水冷直接制冷式空調機組在軌道交通中的應用

胡浩明

中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北 武漢 430063

前言伴隨著城市軌道交通的大規模建設，開通運營的地鐵線路逐年遞增，地鐵的能耗問題也日益突出，根據既有線路的能耗統計，地鐵環控系統約占地鐵總能耗的45%～60%[1]。在地鐵環控系統傳統設計方案下采取節能措施具有一定的局限行，因此，創新設計方案和采用新設備將會帶來一定的節能效果。

1 水冷直接制冷式空調機組的工作原理

傳統的空調系統由冷卻塔、冷水機組、組合式空調箱組成，冷凍水系統采用普通冷水作為中間載冷劑，與冷水機組中的蒸發器和組合式空調箱中的表冷器進行換熱，再通過表冷器對室內空氣進行除熱除濕處理，冷卻水系統采用水作為媒介利用冷卻塔對冷水機組中的冷凝器進行換熱，完成整個制冷過程。

水冷直接制冷式空調機組將傳統組合式空調箱中的表冷器改為制冷劑直接膨脹蒸發空氣冷卻器，采用制冷劑直接膨脹蒸發冷卻處理空氣中的余熱余濕，將傳統的冷水機組與組合式空調箱整合為一體式空調機組，冷卻側的冷凝熱處理與傳統形式保持一致，通過冷卻塔向室外空氣散熱，從而省去冷凍水系統，減少中間載冷劑的二次換熱，達到提高系統能效的目的，其工作原理如圖1。

圖1 水冷直接制冷式空調機組工作原理

2 地鐵公共區通風空調系統設計

本文主要討論地鐵車站小系統采用多聯空調方案下的大系統通風空調設計方案，以武漢某地鐵車站實際案例進行對比，車站站廳層公共區面積2155平方米，站臺層公共區面積1250平方米，該站遠期晚高峰上行上客量678人，下客量2824人，下行上客量3667人，下客量1110人。空調計算冷負荷為487.2kw，總風量為74311.9m3/h。

2.1 地鐵公共區通風空調傳統設計方案

目前我國地鐵環控系統的設計方案主要是采用組合式空調箱+螺桿冷水機組+冷凍水泵+冷卻水泵+水處理器+冷卻塔的形式。主要設備為兩臺組合式空調箱、兩臺螺桿冷水機組、兩臺冷卻塔、兩臺冷卻水泵、一個旁流式水處理器、兩臺冷凍水泵、一組定壓補水裝置以及兩個全程式水處理儀。

通過計算選用兩臺247kw的水冷螺桿機組、兩臺46.6m3/h的冷凍水泵、兩臺55.9m3/h的冷卻水泵、兩臺72.7m3/h的冷卻塔，兩臺40000m3/h的組合式空調箱。冷水機組、冷卻水泵、冷凍水泵、水處理器等設備設置于設備大端的冷水機房內，兩臺組合式空調箱分別設置于車站兩端的通風空調機房內，冷卻塔設置于設備大端的室外地面上。傳統環控設計方案水系統原理圖如圖2。

2.2 地鐵公共區采用水冷直接制冷式空調機組的設計方案

采用水冷直接制冷式空調機組方案設計地鐵公共區空調系統，由于水冷直接制冷式空調機組是由磁懸浮壓縮機與組合式空調箱相集成的一體機，故該設計方案主要采用水冷直接制冷式空調機組+冷卻水泵+水處理器+冷卻塔的形式。主要設備為兩臺水冷直接制冷式空調機組、兩臺冷卻塔、兩臺冷卻水泵和一臺旁流式水處理器。

通過計算選用兩臺制冷量為280kw，風量為45000m3/h的水冷直接制冷式空調機組、兩臺55.9m3/h的冷卻水泵、兩臺72.7m3/h的冷卻塔。將空調機組、冷卻水泵和水處理器，統一布置于地鐵站設備小端緊鄰公共區處，冷卻塔布置于設備小端的室外地面上，采用單端送風方案，地鐵車站設備用房面積將大大減小。該方案的水系統原理圖如圖3。

圖2 傳統設計方案原理圖

圖3 采用水冷直接制冷式空調機組方案原理圖

2.3 地鐵公共區通風空調系統兩種設計方案的對比

2.3.1 設備配置數量及功率對比

兩種設計方案下的空調系統設備數量及設備功率對比見表1～2。

表1 傳統設計方案主要設備參數

表2 水冷直接制冷式空調機組方案主要設備參數

由表1和表2的對比可以發現，地鐵公共區空調系統采用水冷直接制冷式空調機組后，省去了冷凍水泵及冷凍水系統的水處理器和定壓補水裝置，設備數量明顯減少，系統形式明顯簡化。從設備所需總耗電功率的對比可以看出，采用水冷直接制冷式空調機組設計方案后環控系統設備總耗電功率減少33kw。

根據地鐵的運行特點，部分負荷工況占全年運行工況比例較高，而水冷直接制冷式空調機組在部分負荷下有較高的能效比[2]，所以采用該系統可以明顯減小地鐵全年運行耗電量。

2.3.2 土建規模的對比

表3 兩種方案土建規模對比

由表3對比可以發現，采用水冷直接制冷式空調機組設計方案，省去冷凍水系統后，由于環控系統所需設備數量明顯減少，故可省去冷水機房的面積，適當加大設備小端環控機房面積，將兩臺空調機組與冷卻水泵統一設置于該機房內，設備大端環控機房面積大幅縮減，總體可減少100㎡的土建面積，進而節省土建投資。

3 結論

本文以實際車站為原型，通過地鐵車站公共區傳統空調設計方案與采用水冷直接制冷式空調機組設計方案的對比，得到以下結論：

（1）采用水冷直接制冷式空調機組設計方案后地鐵環控系統復雜程度明顯降低。

（2）采用水冷直接制冷式空調機組設計方案后地鐵環控系統設備總耗電功率降低。

（3）采用水冷直接制冷式空調機組設計方案后地鐵環控系統設備用房面積明顯減少。