■ 杨宁
地下车站公共区空气处理过程的确定
■ 杨宁
近年来全国地铁建设蓬勃发展,但地铁暖通空调设计并没有形成完整的计算体系,造成地铁暖通设计水平参差不齐的粗放型现状。地铁车站通风空调系统与一般民用建筑的空调系统有所不同,其空气处理过程及室内参数的确定也有其自身特点。以深圳地铁11号线碧海站为例,对空气处理过程进行系统梳理,论述地下车站公共区通风空调系统空气处理过程的确定方法;采用循环迭代的方式确定空气状态参数、风量计算及确定空调的风量及冷量。
深圳地铁;地下车站;公共区;冷负荷;空气处理;焓湿图;送风温差;风机温升;管道温升
碧海站是深圳地铁11号线的第8座车站,为地下标准岛式车站。车站通风空调系统采用屏蔽门制式,站厅层设计温度为30 ℃,站台层设计温度为28 ℃,相对湿度40%~70%。
在确定空气处理过程前,首先进行车站公共区冷负荷计算,确定站厅、站台层冷负荷、湿负荷,热湿比等。
地下车站的负荷不受外界环境的影响,不需要考虑建筑物围护结构对负荷的影响,其主要来源于车站的人员、设备、车站与隧道区间的热交换、车站与出入口之间的热交换等。关于冷负荷计算的内容在参考文献[1]中详细论述,不再赘述。
2.1 送风温差
根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[2]7.4.10规定:舒适性空调送风温差不宜大于10 ℃(送风口高度不大于5 m时),所以计算将送风温差设定为10 ℃。
设定厅台混合状态点为29 ℃,送风状态点为19 ℃,对于站厅层送风温差为11 ℃,站台层送风温差为9 ℃。
2.2 送风量
首先根据负荷计算及相关规范确定以下风量:G1——送风量,m3/s;
G2——自然进风风量,m3/s;G3——回风风量,m3/s;
G4——屏蔽门漏风量,m3/s;G5——空调新风量,m3/s。
2.2.1 送风量G1
利用显冷负荷及送风温差,分别计算站厅及站台层送风量:
式中:Q显为显冷负荷,kW;Δt为送风温差 ,℃。
2.2.2 空调新风量G5
确定空调新风量需要考虑3个因素。
(1)满足人员要求[3]:公共区空调季小新风量运行时,新风量每位乘客按≥20 m3/h计算;非空调季新风量每位乘客按≥30 m3/h计算,且换气次数≥5次/h。
(2)空调系统新风量不小于总风量10%[4]。
(3)屏蔽门漏风量。
一般新风量计算有2种,即在以上3者取最大值计算,或以(1)(2)项中取两者最大值计算。
由于屏蔽门漏风量随着行车间隔呈脉冲性变化,在其开启期间达到峰值,关闭后,漏风量趋近于零。新风机的风量是稳定的,无法随着这种波动而变化,所以车站内的压力变化无法避免。因此,建议新风量按照(1)(2)项中取两者最大值计算,而与屏蔽门漏风量的差值按照由出入口车站自然进风考虑,并将这部分负荷计入车站。
2.2.3 回风风量G3
回风风量=送风量G1-空调新风量G5。
2.2.4 屏蔽门漏风量G4
屏蔽门漏风量,一般可取7.5~10.0 m3/s[1]。
2.2.5 自然进风风量G2
自然进风风量G2=屏蔽门漏风量G4-空调新风量G5。
3.1 绘制焓湿图
根据车站空气处理过程,绘制焓湿图(见图1)。由于参数尚未确定,此时是根据已知的空气状态点温度及热湿比绘制的示意图,室内空气状态点湿度控制在40%~70%。
图1 焓湿图
站厅站台回风N经风机及管道温升达N',与新风在H点混合后,经表冷器进行降温减湿处理至状态点S',经风机及管道温升达到S,并由管道送至站厅及站台,送至站厅及站台的空气分别吸收余热余湿,并沿热湿比线ε1、ε2到达站厅及站台的设计参数N1、N2,站厅空气N1与站台空气N2混合后达到回风状态点N。空气处理过程状态点见表1,碧海站空气处理过程见表2。
3.2 空气处理过程的确定和校核
采用循环迭代的方式,确定送风状态点的参数,设定其相对湿度,由此计算出其他状态点参数;判别站厅和站台的相对湿度是否满足40%~70%的要求,同时表冷器出风状态点应尽量使接近机器露点(90%~95%);如果满足,则计算结束,否则需要重新调整送风状态点参数计算。具体步骤如下:
表1 空气处理过程状态点
表2 碧海站空气处理过程
(1)确定站厅N1、站台N2、室外W、送风状态点S、表冷器出风状态点S'的温度。
(2)根据温度查表得到该温度下饱和分压力Pgb。
(3)试输入送风状态S点相对湿度φ为85%。
(4)计算送风状态点的焓湿量:
式中:B为标准大气压,101 300 Pa。
(5)计算站台站厅、空气状态点的焓湿量及相对湿度:
将式(5)代入式(4),可得到:
式中:站厅层送风温差Δt为11 ℃,站台层送风温差Δt为 9 ℃。
(6)计算表冷器出风状态点S'的温度及相对湿度。
风机和管道温升使表冷器出风状态点S'沿等湿线到达送风状态点S,确定S'点的状态,需要确定风机和送风管道产生温升。
①风机温升及由此产生的冷负荷[5]。
风机机械能转化成热能,造成空气温度升高(该温升并不是由电机散热产生,即使空气不流经电机,仍会使空气温度升高)。空气通过风机的温升计算可以参照《全国民用建筑工程设计技术措施:暖通空调:动力》5.2.5,记做Δt1:式中:QF为风机负荷,kW;H为风机风压,Pa;G1为风量,m3/s;η为电机安装位置系数,当电机安装在气流内时,η=1,否则η=η2;η1为风机效率;η2为电机效率,取0.8~0.9。
式(10)所计算结果即为空气通过风机时由温升引起的冷负荷。
由式(9)、式(10)可得:
②管道温升及由此产生的冷负荷[5]。
空调送回风管的温升可以参照《全国民用建筑工程设计技术措施:暖通空调:动力》5.2.6,记做Δt2。
采用式(9)可计算空气由管道温升引起的冷负荷。
例空调箱风机风量为80 000 m3/s,压头为600 Pa,风机效率80%,电机效率85%,车站两端各设置空调箱1台,则Δt1=0.71 ℃(空调箱η=1),单台发热量为19 kW,总发热量38 kW。
管道平均长度100 m,则Δt2=0.8 ℃,发热量43 kW。
S'—S的温升为Δt1+Δt2,则S'的温度为17.5 ℃,ds'=ds。
(7)根据式(8)计算相对湿度,判别站厅和站台的相对湿度是否满足40%~70%,同时表冷器出风状态点应尽量接近机器露点(90%~95%)。
不满足以上条件时,应重复步骤(3),直到满足要求为止。
(8)碧海站空气处理过程及校核见表3。
3.3 计算空气处理过程状态点参数
3.3.1 计算流程
(1)焓值。利用式(5)计算N1、N2、S、S'的焓值。(2)混合状态N点。
N点为N1、N2的混合状态点,
表3 碧海站空气处理过程及校核表
式中:G厅、G台、G分别为站厅、站台的送风量及总送风量,m3/s。
(3)混合状态N'点。
N—N'为等湿过程,dN'= dN。
风机及管道温升计算同上所述,因管道与环境温差很小,按0.5 ℃计算。
tN'=tN-0.5,用式(5)计算焓值。
(4)室外空气状态W点。
W点为室外空气状态点,参数可查表得到。
(5)送风状态S点。
S点已经设定。
(6)表冷器出风状态S'点。
(7)新回风混合状态H点,计算同N。
式中:G3、G5、G1分别为回风量、新风量及总送风量,m3/s。
(8)根据计算结果,校正焓湿图[6]。
3.3.2 碧海站空气处理过程计算
碧海站空气处理状态点主要参数表见表4。
组合式空调箱:风量G=(1.05~1.10)G1。
冷水机组冷量:Q=G1ρ(iH-iS'),一般冷水机组选型不再考虑冷量附加值。
表4 碧海站空气处理状态点主要参数表
以深圳地铁11号线碧海站为例对空气处理过程进行系统梳理,列出常用的经验数据、计算公式及算法。采用循环迭代的方式,简单实用,为地下车站公共区空气处理过程的设计提供参考。
[1] 杨宁. 深圳地铁地下车站公共区冷负荷计算[J]. 铁路技术创新,2016(4):20-23.
[2] GB 50736—2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].
[3] WS 394—2012 公共场所集中空调通风系统卫生规范[S].
[4] GB 50157—2013 地铁设计规范[S].
[5] 陈重. 全国民用建筑工程设计技术措施[M]. 北京:中国计划出版社,2009.
[6] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.
杨宁:深圳市市政设计研究院,高级工程师,广 东 深圳,518000
责任编辑李葳
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