基于蒸发冷凝技术的地铁车站“无塔冷却”直膨空调系统应用分析
时间：2023-03-04 22:25:01 来源：千叶帆 本文已影响人
李迎春
(广东申菱环境系统股份有限公司，佛山 528306)
截至2020年底，中国大陆地区共有45个城市开通城市轨道交通运营线路7 969.7 km，其中地铁运营线路6 280.8 km[1]。预计“十四五”期间，我国城市轨道交通仍将保持健康发展的态势。然而，目前国内地铁地下车站大部分采用冷却塔+水冷式冷水机组+冷水型空调末端的空调形式，在城市建成区敷设的地铁线路，冷却塔用地成为建设期棘手的问题之一，容易受到地面空间大小、城市景观要求、环境影响评价等因素的制约[2]。同时，传统地铁空调系统构成复杂，设备及管路繁多，需要设置冷水机房[3]，不仅土建投资巨大，而且运营维护工作量大，运行能耗强度高[4]，十分不利于地铁的可持续发展，如图1所示。
图1 传统冷水机房
1.1 传统地铁空调系统的构成
传统的地铁空调系统主要由冷水机组、空气处理机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、集/分水器等设备组成。整套系统所需设备繁多，系统复杂，热交换次数多且能量损失大，系统所需安装空间也大。
1.2 传统地铁空调系统存在的问题
(1)系统运行功耗高
传统地铁空调系统，车站内的负荷需要通过空气处理机组的表冷器与冷冻水进行换热，冷冻水再通过冷冻水循环与冷水机组蒸发器内的制冷剂换热，冷水机组产生的热量又要通过冷却塔系统进行循环散失到外界环境中。整套系统循环换热次数多，能量损耗大；
冷却水和冷冻水的循环管路长，水泵功耗大，造成系统功耗增加，系统运行能效偏低，如图2所示。
图2 传统的地铁空调系统组成
(2)冷却塔布置难
大部分位于繁华路段的地铁站点在建设期间很难解决冷却塔征地、协调、布置的问题，即使创造条件安装了冷却塔，也存在占地大、影响城市规划、破坏城市景观等问题。在地铁运营过程中，冷却塔所产生的噪声、漂水、卫生隐患等对环境及周边居民产生很大干扰，带来了严重的环境及卫生问题，频频引发居民投诉、维权，成为社会不和谐因素，如图3所示。
图3 冷却塔布置
(3)土建初投资大
传统地铁空调系统整体构成复杂、设备繁多，地面需要冷却塔布置地块，地下除环控机房外还需要冷水机房，导致土建工程量大，初投资高，如图4所示。
图4 传统地铁车站制冷机房
2.1 “无塔冷却”直膨式空调系统的构成
“无塔冷却”直膨空调系统主要由蒸发冷凝散热装置(或称为蒸发式冷凝器，简称“外机”)、直膨式空气处理装置(或称为直膨型空调末端，简称“内机”)、内外机之间制冷剂管道、智能集控系统等组成。
蒸发冷凝散热装置一般采用模块化、高防腐、抗结垢、耐高温、紧凑型的设计理念，机组占地小、换热效率高、安装灵活，既可安装于新、排风道之间的隔墙内(风墙型)，也可安装于排风道截面内(风道型)，适应不同附属结构和土建风道安装条件。
直膨式空气处理装置，分为组合式直膨空气处理机组和柜式直膨空气处理机组。组合式直膨空气处理机组主要包含进风段、空气净化段、直膨蒸发段、压缩机段、风机段、均流段、消声段、出风段等功能段[5-6]。直膨式空气处理装置安装于环控机房[7]。
图5 无塔冷却直膨空调系统构成示意图
2.2 蒸发冷凝技术
2.2.1 原理
蒸发冷凝是以水和空气作为冷却介质，利用空气强迫对流以及喷淋水的蒸发将气态制冷剂冷凝热量带走的一种换热形式，利用这种形式来实现热交换的器件称为蒸发式冷凝器[8]。蒸发式冷凝器在板管内流动的是制冷剂，管板外为喷淋水，压缩机将低压气态制冷剂压缩成高压气态制冷剂后再进入蒸发式冷凝器板管中，制冷剂在板管内进行放热冷凝成为液态，板管外的喷淋水则是通过循环水泵输送至冷凝换热板管模块上部，并均匀地喷淋到蒸发式冷凝器管板表面形成一层水膜，水膜吸收制冷剂的热量蒸发为水蒸气，其余未蒸发的水落回机组底部的集水箱，供循环喷淋使用[9]。集水箱内设有自动排污和补水装置。
2.2.2 优势
(1)免除冷却塔困扰
采用“无塔冷却”直膨空调系统，取消了传统地铁空调的冷却塔，一举解决了冷却塔“选址难、征地难、布置难”三大难题，彻底解决了由于设置地面冷却塔所带来的影响城市规划、破坏城市景观，冷却塔噪声扰民、漂水、卫生隐患等环境问题。
(2)节省占地面积
“无塔冷却”直膨式空调系统，一方面取消了冷却塔，减少了冷却塔占地；
另一方面，由于蒸发冷凝散热装置模块化嵌装于地铁附属结构新排风道之间的隔墙内(装置自带防火阀并与FAS连锁)，无需额外设置主机机房，节省宝贵的地下空间。
(3)系统运行节能
“无塔冷却”直膨式空调采用蒸发冷凝的方式散热，用嵌装高效模块蒸发式冷凝器取代了传统系统的冷却塔、冷却水泵、冷却水输配管路、壳管式冷凝器[10]，削减了冷却水泵能耗，从而大幅提升系统运行效率。
2.3 直膨技术
2.3.1 原理
“无塔冷却”直膨式空调系统，车站内的负荷通过直膨型空调末端的蒸发盘管直接与制冷剂换热，与传统的冷水型空调系统相比，蒸发冷凝直膨空调系统不同之处在于省却了冷冻水系统，液态制冷剂在空调末端机组的翅片式蒸发器内直接蒸发(膨胀)，实现对盘管外空气(即空调室内侧回风)的吸热而使其降温[11]，这种制冷方式称为直膨技术。
2.3.2 优势
制冷剂直膨技术，提高了制冷剂在蒸发器内的蒸发温度，在其余工况不变的情况下能有效提升压缩机的性能。另外，直膨系统采用多系统设计，车站“大系统”与“小系统”分离，从而在部分负荷运行时，节能效果更加显著，如图6所示。
2.4 “无塔冷却”直膨式空调系统的优势
环境友好——“无塔冷却”直膨式空调系统采用蒸发冷凝技术，彻底摈弃了地面放置的冷却塔，消除了其负面影响，有利于营造和谐绿色的人居环境和城市环境。
节省投资——“无塔冷却”直膨式空调系统无需冷却塔征地、无需冷冻机房，可有效降低建设期土建初投资。
节能高效——“无塔冷却”直膨式空调系统相比传统系统取消了大功率冷却水泵和冷冻水泵，并由原来的“五次循环四次换热”优化为“三次循环两次换热”，消除无谓的能源消耗和换热损失，实现环控系统在整个运营期的节能高效。
整体解决——“无塔冷却”直膨式空调系统，采用“设备供货+安装调试+节能集控系统”一站式解决模式，其设备供货集成一家，接口单一，协调量少，交付质量更易控制，并能有效缩短车站机电设备安装调试工期。
管理便捷——“无塔冷却”直膨式空调系统自带完备的智能节能集中控制系统，并可通过标准RS485接口与车站BAS和FAS系统连锁控制。
运维省心——“无塔冷却”直膨式空调系统简化了车站内管线特别是穿越公共区的管线，并避免了传统水系统在冬季由于泄水不利导致的末端设备和水管被冻裂的风险。
以南方某地铁站为例，采用“无塔冷却”直膨式空调，分A、B两端单独供冷，本站大系统供冷量658 kW，小系统供冷量372 kW，总供冷量 1 030 kW。冷源空调系统，通过冷媒管将直膨式空调机组(压缩机内置)与蒸发冷凝器进行内外机连接，为车站公共区、人员房间、设备用房提供所需的冷量，其中大、小系统：A端5套，B端2套，系统之间各自独立，车站A、B两端的大小系统依据所设计车站负荷选择如下设备配置为车站进行供冷，见表1。
表1 “无塔冷却”直膨式空调设备参数表
根据A、B端的总冷量，选择所需对应的蒸发冷凝散热装置。A端总冷量为688 kW，B端冷量为342 kW。
3.1 设备投资对比分析
从表2可以看出，“无塔冷却”直膨空调系统，相比传统的冷却塔系统设备初投资较原方案会有所增加。
表2 设备初投资对比分析
3.2 土建投资对比分析
传统冷水系统方案下的典型标准站需要设置约200 m2的制冷机房，分别放置2台冷水机组，冷冻循环泵，冷却水循环泵，定压补水装置，分集水器等，并在站外地面设置冷却塔[12]，占地约150 m2。
表3 土建投资对比分析
3.3 运行费用对比分析
3.3.1 运行效率对比分析
无论采用传统水系统方式还是采用“无塔冷却”直膨空调系统，由于负荷及负荷变化情况一样，为便于不同系统进行比较，采用名义工况下冷源综合制冷性能系数SCOP进行对比分析。
冷源综合制冷性能系数SCOP可按下列方法计算：
式中，Qc为名义工况下，冷源输出的冷量(kW)；
Ee为名义工况下，冷源的耗电功率(kW)，其中包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔及冷却风机等设备的耗电功率。
表4 制冷季名义工况下SCOP
3.3.2 运行电费比较
运行电费比较，见表5。
表5 空调系统总耗电量计算表
根据上表可知，“无塔冷却”直膨空调系统相比传统空调系统，该站可以节省电费16.7万元/年。
3.4 全寿命周期技术经济分析
全寿命周期技术经济分析，见表6。
表6 全寿命周期技术经济分析表
从表6中可以看出，蒸发冷凝直膨空调系统无论从初期投资、运营费用、全寿命周期的年综合费用等各方面比较，均比传统冷却塔系统更具优势。
以南方某地铁车站“无塔冷却”直膨式空调系统为例和传统地铁空调的对比可以看出：(1)隧道嵌装式直接蒸发制冷空调系统优点：①“无塔冷却”直膨式空调系统无需冷却塔，使系统更简单、运维更方便、减少了占地需求，消除了噪音对周边环境的影响，不再影响人居环境，社会效益、环境效益均十分显著；
②相比传统的地铁空调机组，“无塔冷却”直膨式空调系统能节省冷却塔和冷冻机房面积，节省土建成本约515万元；
③该车站系统整机能效比4.41，相比传统地铁空调能效提高了24.6%，机组运行更节能；
④以该车站“无塔冷却”直膨系统为例进行全年能效分析“无塔冷却”直膨式空调系统一年可节省电费16.7万元左右；
(2)“无塔冷却”直膨式空调系统系统缺点：随着我国经济实力的不断提升，城市地铁的迅猛发展。“无塔冷却”直膨式空调系统作为地铁的一种新型空调解决方案，也势必会有越来越好的发展。
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