北京地区地铁车站风道内置式冷却塔技术探究

穆育红

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 100037， 北京∥高级工程师)

地铁车站冷却塔是地铁空调系统的重要组成部分，一般采用在地面设置或下沉式设置。风道内置式冷却塔采用新型设置形式，节省占地、无需额外征地，对周边景观环境无影响，能有效解决冷却塔景观影响、噪声扰民及卫生等问题，尤其适用于景观要求高、环境影响评价标准高及场地受限的情况。但采用风道内置式冷却塔时，工程造价会有所增加。

风道内置式冷却塔技术是一种新型冷却技术。本文以北京某新建线路的地铁车站(以下称为“A站”)为例，对风道内置式冷却塔的技术特点、布局要求、设计思路等进行论述，探讨内置式风道冷却塔的技术发展。

1 冷却塔的设置

A站位于主城区繁华地段，其出入口与风道分别设置于北京长话大楼和某写字楼旁，并与开发地块结合设置。由于场地有限，且项目对景观要求较高，故A站选择风道内置式冷却塔方案。

1.1 设计思路

风道内置式冷却塔设置在车站内的新风井与排风井中间，主要采用新风道补风、排风道排出冷却塔湿热气流的方式，对冷却塔进行通风降温。

具体设计思路为：首先，分别在车站排风道及新风道相接处设置电动风阀，并在新风道及排风道设置湿球温度传感器；当排风道排风湿球温度<新风道湿球温度时，开启排风道侧的电动风阀，关闭新风道侧的电动风阀，利用车站排风对冷却塔进行冷却；当排风道排风湿球温度≥新风道湿球温度时，关闭排风道侧电动风阀，开启新风道侧电动风阀，利用室外新风冷却，从而实现风道内置式冷却塔的高效通风换热。

1.2 冷却塔的选型

如果冷却塔距地面很近，气流组织顺畅，且没有特殊余压要求，则风道内置式冷却塔可选用侧进侧出横流变频冷却塔(见图1)。由于A站的冷却塔设在车站地下四层，距地面排风口约20 m，排风阻力较大，需冷却塔提供至少300 Pa以上的余压，因此，对于A站而言，采用抗热回流能力稳定、受环境气候影响小、热力性能稳定的鼓风式逆流变频冷却塔更合适。冷却塔通过风水联动系统的智能温控功能，实现冷却塔变频控制，降低运行噪声；其风机启停平缓，可延长电机寿命。冷却塔配置的变流量喷头可在30%～110%流量范围内均匀布水，以保证变频运行的淋水与换热效果。

注：尺寸单位为mm； 标高单位为m。图1 风道内置式冷却塔(横流塔)立面示意图Fig.1 Elevation diagram of air duct built-in cooling tower (cross-flow tower)

1.3 气流组织

横流冷却塔方案采用厂家定制的侧进侧出横流冷却塔，其进出风与新排风井方向一致，气流组织更顺畅，换热效果更佳。

在逆流冷却塔方案中，由于北京地区气候干燥易起尘土，地铁排风道内积尘较多，故A站不考虑利用排风道对冷却塔进行通风换热，直接利用新风道送风、排风井出风换热。为满足出风侧的气流顺畅需求，冷却塔的气流组织采用有组织排风、自然进风方式。A站在车站两端设备区靠近新风井与排风井处，利用地下风道内空间分别设置冷冻机房。其中1处为大端冷冻机房，1处为小端冷冻机房。冷却塔靠近排风井设置，并与冷冻机房相邻，其顶部出风口设置与排风井相连的静压箱，以保证气流顺畅(见图2)。在冷却塔与新风井相邻的墙上设置新风阀，可保证冷却塔从新风井自然进风(见图3)。

1.4 冷却塔与冷冻机房的布置

根据A站的实际冷负荷需求，在小端冷冻机房中：冷却泵水量Q小，1=175 m3/h；冷却塔循环水量Q小,2=250 m3/h，所需排风量为162 500 m3/h；新风阀开洞尺寸为4 500 mm×3 200 mm；受土建条件限制，排风阀开洞尺寸与新风阀尺寸一致；冷却塔处风速达到3 m/s，满足冷却塔的排风量需求。在大端冷冻机房(见图3)中：冷却泵水量Q大,1=260 m3/h，冷却塔循环水量Q大,2=200×2(台) m3/h，所需总排风量为260 000 m3/h；新风阀与排风阀开洞尺寸均为5 200 mm×3 200 mm；冷却塔处风速约为4 m/s，满足风道内置式冷却塔的排风量与换热要求。

尺寸单位：mm图2 风道内置式冷却塔(逆流塔)气流组织示意图Fig.2 Air distribution diagram of air duct built-incooling tower (counter current tower)

2 冷却系统设计要点

2.1 A站冷却系统的特点及隐患

由设置在地面或屋面的冷却塔组成的冷却系统中，冷却塔设置在冷却系统最高点，高于冷水机组冷凝器；管路长，水容量大；冷却塔至冷却泵的吸水管路有足够高差。

注：管径单位为mm;尺寸单位为mm;标高单位为m。

而在A站的冷却系统中，冷却塔与冷冻机房同层布置，几乎没有高差，不能形成自灌；冷却塔水盘几乎与冷水机组冷凝器等高，且二者水平距离太远，极易使冷却泵吸水管路空气混入水中、进入水泵并压入管道中，产生水锤；冷却塔紧邻排风井、冷却泵及冷冻机房布置，冷却水供回水管路总长度仅60 m左右，水容量相对较小(见图4)，不能接纳停泵时涌入的水，易产生水盘溢流，且再次启泵时因吸水量不足，易吸入空气造成水锤。因此，应针对A站冷却系统存在的隐患，预测运行时可能发生的各种问题，进而采取针对性措施，完善设计细节。

注：i为坡度;管径单位为mm;标高单位为m。图4 风道内置冷却塔冷却系统示意图Fig.4 Cooling system diagram of air duct built-in cooling tower

2.2 细节设计要点

为保证冷却塔充足的进风量与换热效果，冷却塔进风面距墙净距应不小于冷却塔进风高度。由于冷却塔出水要依靠重力流入冷却泵，且冷却泵要与冷却塔相近设置，故冷却塔出水管须沿坡度≥5%的纵坡一路坡向冷却泵，不能出现局部高点或低点；距冷却泵吸水口处要设置管长L≥5D(D为冷却管道直径)的直管段；冷却塔位置应满足冷却水泵净吸入扬程及必需气蚀余量的要求(见图5)。

根据《建筑给水排水设计统一技术措施》，有：

图5 冷却水泵吸入口的净吸入扬程、汽蚀余量计算简图Fig.5 Calculation diagram of net suction lift and NPSH atsuction port of cooling water pumpH=hSV-[ha-hav-Σhab-Δh]

(1)

式中：

H——冷却塔水盘水面至冷却水泵吸入口的高差;

hSV——大于水泵样本提供的必需气蚀余量(A

站的小端冷冻机房冷却泵hSV=5.827 m,大端冷冻机房冷却泵hSV=7.753 m)；

ha——大气压力，取10 m；

hav——冷却水温度下的汽化压力，取0.65 mm；

Σhab——冷却塔出口至冷却水泵吸入口的总水头损失(A站的小端冷冻机房Σhab=1.597 m,大端冷冻机房Σhab=1.459 m)；

Δh——气蚀余量富余值，取0.4～0.6 m。

将各变量取值代入式(1)可知，技术措施的要求为H≥hSV-(8.95 m-Σhab)。根据A站实际情况计算可得，小端冷冻机房H=0.40 m，大端冷冻机房H=0.35 m，满足《建筑给水排水设计统一技术措施》要求。

当冷却循环供水管接入并联工作的2座冷却塔时，进水管应采用同程布置来保证两塔间的管道阻力平衡，防止水量分配不均匀，造成冷塔水盘溢流。为避免由于压力与水量不均带来冷却塔溢流问题，2座冷却塔水盘间需设置连通管，且出水干管应采用比进水干管大两号的集合管路。

由于冷却系统管网水容量小，冷却泵吸水管路压差低，冷却塔水盘的容积不足以容纳冷却泵停止时流入的水量，故极易引起溢流。当再次启泵时，由于冷却塔水盘水量不足，会吸入空气造成水锤，严重时会引起设备移位、阀门损坏。因此，须加深冷却塔水盘深度(即加大水盘容积)，降低冷却泵吸水口高度，加大吸水干管管径，以降低流速，保证冷却泵启泵时不吸入空气。

采用风道内置式冷却塔时，由于冷却供回水管线路径短，水容量小，若采取上述措施仍无法满足冷却泵吸水量要求，则宜在冷却塔旁设置1座与冷却塔水盘连通的平衡水箱，用于补充冷却塔水盘容积，为冷却泵启泵时提供补充水量，或在停机时为水盘溢流预留储存空间(见图4)。

风道内置式冷却塔与冷水机组的冷凝器无高差，故停泵后管道内冷却水极易落入塔中造成管网中真空，进而产生虹吸，将冷却管网中的水吸上而流入冷却塔，引起冷却塔水盘溢水。因此，应在冷却水干管顶端设置真空破坏器。这样，即使冷却泵停止工作，也不会产生虹吸现象。此外，还应在平衡水箱内的连通管上设置底阀。2座冷却塔进出口均应设电动蝶阀，由风水联动系统控制，可在停机时同时关断。

3 结语

风道内置式冷却塔无需占用地铁车站的室外场地空间，突破了常规冷却塔只能在室外设置的限制条件，保留了传统高效的冷却系统，完美解决了城市繁华地带地铁车站室外冷却塔占地大、景观差、噪声大等问题，是空调冷却系统的一次技术突破。

本文根据风道内置式冷却塔的特点，梳理了设计要点。随着风道内置式冷却塔技术在运营实践中的不断调整优化，该技术将会更加成熟与完善。