轨道交通空调设计与选型
1、引言
二十世纪九十年代以来，随着我国城市边缘化规模的不断扩大，城市人口流通量急剧增加，交通拥堵现象日益严重，传统的公共交通工具已经无法满足城市人群日常出行需求。因此运量大、速度快且污染小的轨道交通成为了各大城市解决交通日益紧张问题的必由之路。城市轨道交通建设作为一项投资巨大的基础建设项目，一方面受到国家宏观政策的控制，一方面需要考虑到城市长期规划和发展的切实需求，往往伴随着巨大的投资风险。以武汉市轻轨运行数据显示，轻轨公司每天需55万元收入才能偿付运行费用(包括员工工资、用电电费、每日贷款本息和其它费用)，而实际售票收入仅在1.5～3万元之间，这对当地财政是一笔沉重的贴补负担。国内多个城市轨道建设项目的无法计划开工或者叫停，也都与建设资金无法落实相关。因此，轨道交通的规划、设计和运营，应尽力做到经济、实用、安全。
据国内外轨道交通工程对地铁的造价分析，一般土建工程造价占50%～55%;技术设备的建设、购置、安装费用占45%～50%(其中轨道占2%～7%，车辆占13%～17%，机务段占5%～6%，牵引供电占7%～10%，通信信号占10%～12%，其他占1%～4%)。中央空调对于地铁和轻轨车站而言，是必不可少的设备投入，尤其是地铁，其特殊的空调环境也对空调设计提出了不同于地面建筑的要求。在确定空调设计方案以后，我们在空调设备的选择上应当秉承经济合理的原则。以前国内的中央空调市场被国外的几大品牌所垄断，国产中央空调则主要集中在家用和小型商用领域。随着我国中央空调生产技术的不断成熟和完善，目前国内已有多个厂家开始进入大型中央空调机组的研制和销售领域。国产中央空调性能指标和特性并不亚于国外同类产品，而且在特殊产品的定制和服务上，比国外厂家更具优势，所以轨道交通空调设备的国产化是大势所趋。
2、轨道交通站空调设计特点分析
2.1 轨道交通的分类和特点
轨道交通可按不同角度分类，按所处的空间位置可分为“地铁”和地面铁路;按所用轨道的轻重可分为“轻轨”和“重轨”。一般来说，运送客流量大的走地下，称为地铁;运量小、主要走地面的为轻轨。
轨道交通具有运量大、污染小、方便快捷的特点。相比而言，地铁的运能大，几乎不受地面气候和交通的影响，但造价高;轻轨的运能较小，但造价较地铁低，受地面交通和气候的影响较大。
2.2 地铁站空调设计特点
车站空调属于舒适性空调的设计范畴。轻轨站位于地面，其空调设计可按照普通车站的设计参数和条件进行设计，这里不再赘述。而地铁基本上与地面环境隔绝，室外大气的温、湿度只对车站空调负荷存在间接的影响。其空调设计参数的选取和空调负荷的计算与常规舒适性空调不同。
2.2.1 空调设计温度
地铁站内除工作人员外，其它人员只做短暂停留。为节约能源，只考虑乘客有一个短时间的舒适环境即可。由于人体对环境温度有明显感觉的温差在2℃以上，乘客由地面进入车站，需要经过一个由外界环境温度逐渐过渡到站内温度的过程，这样人体才不会产生忽冷忽热的感觉。以广州地铁一、二号线设计为例[2]：
广州地铁一号线：站厅 t=30℃ φ=45~65% 站台 t=29℃ φ=45~65%
广州地铁二号线：站厅 t=29℃ φ=45~65% 站台 t=27℃ φ=45~65%
这样乘客从地面过站台，直到上车，环境温度变化为33.5℃(广州室外设计温度)[3]→29℃(站厅)→27℃(站台、车内)，这样的温度变化是一个卫生舒适的过程。
至于站内管理用房，由于工作人员长时间在内工作，可取常规设计温度tn=24～27℃。其它设备用房可根据运行和工艺要求来确定设计温、湿度值。
2.2.2 空调负荷组成与计算
据文献[1]，列车本身及列车空调的散热约占74%，照明、广告灯箱的散热约占6%，设备(如自动扶梯、售票机等)的散热约占5%，乘客和工作人员的散热约占15%;地铁围护结构周围的土壤能吸收大量的热量并储蓄起来，夏蓄冬放，以调节地铁内空气的温度。根据一些资料记载，此部分热量占地铁产热量的25%～40%。列车本身及列车空调排放的热量扣除传入地铁周围土壤的热量之外，剩余部分由隧道通风系统排到室外。车站内的空调负荷包括站内乘客和工作人员散热、照明散热和其它设备散热量。
从车站的空调负荷组成可看出，地下车站的主要热源来自列车，当站台使用屏蔽门将列车与站台公共区分开时，车站的冷负荷就可以减少为开/闭式车站的1/2～1/3。
2.2.3 站内气流组织
车站公共区(也称车站大系统)，一般比较狭长，如果只在车站一端设置风柜，那么单条送、回风管就会过长，各 个送风口难以实现阻力平衡，送风不均匀。为了避免这一现象，应该在车站两端设置风柜，各自承担大系统空调负荷的1/2，对工作区进行均匀送风。以广州地铁站为例，因为采取集中控制，单一区域空调面积大，所以一个区域的送风量就高达20多万，为了实现各送风口的阻力平衡，确保出风口的余压，除了对风柜本身的强度和控制要求较高之外，更重要的是需要在进行风管设计时，尽量少考虑采用风阀调节(容易产生“拨一发而动千钧”的现象，很难调节)，而应该合理设计风管尺寸，依靠风管本身实现自平衡。目前国际上通用的风道计算方法一共有四种：静压复得法、假定速度法、等摩阻法和T算法，对于车站空调这种需要变风量设计的场合，静压复得法是最佳的计算方法。
车站设备管理用房(也称车站小系统)，具有工作时间固定(24小时运行)，空调负荷较稳定的特点。小系统的空调负荷只占大系统设计值的一小部分，为了管路布置方便 ，小系统的风系统可以和大系统共用。但因为大系统的空调负荷具有明显的不同时段，峰谷时水系统流量变化大，所以小系统的水系统应该独立设置。
地铁隧道通风按位置不同可分为区间隧道通风系统和车站隧道通风系统，按系统形式可分为开式和闭式系统。开式系统是直接将列车运行产生的隧道热风直接引出室外;闭式系统是将车站送、排风道和隧道送、排风道合用，冷负荷由大系统制冷机承担;列车运行时产生活塞效应将站内空调冷风引入隧道，列车停站时，在列车底部和顶部设置局部排风系统，排出列车刹车和顶部空调产生的热量。
3、冷源形式
轨道交通站可选取集中供冷式冷源和各站独立冷源两种方式。
集中供冷可省去部分站点的机房建设，以广州地铁二号线首期工程建设为例，全线长23.265公里，共有16个地下车站，1个地面车站和3个高架车站。除三元里站设置单独制冷机之外，其它15个地下车站分别由四个集中冷冻站供冷。因为冷冻站的供冷半径较大，往往在2～3公里以上，所以冷水在输送过程中冷量损失大，水泵扬程、功率随之增加，而且供、回水管沿隧道区间敷设，对检修和保养极为不便。根据交通站空调负荷具有明显的峰谷特性，因此在集中供冷模式下，可在提供分时电价政策的地区考虑采用冰蓄冷空调系统，夜间利用低价电运行主机蓄冰，白天峰段融冰供冷，并根据负荷情况选择制冷机部分开启或者完全不用开机，节省了空调运行费用。另外，采用冰蓄冷进行低温送风，还可以减少风管和水管的尺寸，这部分减少的占用空间体积对于地下土建工程十分具有经济意义。目前冰蓄冷空调系统分动态和静态蓄冰两种，动态蓄冰的灵活性和经济性均优于静态蓄冰，可做优先考虑。
各站点独立冷源和集中供冷的优缺点互补，因为供冷规模较小，所以采用常规冷水机组供冷即可。这种冷源形式增加了各个站点的机房建设，按照国内轨道交通车站的一般规模来计算，机房面积在100～150m2左右。以建成的广州地铁一号线为例[2]，各地铁站冷源独立，如果采用集中供冷，所节省的机房面积占环控机房面积的比例就很小，考虑到集中供冷的各项弊端，采用独立冷源更加合适。
因此，以上两种形式的冷源应根据具体情况来灵活选择。例如车站的管理用房，或者在旧地铁站增加附属用房的情况下，可考虑单独采用一拖多空调，与车站大系统冷源独立，这样不仅照顾到车站大、小系统空调时间上的差异，也解决了大、小系统共用冷源时的冷量平衡调节问题。
4、空调设备的选择
因为轨道交通空调主机容量往往是按远期负荷考虑的，具有一定的设计余量，而且一年四季气候条件以及每天不同时段的客流量波动较大，所以国内地铁目前常用螺杆机作为空调主机，主要是考虑到站内空调的部分负荷运行工况，必要的话还可以采用变频水泵进行变频调节。
螺杆机具有五大关键部件：压缩机、油分离装置、冷凝器、蒸发器和制冷配件。这五大部件的配置大致确定了螺杆机的性能和可靠性。例如最新设计的齿数比为5:6的非对称双螺杆压缩机，比常见的齿数比4:6的压缩机热效率可提高10～12%，省电25%;采用新型旋风式的油分离装置可将压缩机排气油含量降低到3ppm以下，而普通螺杆压缩机油气分离装置油含量则只能达到8～10ppm[4]。在确保产品质量和服务的基础上，产品价格成为了主机选择的重要因素。以常规冷水机组供冷系统为例，主机价格占空调机房部分造价的80%左右(不含安装及材料费)，而国内顶极配置的冷水机，其价格平均可比国外同水平产品低15～20%左右，而且在产品非标定制方面也更具优势。
由于轨道交通建设具有投资大、资金回收期长的特点，而车站仅仅是乘客暂时停留的场所，所以车站应尽量不要设置与基本功能无关的设施，如商业大厅、集散大厅和售票厅等。这些过剩的功能区设置只会徒增工程造价，实际运行时在这些商业、景观功能房间逗留的人群很少，而在进行空调设计时，又必须考虑到这部分 负荷，增加不必要的主机设计容量。当然，这些并不是空调设计技术上的过失。但是应当呼吁，为降低城市轨道交通设计造价，有关部门在进行规划设计时，应该沿袭简朴、方便、实用的风格，避免建设华而不实的“形象工程”。
5、结论
本文针对轨道交通站(主要是地铁站)的特点，介绍了其空调设计要点、冷源形式和设备选择的基本理论知识，可得出以下结论：
①地铁站的空调设计参数、负荷组成与普通民用建筑不同，空调通风占据了更为重要的地位。
②地铁站冷源可采用集中式和各站点独立冷源两种形式，应根据具体情况进行选择。
③由于轨道交通站主机容量往往按远期负荷考虑，为了确保机组在部分负荷下的运行效率，国内多采用螺杆机。在国内一些积累多年空调生产经验的大型空调企业已经进入大型中央空调水冷机组市场的大环境下，选用国内质量可靠的产品，可为轨道交通空调设施建设提供更好的经济性。
参考资料
[1] 刘智敏，林康略. 地铁空调与民用建筑空调.
[2] 刘伊江.广州地铁一号线、二号线与深圳地铁一号线设计比较.
[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社.1993.
[4] 美的中央空调[C]系列-水冷螺杆式冷水机组技术手册. 2005.
