蒸發(fā)冷凝直膨技術在太原地鐵空調系統(tǒng)中的技術經濟性分析

劉 凱

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蒸發(fā)冷凝直膨技術在太原地鐵空調系統(tǒng)中的技術經濟性分析

劉 凱

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

針對傳統(tǒng)地鐵車站公共區(qū)空調能耗高、土建規(guī)模大的情況，提出在太原地鐵2號線一期工程設計中采用蒸發(fā)冷凝直膨式設備方案。通過分析該方案相對常規(guī)冷源系統(tǒng)在技術原理方面的優(yōu)越性，以及比較其對土建規(guī)模、設備投資、運營費用的影響。結果表明，全線23個站公共區(qū)空調采用蒸發(fā)冷凝直膨式空調系統(tǒng)初投資費用節(jié)省3279.8萬，運行費用每年節(jié)省123.05萬元，具有良好的經濟效益。

地鐵車站；蒸發(fā)冷凝；直膨式

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展以及城市化進程的加快，城市人口數量劇增，導致大部分城市交通擁堵，而修建地鐵對于改善城市交通環(huán)境起到了不可忽視的作用，這也意味著我國的地鐵還有很大的發(fā)展空間。地鐵車站作為典型的地下大空間建筑，投資造價高、運營費用大，其中空調系統(tǒng)運行能耗是地鐵總能耗的重要組成部分，其約占車站總能耗30%～50%，上海、南京約40%左右，北京約35%、沈陽約30%，為了減少能耗節(jié)約地下空間，除選用合理的系統(tǒng)制式外，設備形式選擇也至關重要。

傳統(tǒng)車站公共區(qū)冷源主要采用冷卻塔和冷水機組，此方案存在占地面積大、能耗高的缺點，而蒸發(fā)冷凝直膨作為一種高效節(jié)能的組合設備，其用蒸發(fā)冷凝器模塊（蒸發(fā)冷凝技術）替代傳統(tǒng)冷卻塔對空調冷凝器進行散熱，克服在地面設置冷卻塔帶來的不良影響，并采用直膨蒸發(fā)空氣處理設備（直膨技術）代替?zhèn)鹘y(tǒng)空氣處理設備，冷媒直接進入空調末端進行熱交換，節(jié)能效果良好，可以有效提高制冷系統(tǒng)綜合能效[1]。由于此方案占地小[2]、能效高，減少建設成本的同時也極大降低了后期運營成本[3]。太原地鐵2號線一期工程全線公共區(qū)采用蒸發(fā)冷凝直膨設備，本文將從技術原理、技術經濟角度分析（設備費用、運行能耗、土建費用），對比其相對傳統(tǒng)冷源設備系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 工程概況

太原市地處大陸內部，東經112°33'，北緯37°47'，海拔高度778.3m，屬于暖溫帶大陸性季風氣候類型。太原市東、西、北三面環(huán)山，中部為沖積平原，大氣垂直變化大，地形氣候明顯。氣候的形成主要受太陽輻射、大氣環(huán)流、地理環(huán)境三個因素的綜合影響。

太原軌道交通2號線作為太原市城市軌道交通線網的主骨架線路，一期工程南起人民南路站，沿人民路、長治路、解放路向北布設，北端止于西澗河站，線路長度23.647km，共設車站23座，其中換乘站7座，最大站間距1580m（為長風街～王村南街區(qū)間），最小站間距715m（為府西街～輯虎營區(qū)間），平均站間距1058m。

圖1 太原市城市軌道交通2號線一期工程車站分布圖

2 技術原理

2.1 蒸發(fā)冷凝技術原理

蒸發(fā)冷凝技術在節(jié)能、高效、緊湊方面有很多優(yōu)勢，其是利用流體沸騰時的汽化潛熱帶走熱量的一種冷凝方式[4]，充分利用水的天然氣化潛熱冷卻高溫冷媒。機組省掉了冷卻水環(huán)節(jié)，取消了冷卻水泵和冷卻水系統(tǒng)的設置，減少了中間換熱，節(jié)省了能耗。由于其技術特點的限制，在空氣濕度小的地區(qū)才能更好的發(fā)揮其優(yōu)勢，太原屬于暖溫帶大陸性季風氣候類型，氣候相對干燥，因此在太原采用蒸發(fā)冷凝將大幅度減少機組系統(tǒng)能耗，降低碳排放。

圖2 蒸發(fā)冷凝技術原理圖

技術特點：

（1）取消冷卻塔、冷卻水泵、冷卻水管路系統(tǒng)；

（2）減少了中間換熱，提高了系統(tǒng)能效比；

（3）機組自帶自動軟水處理儀，適應各種水質。

2.2 直膨式技術原理

近些年對地鐵車站專用直膨式空調機組的蒸發(fā)器性能[5]以及直膨式空調系統(tǒng)與常規(guī)空調系統(tǒng)的全年能耗[6]的研究表明直膨技術在地鐵中的節(jié)能潛力巨大，系統(tǒng)效率遠高于傳統(tǒng)機組[7]。直膨式空調機組本身自帶壓縮機，因其制冷系統(tǒng)中液態(tài)制冷劑在其蒸發(fā)器盤管內直接蒸發(fā)（膨脹）實現(xiàn)對盤管外的空氣（也就是空調室內側空氣）吸熱而制冷。直膨式技術省掉了室內冷水機組、冷凍水泵及冷凍水管路，節(jié)省了室內空間，減少了換熱環(huán)節(jié)，提高了機組能效值。

圖3 蒸發(fā)冷凝直膨系統(tǒng)原理圖

技術特點：

（1）取消冷凍水泵、冷凍水管路系統(tǒng)；

（2）減少了中間換熱，提高了系統(tǒng)能效比；

（3）占地面積小，節(jié)省室內土建空間。

2.3 蒸發(fā)冷凝直膨技術結合

圖4 傳統(tǒng)機組與蒸發(fā)冷凝直膨機組冷量運輸方向對比

由圖4可知，蒸發(fā)冷凝直膨設備系統(tǒng)冷量傳輸方向相比傳統(tǒng)冷水機組方案減少了三個換熱環(huán)節(jié)，從技術原理上極大降低了換熱損失，提高了整機能效值。

3 蒸發(fā)冷凝直膨設備布置

3.1 蒸發(fā)冷凝直膨室內機布置

考慮到地下空間緊張、土建造價高，為降低通風空調設備地下占地空間，本次考慮將直膨室內機設置于新風道內，充分利用新風道的寬度布置機組，以節(jié)省空調機房面積。

圖5 蒸發(fā)冷凝直膨室內機設置于新風道內

3.2 蒸發(fā)冷凝直膨室外機布置

地鐵線路途經區(qū)域大部分為城市中心地帶，地面用地緊張，征地難度大，將室外機安裝在地面上不僅影響城市景觀和規(guī)劃，而且會給周圍環(huán)境帶來噪聲污染和衛(wèi)生隱患[8]?？紤]到排風井下部人防門外部空間未得到充分利用，車站單端總排風量一般維持在70000～90000m3/h之間，完全能夠滿足蒸發(fā)冷凝室外機的換熱通風量要求，因此將室外機放置在排風井底部，不僅節(jié)約地面占地，還能充分利用地下空間。

圖6 蒸發(fā)冷凝直膨室外機設置于排風井下面

4 技術經濟分析

車站公共區(qū)通風空調系統(tǒng)采用全空氣新風冷卻空調系統(tǒng)，選用蒸發(fā)冷凝直膨式設備系統(tǒng)，夏季空調輔助降溫，其余季節(jié)為通風運行。其主要功能為排除車站站廳和站臺公共區(qū)的余熱和余濕，保證車站公共區(qū)達到設計的溫濕度和空氣質量標準，同時通風空調系統(tǒng)兼作公共區(qū)事故排煙系統(tǒng)。以典型車站為例，從設備費用、運行能耗、土建費用方面對比分析蒸發(fā)冷凝直膨式通風空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

表1 典型車站公共區(qū)通風空調系統(tǒng)計算結果

4.1 設備費用

表2 設備費用

4.2 運行費用

表3 運行費用

4.3 土建費用

表4 土建費用

通過上面比較對比可知，全線23個站公共區(qū)空調采用蒸發(fā)冷凝直膨式設備系統(tǒng)初投資費用全線節(jié)省3279.8萬（設備費92萬+土建費用3187.8萬），運行費用每年節(jié)省123.05萬元。

5 結論

（1）蒸發(fā)冷凝直膨設備在技術原理上具有先進性，其減少了換熱環(huán)節(jié)，降低了傳熱能耗損失，相比傳統(tǒng)冷源系統(tǒng)極大提高了整機能效比，節(jié)省了后期運營費用；

（2）蒸發(fā)冷凝直膨設備室外機布置于排風井下部，充分利用車站排風對機組進行換熱，解決了室外冷卻塔設置困難、影響景觀美觀以及噪聲擾民等問題，同時使得地下建筑空間得以充分利用；

（3）蒸發(fā)冷凝直膨室內機布置于新風道內，充分利用新風道的寬度布置機組，節(jié)省了通風空調機房面積，減少了車站土建規(guī)模；

（4）車站公共區(qū)空調系統(tǒng)采用設備布置靈活、總投資小及運行費用低的蒸發(fā)冷凝直膨式設備系統(tǒng)適宜在西北、華北等干旱、半干旱地區(qū)大力推廣。

[1] 張文濤.城市軌道交通機電設備安裝工程“四新”技術應用淺析[J].機電信息,2018,(6):56-59.

[2] 郭誼嬋.蒸發(fā)式冷凝技術在地鐵車站空調系統(tǒng)中的應用研究[J].科學技術創(chuàng)新,2017,(17):82-83.

[3] 付凱.蒸發(fā)冷凝技術在西安地鐵空調系統(tǒng)中的技術經濟性分析[J].制冷與空調,2016,(1):66-69.

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[5] 李峰,鄭林濤,何石泉,等.地鐵車站專用直膨式空調機組的蒸發(fā)器性能[J].暖通空調,2017,(4):130-135.

[6] 李峰,鄭林濤,周孝清,等.直膨式空調系統(tǒng)用于地鐵車站的能耗分析[J].暖通空調,2016,(6):96-100.

[7] 周群,高吉祥,羅佳.直膨式蒸發(fā)冷凝空調系統(tǒng)應用于南方地鐵車站的可行性分析[J].建筑技術開發(fā),2017,(1): 151-152.

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[9] 李國慶.地鐵通風空調系統(tǒng)創(chuàng)新技術能效和測試情況分析[C].2016.

Technical and Economic Analysis of Evaporative Condensation Direct Expansion Technology in Taiyuan Metro Air Conditioning System

Liu Kai

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an, 710043)

In view of the high energy consumption and large scale of civil engineering about traditional air conditioning in Subway station public area, the scheme of using evaporative condensation direct expansion equipment in the design of the first phase of Taiyuan Metro Line 2 is proposed. By analyzing the superiority of the scheme in technical principle compared with the conventional cold source system, and comparing its influence on civil construction scale, equipment investment and operation cost. The results show that the initial investment cost of evaporative condensation direct expansion air conditioning system in 23 stations of the whole line can be saved by 32.798 million yuan, and the operation cost can be saved by 123.05 million yuan annually, which has good economic benefits.

Subway station; Evaporative condensation; Direct expansion

1671-6612（2019）01-056-6

TU83

A

劉 凱（1987.2-），碩士，工程師，E-mail：liukai164013@163.com

2018-11-22