基于蒸發(fā)冷凝技術的地鐵車站“無塔冷卻”直膨空調系統(tǒng)應用分析

李迎春

(廣東申菱環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司，佛山 528306)

0 引 言

截至2020年底，中國大陸地區(qū)共有45個城市開通城市軌道交通運營線路7 969.7 km，其中地鐵運營線路6 280.8 km[1]。預計“十四五”期間，我國城市軌道交通仍將保持健康發(fā)展的態(tài)勢。然而，目前國內地鐵地下車站大部分采用冷卻塔+水冷式冷水機組+冷水型空調末端的空調形式，在城市建成區(qū)敷設的地鐵線路，冷卻塔用地成為建設期棘手的問題之一，容易受到地面空間大小、城市景觀要求、環(huán)境影響評價等因素的制約[2]。同時，傳統(tǒng)地鐵空調系統(tǒng)構成復雜，設備及管路繁多，需要設置冷水機房[3]，不僅土建投資巨大，而且運營維護工作量大，運行能耗強度高[4]，十分不利于地鐵的可持續(xù)發(fā)展，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)冷水機房

1 傳統(tǒng)地鐵空調系統(tǒng)的構成及存在的問題

1.1 傳統(tǒng)地鐵空調系統(tǒng)的構成

傳統(tǒng)的地鐵空調系統(tǒng)主要由冷水機組、空氣處理機組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、集/分水器等設備組成。整套系統(tǒng)所需設備繁多，系統(tǒng)復雜，熱交換次數(shù)多且能量損失大，系統(tǒng)所需安裝空間也大。

1.2 傳統(tǒng)地鐵空調系統(tǒng)存在的問題

(1)系統(tǒng)運行功耗高

傳統(tǒng)地鐵空調系統(tǒng)，車站內的負荷需要通過空氣處理機組的表冷器與冷凍水進行換熱，冷凍水再通過冷凍水循環(huán)與冷水機組蒸發(fā)器內的制冷劑換熱，冷水機組產生的熱量又要通過冷卻塔系統(tǒng)進行循環(huán)散失到外界環(huán)境中。整套系統(tǒng)循環(huán)換熱次數(shù)多，能量損耗大；冷卻水和冷凍水的循環(huán)管路長，水泵功耗大，造成系統(tǒng)功耗增加，系統(tǒng)運行能效偏低，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的地鐵空調系統(tǒng)組成

(2)冷卻塔布置難

大部分位于繁華路段的地鐵站點在建設期間很難解決冷卻塔征地、協(xié)調、布置的問題，即使創(chuàng)造條件安裝了冷卻塔，也存在占地大、影響城市規(guī)劃、破壞城市景觀等問題。在地鐵運營過程中，冷卻塔所產生的噪聲、漂水、衛(wèi)生隱患等對環(huán)境及周邊居民產生很大干擾，帶來了嚴重的環(huán)境及衛(wèi)生問題，頻頻引發(fā)居民投訴、維權，成為社會不和諧因素，如圖3所示。

圖3 冷卻塔布置

(3)土建初投資大

傳統(tǒng)地鐵空調系統(tǒng)整體構成復雜、設備繁多，地面需要冷卻塔布置地塊，地下除環(huán)控機房外還需要冷水機房，導致土建工程量大，初投資高，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)地鐵車站制冷機房

2 “無塔冷卻”直膨空調系統(tǒng)

2.1 “無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)的構成

“無塔冷卻”直膨空調系統(tǒng)主要由蒸發(fā)冷凝散熱裝置(或稱為蒸發(fā)式冷凝器，簡稱“外機”)、直膨式空氣處理裝置(或稱為直膨型空調末端，簡稱“內機”)、內外機之間制冷劑管道、智能集控系統(tǒng)等組成。

蒸發(fā)冷凝散熱裝置一般采用模塊化、高防腐、抗結垢、耐高溫、緊湊型的設計理念，機組占地小、換熱效率高、安裝靈活，既可安裝于新、排風道之間的隔墻內(風墻型)，也可安裝于排風道截面內(風道型)，適應不同附屬結構和土建風道安裝條件。

直膨式空氣處理裝置，分為組合式直膨空氣處理機組和柜式直膨空氣處理機組。組合式直膨空氣處理機組主要包含進風段、空氣凈化段、直膨蒸發(fā)段、壓縮機段、風機段、均流段、消聲段、出風段等功能段[5-6]。直膨式空氣處理裝置安裝于環(huán)控機房[7]。

圖5 無塔冷卻直膨空調系統(tǒng)構成示意圖

2.2 蒸發(fā)冷凝技術

2.2.1 原理

蒸發(fā)冷凝是以水和空氣作為冷卻介質，利用空氣強迫對流以及噴淋水的蒸發(fā)將氣態(tài)制冷劑冷凝熱量帶走的一種換熱形式，利用這種形式來實現(xiàn)熱交換的器件稱為蒸發(fā)式冷凝器[8]。蒸發(fā)式冷凝器在板管內流動的是制冷劑，管板外為噴淋水，壓縮機將低壓氣態(tài)制冷劑壓縮成高壓氣態(tài)制冷劑后再進入蒸發(fā)式冷凝器板管中，制冷劑在板管內進行放熱冷凝成為液態(tài)，板管外的噴淋水則是通過循環(huán)水泵輸送至冷凝換熱板管模塊上部，并均勻地噴淋到蒸發(fā)式冷凝器管板表面形成一層水膜，水膜吸收制冷劑的熱量蒸發(fā)為水蒸氣，其余未蒸發(fā)的水落回機組底部的集水箱，供循環(huán)噴淋使用[9]。集水箱內設有自動排污和補水裝置。

2.2.2 優(yōu)勢

(1)免除冷卻塔困擾

采用“無塔冷卻”直膨空調系統(tǒng)，取消了傳統(tǒng)地鐵空調的冷卻塔，一舉解決了冷卻塔“選址難、征地難、布置難”三大難題，徹底解決了由于設置地面冷卻塔所帶來的影響城市規(guī)劃、破壞城市景觀，冷卻塔噪聲擾民、漂水、衛(wèi)生隱患等環(huán)境問題。

(2)節(jié)省占地面積

“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)，一方面取消了冷卻塔，減少了冷卻塔占地；另一方面，由于蒸發(fā)冷凝散熱裝置模塊化嵌裝于地鐵附屬結構新排風道之間的隔墻內(裝置自帶防火閥并與FAS連鎖)，無需額外設置主機機房，節(jié)省寶貴的地下空間。

(3)系統(tǒng)運行節(jié)能

“無塔冷卻”直膨式空調采用蒸發(fā)冷凝的方式散熱，用嵌裝高效模塊蒸發(fā)式冷凝器取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)的冷卻塔、冷卻水泵、冷卻水輸配管路、殼管式冷凝器[10]，削減了冷卻水泵能耗，從而大幅提升系統(tǒng)運行效率。

2.3 直膨技術

2.3.1 原理

“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)，車站內的負荷通過直膨型空調末端的蒸發(fā)盤管直接與制冷劑換熱，與傳統(tǒng)的冷水型空調系統(tǒng)相比，蒸發(fā)冷凝直膨空調系統(tǒng)不同之處在于省卻了冷凍水系統(tǒng)，液態(tài)制冷劑在空調末端機組的翅片式蒸發(fā)器內直接蒸發(fā)(膨脹)，實現(xiàn)對盤管外空氣(即空調室內側回風)的吸熱而使其降溫[11]，這種制冷方式稱為直膨技術。

2.3.2 優(yōu)勢

制冷劑直膨技術，提高了制冷劑在蒸發(fā)器內的蒸發(fā)溫度，在其余工況不變的情況下能有效提升壓縮機的性能。另外，直膨系統(tǒng)采用多系統(tǒng)設計，車站“大系統(tǒng)”與“小系統(tǒng)”分離，從而在部分負荷運行時，節(jié)能效果更加顯著，如圖6所示。

2.4 “無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)的優(yōu)勢

環(huán)境友好——“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)采用蒸發(fā)冷凝技術，徹底擯棄了地面放置的冷卻塔，消除了其負面影響，有利于營造和諧綠色的人居環(huán)境和城市環(huán)境。

節(jié)省投資——“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)無需冷卻塔征地、無需冷凍機房，可有效降低建設期土建初投資。

節(jié)能高效——“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)取消了大功率冷卻水泵和冷凍水泵，并由原來的“五次循環(huán)四次換熱”優(yōu)化為“三次循環(huán)兩次換熱”，消除無謂的能源消耗和換熱損失，實現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)在整個運營期的節(jié)能高效。

整體解決——“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)，采用“設備供貨+安裝調試+節(jié)能集控系統(tǒng)”一站式解決模式，其設備供貨集成一家，接口單一，協(xié)調量少，交付質量更易控制，并能有效縮短車站機電設備安裝調試工期。

管理便捷——“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)自帶完備的智能節(jié)能集中控制系統(tǒng)，并可通過標準RS485接口與車站BAS和FAS系統(tǒng)連鎖控制。

運維省心——“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)簡化了車站內管線特別是穿越公共區(qū)的管線，并避免了傳統(tǒng)水系統(tǒng)在冬季由于泄水不利導致的末端設備和水管被凍裂的風險。

3 南方某城市地鐵項目案例分析

以南方某地鐵站為例，采用“無塔冷卻”直膨式空調，分A、B兩端單獨供冷，本站大系統(tǒng)供冷量658 kW，小系統(tǒng)供冷量372 kW，總供冷量 1 030 kW。冷源空調系統(tǒng)，通過冷媒管將直膨式空調機組(壓縮機內置)與蒸發(fā)冷凝器進行內外機連接，為車站公共區(qū)、人員房間、設備用房提供所需的冷量，其中大、小系統(tǒng)：A端5套，B端2套，系統(tǒng)之間各自獨立，車站A、B兩端的大小系統(tǒng)依據(jù)所設計車站負荷選擇如下設備配置為車站進行供冷，見表1。

表1 “無塔冷卻”直膨式空調設備參數(shù)表

根據(jù)A、B端的總冷量，選擇所需對應的蒸發(fā)冷凝散熱裝置。A端總冷量為688 kW，B端冷量為342 kW。

3.1 設備投資對比分析

從表2可以看出，“無塔冷卻”直膨空調系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的冷卻塔系統(tǒng)設備初投資較原方案會有所增加。

表2 設備初投資對比分析

3.2 土建投資對比分析

傳統(tǒng)冷水系統(tǒng)方案下的典型標準站需要設置約200 m2的制冷機房，分別放置2臺冷水機組，冷凍循環(huán)泵，冷卻水循環(huán)泵，定壓補水裝置，分集水器等，并在站外地面設置冷卻塔[12]，占地約150 m2。

表3 土建投資對比分析

3.3 運行費用對比分析

3.3.1 運行效率對比分析

無論采用傳統(tǒng)水系統(tǒng)方式還是采用“無塔冷卻”直膨空調系統(tǒng)，由于負荷及負荷變化情況一樣，為便于不同系統(tǒng)進行比較，采用名義工況下冷源綜合制冷性能系數(shù)SCOP進行對比分析。

冷源綜合制冷性能系數(shù)SCOP可按下列方法計算：

式中，Qc為名義工況下，冷源輸出的冷量(kW)；Ee為名義工況下，冷源的耗電功率(kW)，其中包括冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔及冷卻風機等設備的耗電功率。

表4 制冷季名義工況下SCOP

3.3.2 運行電費比較

運行電費比較，見表5。

表5 空調系統(tǒng)總耗電量計算表

根據(jù)上表可知，“無塔冷卻”直膨空調系統(tǒng)相比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)，該站可以節(jié)省電費16.7萬元/年。

3.4 全壽命周期技術經(jīng)濟分析

全壽命周期技術經(jīng)濟分析，見表6。

表6 全壽命周期技術經(jīng)濟分析表

從表6中可以看出，蒸發(fā)冷凝直膨空調系統(tǒng)無論從初期投資、運營費用、全壽命周期的年綜合費用等各方面比較，均比傳統(tǒng)冷卻塔系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

4 結束語

以南方某地鐵車站“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)為例和傳統(tǒng)地鐵空調的對比可以看出：(1)隧道嵌裝式直接蒸發(fā)制冷空調系統(tǒng)優(yōu)點：①“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)無需冷卻塔，使系統(tǒng)更簡單、運維更方便、減少了占地需求，消除了噪音對周邊環(huán)境的影響，不再影響人居環(huán)境，社會效益、環(huán)境效益均十分顯著；②相比傳統(tǒng)的地鐵空調機組，“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)能節(jié)省冷卻塔和冷凍機房面積，節(jié)省土建成本約515萬元；③該車站系統(tǒng)整機能效比4.41，相比傳統(tǒng)地鐵空調能效提高了24.6%，機組運行更節(jié)能；④以該車站“無塔冷卻”直膨系統(tǒng)為例進行全年能效分析“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)一年可節(jié)省電費16.7萬元左右；

(2)“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)系統(tǒng)缺點：隨著我國經(jīng)濟實力的不斷提升，城市地鐵的迅猛發(fā)展。“無塔冷卻”直膨式空調系統(tǒng)作為地鐵的一種新型空調解決方案，也勢必會有越來越好的發(fā)展。