地铁车站空调系统冷却塔设置方式对地面环境影响分析

梁 艳，唐春华

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133;2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518000)

0 引言

近年来，伴随着各城市地铁的陆续开通，虽然市民出行交通得到了便利，但沿线部分车站由于周边用地条件限制及城市快速发展，冷却塔设置位置与周边的城市景观不协调的现象逐渐凸显;冷却塔塔体的震动、散热、飘水、军团菌污染［1］、噪声［2－4］等对周边建筑和人流干扰也越来越明显。地铁车站建成后，因冷却塔扰民问题遭投诉，最终导致搬迁、改造的事件屡见不鲜。

在国内有关供冷方式的相关研究中［5－7］，地铁车站冷却塔的布置方式仍以常规的地面冷却塔为主，非常规的各种布置方式也有了一定探索和应用。本文主要从对周边环境的影响和技术特点论述各种情况下冷却塔布置方式的优缺点。在距离敏感点较近或没有合适位置布置地面冷却塔的车站，在方案比选初期，上述对比就不能满足确立方案的判定依据。对各种布置方式的深入探讨及对比研究就显得尤为重要。本文除了对上述2方面进行详细比较外，还对各种布置方式的初投资、运营费用进行了分析，全面地对各种方案进行综合论述。

1 系统方案

国内地铁车站空调制冷方式分为分站制冷和集中制冷2种方式。冷却塔被广泛用于冷却空调制冷装置的冷却水，通过水与空气直接或间接的热质交换来达到冷却目的。其过程是:热水从塔内上部喷淋而下，经填料层分割成水滴微粒，与此同时，塔顶的抽风机将自然风自进风口处吸入，经过水滴微粒的表面将水中的热量带走。

地铁线路穿越繁华地段时，地面冷却塔的设置既要易于配管和配电、空间上方便操作维护和检修，又要考虑对建筑物的视觉感官、运转时对环境的影响及用地成本等因素，导致冷却塔的选址越来越困难。而设计者对冷却塔设置突破常规布置方式的探索和应用是解决工程矛盾的重要手段，以下对各种优化方案进行研究比较。

1.1 地面冷却塔

地面冷却塔设置在地面，塔体周边空气畅通，可以保证塔体与室外空气进行充分的热交换。常用的是横流式低噪声冷却塔，流量一般≤400 m3/h。地面冷却塔布置形式常与景观结合，如图1和图2所示。这种方式换热效率高、运营费用低、检修维护方便，但部分车站由于地面条件限制，会产生以下几个方面的问题。

图1 与广场结合冷却塔Fig.1 Arranging cooling tower by combining with the square

图2 出入口边冷却塔Fig.2 Arranging cooling tower nearby the entrance of Metro station

1)GB/T 7190.1—2008《玻璃纤维增强塑料冷却塔》［8］要求，冷却塔产品本身噪声值≤66 dB(A)。GB 3096—2008《声环境质量标准》［9］规定的功能区4a类昼间标准为70 dB(A)，夜间标准值为55 dB(A)。地铁项目中，环境评价报告一般要求冷却塔与周边建筑物距离满足≥15 m时，冷却塔传播噪声的衰减会达到功能区的要求，但有敏感建筑物时，距离要求更大，这使冷却塔选址更加困难。

2)当车站周边地面无冷却塔设置条件时，将冷却塔设置在风亭顶部，这将破坏城市景观，且不利于运营维护、检修。

3)冷却塔靠近人行道设置时，飘水和散热会对行人产生不利影响。

4)塔体在长期使用后会滋生军团菌，对空气产生污染，进而影响周边居民及行人健康。

1.2 下沉式冷却塔

下沉式冷却塔塔体全部或部分设置在地下基坑内，塔体距离基坑四周留有必要的进风空间，风速满足冷却塔的进风要求。若下沉基坑较深，冷却塔出风则需加装倒流弯头以减小热回流的影响。下沉式冷却塔如图3所示。

图3 下沉式冷却塔Fig.3 Sunk cooling tower

其优点是对地面景观、周边住户与行人的散热、噪声影响较小;缺点是占地面积大、在基坑内易形成热回流，导致冷却塔换热效率降低。根据冷却塔厂家相关资料，基坑必须保证塔体周边净空至少满足2 m，因此下沉基坑往往需要开挖得很大。

下沉式冷却塔在深圳地铁、上海地铁、广州地铁都已投入运行，基本可以满足空调水系统的运行要求。

1.3 地下封闭式冷却塔

封闭式冷却塔设置在地下封闭空间内，通过进、排风亭进行热量交换，在上海地铁和成都地铁中已经有应用。

其优点是解决了冷却塔放置在地面的各种问题;缺点是增大了地面风亭体量，增加了土建造价，冷却塔换热效率较差，导致设备初投资及运营维护费用增加。

目前有3种地下封闭式冷却塔的设置方案。

1)方案1。采用新风亭进风，冷却塔出口结合地面设置，直接排向大气。塔体出口可结合地面绿化隐蔽布置，对城市景观影响较小。具体布置情况见图4。

2)方案2。采用新风亭进风，冷却塔出口排风通过风管集中排至排风井，由排风亭统一排到大气中。并在新、排风井设置风机，当自然通风无法满足冷却塔参数设定值时，开启风机进行机械送、排风。由于采用侧进上排式冷却塔，对地下空间净高要求较高。具体布置情况见图5。

图4 方案1:地下封闭式冷却塔Fig.4 Closed underground cooling tower:Option I

图5 方案2:地下封闭式冷却塔Fig.5 Closed underground cooling tower:Option II

3)方案3。与第2种设置方式基本一致。不同的是采用侧进侧排式冷却塔或离心风机侧面压入式进风上部排风冷却塔，可以有效降低地下空间净高要求。侧进侧排式冷却塔由于只有一侧进风，其换热效率比两侧进风大为降低，导致冷却塔的用地面积加大。离心风机侧面压入式进风上部排风冷却塔排风压头较高，无需在风井设置辅助排风机就能将热气排出室外，但是由于冷却塔排风量大，当提高风机压头后引起电机功率较大幅增大，长期运营费用高。这种布置方式在实际工程中应用甚少。

1.4 蒸发式冷水机组

蒸发式冷水机组［10－12］是把冷却塔和冷凝器合二为一，取消了冷却水系统，减少了冷却水与冷媒之间能量传递的损失。

蒸发式冷水机组已取消冷却塔设置，因此冷凝排风成为对环境影响的主要因素。由于单位冷量机组的冷凝排风量为冷却塔排风量的60% ～70%，风量较小，机组可以在室内安装，并设置风机进行强制排风。

蒸发式冷水机组在民用领域已有应用，并有成熟的运营经验，但在地铁领域还处于方案研究和实际落实阶段，已在北京地铁改造、重庆地铁、武汉地铁部分车站得到了应用。其布置如图6和图7所示。

2 方案比选

集中供冷在广州地铁中已有应用，并进行了各方面经济、技术比较，是一套相对成熟的系统，本文不再详细介绍。下文以分站供冷为前提，对解决冷却塔问题的各种方案进行比较分析。

以一个2层的标准地下站为例:车站总计算冷量为2×680 kW，机组冷冻水侧的温差为7/12℃、冷却水侧温差为32/37℃，计算冷冻水量为2×117 m3/h，冷却水量为2×140 m3/h，冷却塔流量为2×196 m3/h。

图6 蒸发式冷水机组示意图Fig.6 Evaporative chiller

图7 蒸发式冷水机组布置示意图Fig.7 Layout of evaporative chiller

以下对不同布置方式的冷却塔方案从对周边环境的影响、技术特点、设备及土建造价、运营费用等方面进行分析比较。对周边环境的影响比较见表1，技术特点比较见表2，工程初投资情况比较见表3，运营费用比较见表4。

表1 对周边环境影响比较Table 1 Influence of different cooling tower arrangement modes on surrounding environment

通过表1的比较可以看出，地面冷却塔对城市景观及地铁周边环境噪声影响最大。若地面冷却塔设置位置距离敏感点较近，一般可根据噪声源的位置采取有针对性的处理措施。噪声源主要为冷却塔风机噪声和冷却塔进风口传播的淋水噪声。根据产生原因可在以下几方面采取措施:1)冷却塔顶部风机出风口增加消声器;2)在冷却塔与敏感点间增设百叶式隔声吸声屏障;3)冷却塔落水盘增加消声毯等。以上措施均可有效降低冷却塔传播的噪声，在工程中均有实施的案例。

表2 技术特点比较Table 2 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of technical features

通过表2的比较可以看出，各布置方式在技术上均可行。封闭式冷却塔是以牺牲能耗为代价来减少塔体对周边的各种不利影响，并增加维护费用;下沉式冷却塔需考虑足够的换气空间，往往需较大的基坑来满足换热效果;蒸发冷凝式冷水机组在地下封闭空间运行暂无工程实例，机组尺寸大，对设备的运输、检修、维护、使用寿命都无经验借鉴，其他地铁也只在尝试阶段。

表3中各方案的设备单价是通过市场询价取得。通过初投资比较发现:地面冷却塔造价最低，封闭式造价最高，下沉式造价居中，蒸发冷凝式冷水机组造价稍高于地面冷却塔。

表3 工程初投资汇总表Table 3 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of initial investment 万元

表4 运营费用汇总表Table 4 Comparison and contrast among different cooling tower arrangement modes in terms of operation cost

表4中运营费用按车站每天运行18 h，全年空调水系统同时使用系数0.6，电价按0.68元/(kW·h)计算。通过比较发现，地面冷却塔造价最低，封闭式中采用离心风机的运营费用最高，下沉式运营费用居中，蒸发冷凝式冷水机组稍低于地面冷却塔。

3 结论与建议

根据各方案经济、技术比较，对地铁车站，建议采用因地制宜策略。

1)优先采用地面冷却塔方案。对于距离敏感点过近的冷却塔，可在方案阶段加入降噪处理措施。

2)当影响地面景观，且具备绿化条件时，可采用下沉式冷却塔。

3)当地面条件困难，可采用封闭式冷却塔和集中供冷方式。

4)蒸发冷凝式冷水机组方案从长期运营的角度是整体投资最低的方案。由于在地铁中没有得到广泛应用，特别是在封闭的环境下无准确的数据依据，还需要在设备安装、运输维护、运行安全、噪声控制等方面积累经验。

随着城市化进程步伐的加快和人们对生活环境、品质要求的不断提高，地铁工程的冷却塔暴露出的扰民问题越来越明显。为了减少地铁建设与环境保护、规划等的协调工作，减少对市民的扰动，在地铁建设的前期方案中应根据环境评价要求，以人为本，针对地铁车站的规模、形式采取适当的冷却塔布置方式及对应的措施，摒弃以往地铁建设被动情况为设计方案主动，真正做到设计先行，从而避免建成后的改造及搬迁。同时，在新技术、新工艺不断涌现的现代社会，应用于地铁行业的冷却技术的进步必将为地铁建设带来新的突破。

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