基于蒸發冷凝技術的地鐵車站“無塔冷卻”直膨空調系統應用分析

李迎春

(廣東申菱環境系統股份有限公司，佛山 528306)

0 引 言

截至2020年底，中國大陸地區共有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展的態勢。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、環境影響評價等因素的制約[2]。同時，傳統地鐵空調系統構成復雜，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發展，如圖1所示。

圖1 傳統冷水機房

1 傳統地鐵空調系統的構成及存在的問題

1.1 傳統地鐵空調系統的構成

傳統的地鐵空調系統主要由冷水機組、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。整套系統所需設備繁多，系統復雜，熱交換次數多且能量損失大，系統所需安裝空間也大。

1.2 傳統地鐵空調系統存在的問題

(1)系統運行功耗高

傳統地鐵空調系統，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與冷水機組蒸發器內的制冷劑換熱，冷水機組產生的熱量又要通過冷卻塔系統進行循環散失到外界環境中。整套系統循環換熱次數多，能量損耗大；冷卻水和冷凍水的循環管路長，水泵功耗大，造成系統功耗增加，系統運行能效偏低，如圖2所示。

圖2 傳統的地鐵空調系統組成

(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、協調、布置的問題，即使創造條件安裝了冷卻塔，也存在占地大、影響城市規劃、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、衛生隱患等對環境及周邊居民產生很大干擾，帶來了嚴重的環境及衛生問題，頻頻引發居民投訴、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

傳統地鐵空調系統整體構成復雜、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 傳統地鐵車站制冷機房

2 “無塔冷卻”直膨空調系統

2.1 “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。

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[5-6]。直膨式空氣處理裝置安裝于環控機房[7]。

圖5 無塔冷卻直膨空調系統構成示意圖

2.2 蒸發冷凝技術

2.2.1 原理

蒸發冷凝是以水和空氣作為冷卻介質，利用空氣強迫對流以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[8]。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[9]。集水箱內設有自動排污和補水裝置。

2.2.2 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，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[10]，削減了冷卻水泵能耗，從而大幅提升系統運行效率。

2.3 直膨技術

2.3.1 原理

“無塔冷卻”直膨式空調系統，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[11]，這種制冷方式稱為直膨技術。

2.3.2 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，如圖6所示。

2.4 “無塔冷卻”直膨式空調系統的優勢

環境友好——“無塔冷卻”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。

節省投資——“無塔冷卻”直膨式空調系統無需冷卻塔征地、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。

整體解決——“無塔冷卻”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。

管理便捷——“無塔冷卻”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。

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，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。

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，本站大系統供冷量658 kW，小系統供冷量372 kW，總供冷量 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，見表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。

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，相比傳統的冷卻塔系統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，冷凍循環泵，冷卻水循環泵，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。

冷源綜合制冷性能系數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 空調系統總耗電量計算表

根據上表可知，“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16.7萬元/年。

3.4 全壽命周期技術經濟分析

全壽命周期技術經濟分析，見表6。

表6 全壽命周期技術經濟分析表

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

4 結束語

以南方某地鐵車站“無塔冷卻”直膨式空調系統為例和傳統地鐵空調的對比可以看出：(1)隧道嵌裝式直接蒸發制冷空調系統優點：①“無塔冷卻”直膨式空調系統無需冷卻塔，使系統更簡單、運維更方便、減少了占地需求，消除了噪音對周邊環境的影響，不再影響人居環境，社會效益、環境效益均十分顯著；②相比傳統的地鐵空調機組，“無塔冷卻”直膨式空調系統能節省冷卻塔和冷凍機房面積，節省土建成本約515萬元；③該車站系統整機能效比4.41，相比傳統地鐵空調能效提高了24.6%，機組運行更節能；④以該車站“無塔冷卻”直膨系統為例進行全年能效分析“無塔冷卻”直膨式空調系統一年可節省電費16.7萬元左右；

(2)“無塔冷卻”直膨式空調系統系統缺點：隨著我國經濟實力的不斷提升，城市地鐵的迅猛發展?！盁o塔冷卻”直膨式空調系統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展。