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基于溶液调湿技术的温湿度独立控制空调系统在地铁项目中的应用分析

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发表于 2013-2-19 10:54:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
0 引言
地铁空调系统目前普遍采用冷凝除湿方式(采用7 ℃的冷冻水)实现对空气的降温与除湿处理,同时去除车站内的显热负荷与潜热负荷(湿负荷)。降温只要求冷源温度低于空气的干球温度,而除湿则要求冷源温度低于空气的露点温度,这种常规的空气处理方式导致占总负荷一半以上的显热负荷本可以采用高温冷源(14/19 ℃冷水)排走,却不得不与除湿过程共用7 ℃的低温冷源进行处理,造成了能源品位上的浪费。通过冷凝除湿方式对空气进行冷却和除湿,其吸收的显热与潜热比只能在一定的范围内变化,而建筑室内环境调节所需要的热湿比却在较大的范围内变化。而且,冷凝除湿方式产生的潮湿表面成为霉菌等生物污染物繁殖的温床,严重影响室内空气品质。
温湿度独立控制空调系统(以下简称THIC空调系统)是对常规空气处理方式的变革,彻底颠覆了常规空调用低温水同时处理室内余热、余湿的设计理念,以高温冷水处理显热余热,同时以基于盐溶液为调湿介质的新风机组调节空气(新风)含湿量,一方面大大降低了能耗,另一方面可灵活适应室内热湿比变化,同时又可显著提高室内空气品质,根治了常规空调三大痼疾。
然而,温湿度独立控制空调系统作为一种新型的空调系统方式,应用在地铁空调系统中时,其系统理念、设备组成和设计方法不同于常规空调系统,具有一定的特殊性。本文以武汉轨道交通4号线某标准站为例,通过与常规空调系统的对比,研究温湿度独立控制空调系统在地铁项目中应用的节能性与可行性。
1 空调系统介绍
现行的地铁空调系统基本为两种模式:屏蔽门系统与非屏蔽门系统。目前,屏蔽门系统与非屏蔽门系统均有选用,已建成并正在运行的地铁系统多为非屏蔽门系统,而新建地铁系统多选择屏蔽门系统。设置屏蔽门可有效降低地下车站的空调负荷,粗略估计,设有屏蔽门的地下车站,其空调负荷约为无屏蔽门地下车站空调负荷的1/3。因此,本文所研究的地铁系统主要针对屏蔽门地铁空调系统。
1.1 常规空调系统
地铁空调系统主要分为两部分:公共区空调系统、设备及管理用房空调系统,系统原理图如图1所示。
公共区空调系统简称为车站大系统,主要负责区域为地铁公共区域,即站台与站厅区域。由于车站狭长,为避免送、回风管距离过远,系统的空调风柜应布置在车站两端,分别负担车站公共区总负荷的一半,对公共区进行均匀送风。
设备及管理用房空调系统简称为车站小系统,主要负责区域为车站设备及管理用房,如车站办公用房、配电室、控制室等。小系统内的空调负荷以设备负荷为主,室内显热负荷指标较大。小系统各区域一般采用小型空调风柜,布置在对应控制区域附近的机房中。
大系统与小系统所需冷冻水由制冷主机统一供给,制冷主机的蒸发器制取7℃冷冻水,通过分水器分别输送向各空调末端,7℃冷冻水在空调末端中完成制冷任务后温度升高至12℃,通过集水器汇总后返回制冷主机。制冷主机的冷凝器热量通过冷却塔排出。
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1.2 THIC空调系统
在THIC空调系统中,将空调系统的热、湿分开处理,常用的系统形式是溶液调湿机组配合高温冷水机组使用。该系统利用溶液除湿来消除室内潜热负荷,利用高温冷水机组制取14/19℃冷水以消除室内显热负荷。THIC空调系统的控制区域仍然分为大、小系统,系统原理图如图2所示。
大系统公共区的站台和站厅采用全空气一次回风系统,由于公共区新风量需满足补充屏蔽门渗风、维持室内正压的要求,因此一般不对新风进行全热回收处理。机组形式为预冷型热泵式溶液全空气机组,室外新风先经过预冷盘管,被14/19℃冷水预冷,再进入溶液调湿模块进一步除湿,除湿后的干燥新风与回风混合,再经空调箱的后冷盘管被14/19℃冷水降温后送入室内。
小系统功能房间主要为设备室及办公室,采用预冷型热泵式溶液调湿新风机组+组合式空调箱(或中小型风柜)的系统形式,其空气除湿原理与大系统类似。由于小系统各区域新风量均较小,采用这种形式后,虽然组合式空调箱仍然按区域划分设置,但不同区域的新风可集中处理,可以减少新风机组选型数量,降低系统初投资。
冷源采用高温冷水机组,提供的14/19℃高温冷冻水。冷机可选用2台高温螺杆冷水机组;冷冻水泵和冷却水泵各选用3台,两用一备,以保障系统可靠性。冷却塔可采用低噪音、绿色隐藏型冷却塔,以减少对周围环境的影响。
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2 空调系统负荷计算
采用THIC空调系统后,在空调系统负荷计算时,需要分开计算空调区域的显热与潜热负荷。在THIC空调系统中,显热负荷计算方法与常规系统类似;而空调区域的潜热负荷与系统新风量的确定直接相关[1],也是系统设计的关键,具体介绍如下。
2.1 大系统室内潜热负荷
大系统的室内潜热负荷主要包括:人员产湿负荷、围护结构散湿负荷、屏蔽门漏风负荷、出入口渗风负荷。
1)人体散湿负荷
人体散湿主要是由乘客在车站内的活动造成,与车站客流量及乘客在站内停留的时间相关,也与人体活动强度与室内设计参数相关。地铁人员活动强度一般为轻度劳动,地铁总人员产湿量等于人均产湿量乘以车站计算人数[2]。
2)围护结构散湿负荷
地铁车站墙面与土壤相连,存在一定的散湿量,可通过单位面积墙面的散湿量进行计算。按照经验数据,单位围护结构面积散湿量可按2g/(m2.h)计算[2]。
3)屏蔽门漏风负荷
屏蔽门漏风的来源是列车到站时,屏蔽门车门打开时,由于受到隧道排风、活塞风等的影响,屏蔽门两侧的空气将发生对流热质交换。根据以往的地铁线路软件模拟计算结构,地铁屏蔽门的漏风量一般在5~10m3/s之间,漏风的方向为从站台到隧道。与此同时,隧道内也有部分空气进入站台,其风量约为站台进入隧道风量的3%~7%[3],此部分反向风量增加了站台的湿负荷,该湿负荷等于风量乘以隧道内空气与站台空气的含湿量差。
4)出入口渗风负荷
屏蔽门系统的设置很大程度上减少了活塞风对车站公共区域环境的影响,但由于屏蔽门漏风的存在,使得车站公共区在某些时刻存在一定负压,因此需要考虑室外热空气通过车站出入口侵入而引起的空调负荷。单位面积出入口造成的渗风全热负荷在200W/m2左右[4],其中潜热负荷比例可根据室内外空气状态差来确定。
2.2 小系统室内潜热负荷
小系统的室内潜热负荷主要是人员产湿负荷,各房间人数应根据使用功能要求确定,但每间房间计算人数不应小于2人。
3 节能性分析
3.1 项目概况
武汉轨道交通4号线某标准两层车站,该车站为地下2层17.75m岛式站台车站,有效站台长度112m。站厅公共区面积约1337m2,站台公共区面积约为1181 m2,公共区站厅层同时在站人数为376人/h ,站台层同时在站人数为355人/h。
设备管理用房(小系统)总空调面积共约909 m2。小系统根据设备管理用房平面布置和使用功能将有空调要求的房间共分为A、B端2个小系统,其中B端又分为B1~B3三个子系统。
车站设计负荷计算结果如表1,各区域负荷构成如图3。车站总空调面积为3427m2,总新风量为30469m3/h,总送风量为174266m3/h,总冷负荷为998 kW,单位面积负荷指标为291W/m2。
表1  冷负荷汇总表
项目        单位        大系统        小系统        总计
空调面积        m2        2518         909         3427
总新风量        m3/h        21960         8509         30469
总送风量        m3/h        92297         81969         174266
新风负荷        kW        115         81         196
室内潜热负荷        kW        247         8         255
室内显热负荷        kW        128         301         429
风机温升        kW        62         55         117
夏季总冷负荷        kW        552         446         998
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3.2 逐时负荷与节能性计算
   表1中计算了设计工况下的空调系统负荷,数据主要作为设备选型的依据。考虑实际情况下,室外气象参数以及客流变化等会引起负荷变化,因此应按空调全年逐时冷负荷计算能耗。图4是武汉轨道交通4号线某标准站的全年空调冷负荷变化情况。
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根据逐时负荷情况可计算常规空调系统与THIC空调系统的全年空调能耗。两种系统的风机能耗基本相同,因此在比较时常规空调系统仅考虑冷机和水系统能耗,THIC空调系统考虑冷机、溶液调湿机组内置压缩机、水系统和再生风机能耗。
两种空调系统全年逐时能耗对比见图5,常规空调系统全年耗电653MWh,THIC系统全年耗电483MWh,节能率为26%。
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注:1 根据《公共建筑节能设计标准 GB 50189-2005》,常规空调系统螺杆式冷水机组取COP=4.3;
2 温湿度独立控制系统中高温冷水机组COP取7.0;溶液调湿段压缩机COP取4.0;
3 空调冷水系统的输送能效比ER=0.0241;冷却塔能耗按ASHRAE标准取为3.23(kW) /(L/s),即0.086kW/(t/h)。
4 结论
1)THIC空调系统在地铁项目中应用时,需根据应用区域功能选择合适的应用形式。在大系统宜采用预冷型热泵式溶液全空气机组,小系统宜采用预冷型热泵式溶液调湿新风机组+组合式空调箱(或中小型风柜)的系统形式。
2)在THIC空调系统将空调系统的热、湿分开处理,在系统设计时需准确计算控制区域的显热、潜热分项负荷。
3)以武汉轨道交通4号线某标准两层车站为例,THIC系统全年能耗相比常规系统约降低26%。

参考文献
[1]:刘拴强,刘晓华,江亿,等. 温湿度独立控制空调系统中独立新风系统的研究(1) :
湿负荷计算 [J].暖通空调,2010,40(1):80-84
[2]:何绍明. 浅谈地铁车站空调负荷特性 [J].暖通空调,2007,37(8):125-127
[3]:李俊,李晓峰,朱颖心. 地铁屏蔽门漏风量的计算方法及其对空调负荷的影响分析 [J].建筑科学,2009,第25卷第12期:67-70
[4]:钟星灿. 地铁空调负荷分析及估算 [J].暖通空调,2006,36(6):72-76
[5]:李震,江亿,陈晓阳.溶液除湿空调及热湿独立处理空调系统. 暖通空调, 2003,33(06):26-32
[6]:易晓勤. 温湿度独立控制空调系统在地铁车站的应用. 暖通空调,2010,40(07):19-21
以上内容仅供参考学习,如有雷同纯属巧合。欢迎行业学者讨论研究。
发表于 2013-5-15 15:19:36 | 显示全部楼层
向楼主致敬,正想了解温湿度独立控制的内容
发表于 2014-2-7 10:42:26 | 显示全部楼层
最近也做了一个地铁项目的设计,与楼主的项目相似,但设计冷量只有楼主设计的60%,总有个疑问某某技术节能,为什么冷冻机装机不见减少呢?

RCF设计参数如图一。附件是设计方案图供讨论。

地铁数据.jpg

2014.1.3 大金钟站 方案设计图 及主要设备配置表.rar (1.61 MB, 下载次数: 25)
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