“無塔冷卻”直膨空調系統特點及全壽命周期技術經濟分析

李迎春

（廣東申菱環境系統股份有限公司，廣東 佛山 528306）

0 引言

“無塔冷卻”直膨空調系統應用于地鐵車站實際工程，始于2014年北京地鐵14號線阜通站，自此拉開了在全國范圍推廣應用的序幕，近年來，深圳、廣州、青島、鄭州、寧波、太原、合肥等城市的地鐵工程陸續采用了該系統。然而，對于“無塔冷卻”直膨空調系統的應用研究，行業內目前論述尚少。已有的研究要么局限于蒸發冷凝直膨空調系統的某一特定產品形式，缺乏通用性、廣泛性；要么局限于直膨系統自身分析，缺少與傳統系統的對比分析。為此，本文嘗試從“無塔冷卻”直膨空調系統的構成特點出發，對其進行全壽命周期技術經濟分析，并與傳統系統進行對比研究，得出經濟效益結論。

1 “無塔冷卻”直膨空調系統

1.1 “無塔冷卻”直膨式空調系統的構成

“無塔冷卻”直膨空調系統是近十年來發展起來的應用于地鐵車站環控系統的新型通風空調設備。該系統設備主要由蒸發冷凝散熱裝置（或稱為蒸發式冷凝器，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、智能集控系統等組成[1]。

蒸發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），也可安裝于地鐵排風道截面內（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、直膨蒸發段、壓縮機段、風機段、均流段、消聲段、出風段等功能段。直膨式空氣處理裝置安裝于環控機房。

1.2 蒸發冷凝技術

1.2.1 原理

蒸發冷凝是以水和空氣作為冷卻介質，利用空氣強迫對流及噴淋水的蒸發將氣態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熱交換的器件稱為蒸發式冷凝器。蒸發式冷凝器在板管內流動的是制冷劑，管板外為噴淋水，壓縮機將低壓氣態制冷劑壓縮成高壓氣態制冷劑后再進入蒸發式冷凝器板管中，制冷劑在板管內進行放熱冷凝成為液態，板管外的噴淋水則是通過循環水泵輸送至冷凝換熱板管模塊上部，并均勻地噴淋到蒸發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為水蒸氣，其余未蒸發的水落回機組底部的集水箱，供循環噴淋使用。集水箱內設有自動排污和補水裝置。

1.2.2 優勢

（1）免除冷卻塔困擾。采用“無塔冷卻”直膨空調系統，取消了傳統地鐵車站空調系統的冷卻塔，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劃、破壞城市景觀，冷卻塔噪聲擾民、漂水、衛生隱患等環境問題。

（2）節省占地面積。“無塔冷卻”直膨式空調系統取消了冷卻塔，減少了冷卻塔占地；蒸發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），無須額外設置主機機房，節省寶貴的地下空間。

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

1.3 直膨技術

1.3.1 原理

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

1.3.2 優勢

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

1.4 “無塔冷卻”直膨式空調系統的優勢

一是環境友好?！盁o塔冷卻”直膨式空調系統采用蒸發冷凝技術，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境和城市環境[2]。二是節省投資?！盁o塔冷卻”直膨式空調系統無須冷卻塔征地、無須冷凍機房，可有效降低土建初期投資。三是節能高效。“無塔冷卻”直膨式空調系統相比傳統系統取消了大功率冷卻水泵和冷凍水泵，并由原來的“五次循環四次換熱”優化為“三次循環兩次換熱”，消除無謂的能源消耗和換熱損失，實現環控系統在整個運營期的節能高效[3-4]。四是整體解決?！盁o塔冷卻”直膨式空調系統，采用“設備供貨+安裝調試+節能集控系統”一站式解決模式，其設備供貨集成一家，接口單一，協調量少，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。五是管理便捷?！盁o塔冷卻”直膨式空調系統自帶完備的智能節能集中控制系統，并可通過標準RS485接口與車站BAS和FAS系統連鎖控制[5]。六是運維省心。“無塔冷卻”直膨式空調系統簡化了車站內管線特別是穿越公共區的管線[6]，并避免了傳統水系統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。

2 全壽命周期技術經濟分析

以某地鐵站為例，該地鐵站采用“無塔冷卻”直膨式空調，分A、B兩端單獨供冷，大系統供冷量為688 kW，小系統供冷量為342 kW，總供冷量為1 030 kW。冷源空調系統，通過冷媒管將直膨式空調機組（壓縮機內置）與蒸發冷凝器進行內外機連接，為車站公共區、人員房間、設備用房提供所需的冷量，其中大、小系統：A端5套，B端2套，系統之間各自獨立，車站A、B兩端的大小系統依據所設計車站負荷選擇如下設備配置為車站進行供冷（表1）。

表1 “無塔冷卻”直膨式空調設備參數表

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

2.1 設備投資對比分析

從表2可以看出，“無塔冷卻”直膨空調系統相比傳統的冷卻塔系統設備初期投資較原方案會有所增加。

表2 設備初期投資對比分析

2.2 土建投資對比分析

傳統冷水系統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、冷凍水泵、冷卻水泵、定壓補水裝置、分/集水器等；并在站外地面設置冷卻塔，占地約150 m2（表3）。

表3 土建投資對比分析

2.3 運行費用對比分析

2.3.1 運行效率對比分析

無論采用傳統水系統方式還是采用“無塔冷卻”直膨空調系統，由于負荷及負荷變化情況一樣，為便于不同系統進行比較，采用名義工況下冷源綜合制冷性能系數SCOP進行對比分析（表4）。

表4 制冷季名義工況下SCOP

冷源綜合制冷性能系數SCOP可按下列方法計算：

式中：Qc——名義工況下，冷源輸出的冷量（kW）；Ee——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。

2.3.2 運行電費比較

根據表5可知，“無塔冷卻”直膨空調系統相比傳統空調系統，該站可以節省電費17．2萬元/年。

表5 空調系統總耗電量計算表

2.4 全壽命周期技術經濟分析

從表6中可以看出，“無塔冷卻”直膨空調系統相比傳統冷卻塔空調系統，全壽命周期的年均綜合費用減少27．7萬/年，減少約21%，經濟效益顯著。

表6 全壽命周期技術經濟分析表

3 結論

以南方某地鐵車站“無塔冷卻”直膨式空調系統為例，傳統地鐵車站空調的對比可以得出以下結論。

（1）“無塔冷卻”直膨式空調系統無須冷卻塔、冷卻水及冷凍水系統，系統更簡潔、運行更高效、運維更方便，同時減少了占地需求，消除了冷卻塔噪音對周邊環境的影響，社會效益、環境效益均十分顯著。

（2）從全壽命周期成本綜合考慮，地鐵“無塔冷卻”直膨式空調系統相比傳統地鐵車站空調系統年均綜合費用降低約21%，經濟效益明顯。

（3）本研究受到所考察地鐵車站的樣本數量和運營模式的局限，未能覆蓋全部地鐵制式和不同空調季運營期，因而所得出的結論僅限于我國華東地區屏蔽門制式的地鐵站。后續研究，需要考察全國多種制式、氣候帶各異的地鐵站，以更多有代表性的樣本為對象，進行更全面的分析研究，從而獲得更加全面客觀的全壽命周期節能數據。