng)亭頂部，這將破壞城市景觀，且不利于運(yùn)營(yíng)維護(hù)、檢修。

3)冷卻塔靠近人行道設(shè)置時(shí)，飄水和散熱會(huì)對(duì)行人產(chǎn)生不利影響。

4)塔體在長(zhǎng)期使用后會(huì)滋生軍團(tuán)菌，對(duì)空氣產(chǎn)生污染，進(jìn)而影響周邊居民及行人健康。

1.2 下沉式冷卻塔

下沉式冷卻塔塔體全部或部分設(shè)置在地下基坑內(nèi)，塔體距離基坑四周留有必要的進(jìn)風(fēng)空間，風(fēng)速滿足冷卻塔的進(jìn)風(fēng)要求。若下沉基坑較深，冷卻塔出風(fēng)則需加裝倒流彎頭以減小熱回流的影響。下沉式冷卻塔如圖3所示。

圖3 下沉式冷卻塔Fig.3 Sunk cooling tower

其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地面景觀、周邊住戶與行人的散熱、噪聲影響較小;缺點(diǎn)是占地面積大、在基坑內(nèi)易形成熱回流，導(dǎo)致冷卻塔換熱效率降低。根據(jù)冷卻塔廠家相關(guān)資料，基坑必須保證塔體周邊凈空至少滿足2 m，因此下沉基坑往往需要開挖得很大。

下沉式冷卻塔在深圳地鐵、上海地鐵、廣州地鐵都已投入運(yùn)行，基本可以滿足空調(diào)水系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

1.3 地下封閉式冷卻塔

封閉式冷卻塔設(shè)置在地下封閉空間內(nèi)，通過進(jìn)、排風(fēng)亭進(jìn)行熱量交換，在上海地鐵和成都地鐵中已經(jīng)有應(yīng)用。

其優(yōu)點(diǎn)是解決了冷卻塔放置在地面的各種問題;缺點(diǎn)是增大了地面風(fēng)亭體量，增加了土建造價(jià)，冷卻塔換熱效率較差，導(dǎo)致設(shè)備初投資及運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用增加。

目前有3種地下封閉式冷卻塔的設(shè)置方案。

1)方案1。采用新風(fēng)亭進(jìn)風(fēng)，冷卻塔出口結(jié)合地面設(shè)置，直接排向大氣。塔體出口可結(jié)合地面綠化隱蔽布置，對(duì)城市景觀影響較小。具體布置情況見圖4。

2)方案2。采用新風(fēng)亭進(jìn)風(fēng)，冷卻塔出口排風(fēng)通過風(fēng)管集中排至排風(fēng)井，由排風(fēng)亭統(tǒng)一排到大氣中。并在新、排風(fēng)井設(shè)置風(fēng)機(jī)，當(dāng)自然通風(fēng)無法滿足冷卻塔參數(shù)設(shè)定值時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械送、排風(fēng)。由于采用側(cè)進(jìn)上排式冷卻塔，對(duì)地下空間凈高要求較高。具體布置情況見圖5。

圖4 方案1:地下封閉式冷卻塔Fig.4 Closed underground cooling tower:Option I

圖5 方案2:地下封閉式冷卻塔Fig.5 Closed underground cooling tower:Option II

3)方案3。與第2種設(shè)置方式基本一致。不同的是采用側(cè)進(jìn)側(cè)排式冷卻塔或離心風(fēng)機(jī)側(cè)面壓入式進(jìn)風(fēng)上部排風(fēng)冷卻塔，可以有效降低地下空間凈高要求。側(cè)進(jìn)側(cè)排式冷卻塔由于只有一側(cè)進(jìn)風(fēng)，其換熱效率比兩側(cè)進(jìn)風(fēng)大為降低，導(dǎo)致冷卻塔的用地面積加大。離心風(fēng)機(jī)側(cè)面壓入式進(jìn)風(fēng)上部排風(fēng)冷卻塔排風(fēng)壓頭較高，無需在風(fēng)井設(shè)置輔助排風(fēng)機(jī)就能將熱氣排出室外，但是由于冷卻塔排風(fēng)量大，當(dāng)提高風(fēng)機(jī)壓頭后引起電機(jī)功率較大幅增大，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。這種布置方式在實(shí)際工程中應(yīng)用甚少。

1.4 蒸發(fā)式冷水機(jī)組

蒸發(fā)式冷水機(jī)組［10－12］是把冷卻塔和冷凝器合二為一，取消了冷卻水系統(tǒng)，減少了冷卻水與冷媒之間能量傳遞的損失。

蒸發(fā)式冷水機(jī)組已取消冷卻塔設(shè)置，因此冷凝排風(fēng)成為對(duì)環(huán)境影響的主要因素。由于單位冷量機(jī)組的冷凝排風(fēng)量為冷卻塔排風(fēng)量的60% ～70%，風(fēng)量較小，機(jī)組可以在室內(nèi)安裝，并設(shè)置風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng)。

蒸發(fā)式冷水機(jī)組在民用領(lǐng)域已有應(yīng)用，并有成熟的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，但在地鐵領(lǐng)域還處于方案研究和實(shí)際落實(shí)階段，已在北京地鐵改造、重慶地鐵、武漢地鐵部分車站得到了應(yīng)用。其布置如圖6和圖7所示。

2 方案比選

集中供冷在廣州地鐵中已有應(yīng)用，并進(jìn)行了各方面經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，是一套相對(duì)成熟的系統(tǒng)，本文不再詳細(xì)介紹。下文以分站供冷為前提，對(duì)解決冷卻塔問題的各種方案進(jìn)行比較分析。

以一個(gè)2層的標(biāo)準(zhǔn)地下站為例:車站總計(jì)算冷量為2×680 kW，機(jī)組冷凍水側(cè)的溫差為7/12℃、冷卻水側(cè)溫差為32/37℃，計(jì)算冷凍水量為2×117 m3/h，冷卻水量為2×140 m3/h，冷卻塔流量為2×196 m3/h。

圖6 蒸發(fā)式冷水機(jī)組示意圖Fig.6 Evaporative chiller

圖7 蒸發(fā)式冷水機(jī)組布置示意圖Fig.7 Layout of evaporative chiller

以下對(duì)不同布置方式的冷卻塔方案從對(duì)周邊環(huán)境的影響、技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)備及土建造價(jià)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等方面進(jìn)行分析比較。對(duì)周邊環(huán)境的影響比較見表1，技術(shù)特點(diǎn)比較見表2，工程初投資情況比較見表3，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比較見表4。

表1 對(duì)周邊環(huán)境影響比較Table 1 Influence of different cooling tower arrangement modes on surrounding environment

通過表1的比較可以看出，地面冷卻塔對(duì)城市景觀及地鐵周邊環(huán)境噪聲影響最大。若地面冷卻塔設(shè)置位置距離敏感點(diǎn)較近，一般可根據(jù)噪聲源的位置采取有針對(duì)性的處理措施。噪聲源主要為冷卻塔風(fēng)機(jī)噪聲和冷卻塔進(jìn)風(fēng)口傳播的淋水噪聲。根據(jù)產(chǎn)生原因可在以下幾方面采取措施:1)冷卻塔頂部風(fēng)機(jī)出風(fēng)口增加消聲器;2)在冷卻塔與敏感點(diǎn)間增設(shè)百葉式隔聲吸聲屏障;3)冷卻塔落水盤增加消聲毯等。以上措施均可有效降低冷卻塔傳播的噪聲，在工程中均有實(shí)施的案例。

表2 技術(shù)特點(diǎn)比較Table 2 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of technical features

通過表2的比較可以看出，各布置方式在技術(shù)上均可行。封閉式冷卻塔是以犧牲能耗為代價(jià)來減少塔體對(duì)周邊的各種不利影響，并增加維護(hù)費(fèi)用;下沉式冷卻塔需考慮足夠的換氣空間，往往需較大的基坑來滿足換熱效果;蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組在地下封閉空間運(yùn)行暫無工程實(shí)例，機(jī)組尺寸大，對(duì)設(shè)備的運(yùn)輸、檢修、維護(hù)、使用壽命都無經(jīng)驗(yàn)借鑒，其他地鐵也只在嘗試階段。

表3中各方案的設(shè)備單價(jià)是通過市場(chǎng)詢價(jià)取得。通過初投資比較發(fā)現(xiàn):地面冷卻塔造價(jià)最低，封閉式造價(jià)最高，下沉式造價(jià)居中，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組造價(jià)稍高于地面冷卻塔。

表3 工程初投資匯總表Table 3 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of initial investment 萬元

表4 運(yùn)營(yíng)費(fèi)用匯總表Table 4 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of operation cost

表4中運(yùn)營(yíng)費(fèi)用按車站每天運(yùn)行18 h，全年空調(diào)水系統(tǒng)同時(shí)使用系數(shù)0.6，電價(jià)按0.68元/(kW·h)計(jì)算。通過比較發(fā)現(xiàn)，地面冷卻塔造價(jià)最低，封閉式中采用離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用最高，下沉式運(yùn)營(yíng)費(fèi)用居中，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組稍低于地面冷卻塔。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)各方案經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，對(duì)地鐵車站，建議采用因地制宜策略。

1)優(yōu)先采用地面冷卻塔方案。對(duì)于距離敏感點(diǎn)過近的冷卻塔，可在方案階段加入降噪處理措施。

2)當(dāng)影響地面景觀，且具備綠化條件時(shí)，可采用下沉式冷卻塔。

3)當(dāng)?shù)孛鏃l件困難，可采用封閉式冷卻塔和集中供冷方式。

4)蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組方案從長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的角度是整體投資最低的方案。由于在地鐵中沒有得到廣泛應(yīng)用，特別是在封閉的環(huán)境下無準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，還需要在設(shè)備安裝、運(yùn)輸維護(hù)、運(yùn)行安全、噪聲控制等方面積累經(jīng)驗(yàn)。

隨著城市化進(jìn)程步伐的加快和人們對(duì)生活環(huán)境、品質(zhì)要求的不斷提高，地鐵工程的冷卻塔暴露出的擾民問題越來越明顯。為了減少地鐵建設(shè)與環(huán)境保護(hù)、規(guī)劃等的協(xié)調(diào)工作，減少對(duì)市民的擾動(dòng)，在地鐵建設(shè)的前期方案中應(yīng)根據(jù)環(huán)境評(píng)價(jià)要求，以人為本，針對(duì)地鐵車站的規(guī)模、形式采取適當(dāng)?shù)睦鋮s塔布置方式及對(duì)應(yīng)的措施，摒棄以往地鐵建設(shè)被動(dòng)情況為設(shè)計(jì)方案主動(dòng)，真正做到設(shè)計(jì)先行，從而避免建成后的改造及搬遷。同時(shí)，在新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)的現(xiàn)代社會(huì)，應(yīng)用于地鐵行業(yè)的冷卻技術(shù)的進(jìn)步必將為地鐵建設(shè)帶來新的突破。

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