蒸發(fā)式冷凝冷媒直膨空調(diào)系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

劉祥寶 袁鳳東 周利超 王升

1 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司青島分公司

2 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司

0 引言

隨著我國(guó)軌道交通事業(yè)的發(fā)展，地 鐵車站空調(diào)冷源系統(tǒng)的形式也在不斷發(fā)展。常規(guī)水冷冷水系統(tǒng)包括三個(gè)循環(huán)：制 冷機(jī)組內(nèi)的制冷循環(huán)，蒸 發(fā)器側(cè)的冷凍水循環(huán)和冷凝器側(cè)的冷卻水循環(huán)。工程中研究較多的有：蒸 發(fā)器側(cè)的直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)和冷凝器側(cè)的整體式蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)。前者對(duì)直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)在地鐵車站中的應(yīng)用做了相關(guān)研究，該 系統(tǒng)仍保留了冷卻塔及冷卻水循環(huán)[1-2]。后者對(duì)蒸發(fā)式冷凝冷水系統(tǒng)在地鐵車站中的應(yīng)用做了相關(guān)研究，該 系統(tǒng)仍保留了冷凍水循環(huán)[3-7]。

上述系統(tǒng)或多或少存在如下問(wèn)題：冷 凍水循環(huán)或冷卻水循環(huán)管路長(zhǎng)、沿 程阻力大、水 泵能耗高。電冷源綜合制冷性能系數(shù) SCOP 及空調(diào)系統(tǒng)效率仍不是很高。車站內(nèi)部冷凍機(jī)房占用面積或地面冷卻塔占地、征遷難、漂 水、噪 聲擾民、影 響景觀。寒冷地區(qū)冬季系統(tǒng)泄水不徹底時(shí)易凍裂管路及設(shè)備等[8]。

為此，本 項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際采用了省去冷卻水循環(huán)和冷凍水循環(huán)，只 保留制冷循環(huán)的蒸發(fā)式冷凝冷媒直膨空調(diào)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“ 直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)”）。本文將對(duì)該系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用及實(shí)測(cè)予以闡述和分析。

1 系統(tǒng)工作原理

該直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。系統(tǒng)主要有壓縮裝置，板 管蒸發(fā)式冷凝器和直接蒸發(fā)式空調(diào)柜（內(nèi)置電子膨脹閥）組 成。工作時(shí)，冷 媒在直接蒸發(fā)式空調(diào)柜蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，空調(diào)柜送出空調(diào)冷風(fēng)，在 壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高溫高壓冷媒氣體進(jìn)入板管蒸發(fā)式冷凝器冷凝放熱，由 車站既有排熱風(fēng)機(jī)帶走冷凝熱，降 溫后的中低溫冷媒液體經(jīng)膨脹閥進(jìn)入直接蒸發(fā)式空調(diào)柜蒸發(fā)器再次吸熱，如 此完成一個(gè)制冷循環(huán)。

圖1 蒸發(fā)式冷凝冷媒直膨空調(diào)系統(tǒng)原理圖

其中板管蒸發(fā)式冷凝器工作原理：工 作時(shí)冷卻水由內(nèi)置水泵送至冷凝管組上部噴嘴，均 勻地噴淋在板式蒸發(fā)器板管外表面，形 成一層很薄的水膜，高 溫汽態(tài)制冷劑走板管內(nèi)部空間，被 板管外的冷卻水（膜）吸收熱量冷凝成液體從板管下部流出，吸 收熱量的水一部分蒸發(fā)為水蒸汽，其 余落在下部集水盤內(nèi)，供 水泵循環(huán)使用。在這個(gè)過(guò)程中，排 風(fēng)機(jī)排風(fēng)掠過(guò)冷凝排管促使水膜蒸發(fā)，強(qiáng) 化冷凝管外放熱，帶 走冷凝熱并與未蒸發(fā)的冷卻水進(jìn)行氣-水換熱[9]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本項(xiàng)目為山東某地鐵線路中的一座標(biāo)準(zhǔn)車站，為地下兩層島式站臺(tái)車站。地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層。車站總長(zhǎng)222 m，標(biāo) 準(zhǔn)段寬度 22.7 m，站臺(tái)寬度14 m。車站總建筑面積 13979 m2，其 中車站主體建筑面積11003 m2，附 屬建筑面積2976 m2。

經(jīng)計(jì)算，本 站公共區(qū)冷負(fù)荷為 660 kW，設(shè) 備管理用房冷負(fù)荷為295 kW。

2.2 設(shè)備布置

常規(guī)水冷冷水系統(tǒng)一般在車站大端設(shè)置冷凍機(jī)房，經(jīng) 冷凍水泵及水管長(zhǎng)距離輸送至小端。不同與此，本系統(tǒng)在車站大端和小端分別設(shè)置空調(diào)冷源，不 需要跨越公共區(qū)進(jìn)行冷水輸送。圖2 所示為車站一端的設(shè)備布置平面圖（另一端與此類似）。

圖2 車站一端的設(shè)備布置平面圖

根據(jù)車站大小系統(tǒng)冷負(fù)荷，經(jīng) 設(shè)備廠商深化，大 系統(tǒng)采用螺桿式壓縮機(jī)，小 系統(tǒng)采用渦旋式壓縮機(jī)，各 個(gè)系統(tǒng)的壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)獨(dú)立的直接蒸發(fā)式空調(diào)柜，也 即制冷循環(huán)獨(dú)立設(shè)置。冷凝器部分則整合成一個(gè)模塊，嵌 入安裝在排風(fēng)道內(nèi)，可 沿中軸旋轉(zhuǎn)，并 充分利用車站既有區(qū)間隧道排風(fēng)機(jī)對(duì)外排風(fēng)帶走冷凝熱，無(wú) 需外置風(fēng)機(jī)或風(fēng)機(jī)墻。非空調(diào)季時(shí)，可將板管蒸發(fā)式冷凝器旋轉(zhuǎn)與風(fēng)道平行，以減小對(duì)外排風(fēng)風(fēng)阻。空調(diào)季的蒸發(fā)式冷凝器狀態(tài)如圖3 所示。各系統(tǒng)的壓縮機(jī)整合在一個(gè)壓縮裝置內(nèi)，布 置于活塞風(fēng)道內(nèi)，各 系統(tǒng)的直接蒸發(fā)式空調(diào)柜布置再環(huán)控機(jī)房?jī)?nèi)。為保證冷卻水質(zhì)，系統(tǒng)設(shè)置了軟水裝置及旁濾過(guò)濾器等，就 近布置在冷凝器附近的風(fēng)道內(nèi)。

圖3 空調(diào)季的蒸發(fā)式冷凝器狀態(tài)圖

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

首先選取與本項(xiàng)目車站（稱之為車站 A）在 建筑規(guī)模、氣 象條件、冷 負(fù)荷、客 流行車組織等均相似，且 采用常規(guī)水冷冷水系統(tǒng)的另一條線路的車站 B 作為參照，進(jìn) 行經(jīng)濟(jì)比對(duì)分析。后續(xù)同樣對(duì)車站 A 和車站B 進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析。

采用不同冷源形式的兩座車站的設(shè)備配置和投資對(duì)比表，詳 見(jiàn)表1，全 壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析具體見(jiàn)表2。

表1 設(shè)備配置和投資

表2 全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

由表 1 可見(jiàn)，直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)省去了冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔（可節(jié)省約 80 m2地面占地），但 由于采用了直接蒸發(fā)式空調(diào)柜等，總 體造價(jià)高于水冷冷水系統(tǒng)約14%。

由表 2 可見(jiàn)，直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)不需設(shè)置冷凍機(jī)房，可 節(jié)省約200 m2的建筑面積。直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)相比水冷冷水系統(tǒng)，年 耗電費(fèi)用節(jié)省31.5%，年 耗水費(fèi)用節(jié)省52.9%。而 整個(gè)全壽命周期的年綜合費(fèi)用，直 彭蒸發(fā)冷系統(tǒng)與水冷冷水系統(tǒng)比例為1:0.766。

4 實(shí)際運(yùn)行測(cè)試及分析

本項(xiàng)目于2018 年底開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，為 檢驗(yàn)直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，2019 年8 月份，對(duì)分別采用直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)和水冷冷水系統(tǒng)的車站 A 和車站 B 進(jìn)行了第三方測(cè)試。

測(cè)試內(nèi)容包括：直 膨和水冷空調(diào)柜的進(jìn)出風(fēng)溫濕度、風(fēng) 量、功 率，直 膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)螺桿壓縮機(jī)、渦 旋壓縮機(jī)、冷 凝器及水泵的功率，水 冷冷水系統(tǒng)機(jī)組、水 泵、冷卻塔的功率等。

主要測(cè)試設(shè)備有：溫 濕度自記儀、超 聲波流量計(jì)、熱球風(fēng)速儀、電 功率計(jì)等。

為保證測(cè)試精度，測(cè) 試期間進(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)量，取 有效數(shù)據(jù)，求 其平均值等科學(xué)的測(cè)試及數(shù)據(jù)處理方式。

A 車站室外環(huán)境參數(shù)：干 球溫度 29 ℃、濕 球溫度25.3 ℃、相 對(duì)濕度75%。B 車站室外環(huán)境參數(shù)：干 球溫度28.3 ℃、濕 球溫度24.4 ℃、相 對(duì)濕度73%。兩 者數(shù)值相近。

在對(duì)兩種冷源系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、數(shù) 據(jù)處理及計(jì)算分析后，總結(jié)得到能效參數(shù)如表3 所示。評(píng)價(jià)內(nèi)容主要有：冷 機(jī) COP、電 冷源綜合制冷性能系數(shù) SCOP[10]、空調(diào)系統(tǒng)效率。

表3 能效測(cè)試對(duì)比表

由表3 可見(jiàn)，測(cè) 試期間直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)、水 冷冷水系統(tǒng)均未滿負(fù)荷運(yùn)行，大 致在 41%-45%之間。采用渦旋式和螺桿式壓縮機(jī)的直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)比水冷冷水系統(tǒng)，冷 機(jī) COP，分 別高 24%、37%。冷源系統(tǒng) SCOP，分別高36%、61%?？照{(diào)系統(tǒng)效率，分 別高8.7%、85%。渦旋式壓縮機(jī)直膨蒸發(fā)冷空調(diào)系統(tǒng)效率僅比水冷冷水系統(tǒng)略高，是 因?yàn)樾∠到y(tǒng)空調(diào)柜內(nèi)置風(fēng)機(jī)為定頻風(fēng)機(jī)（大系統(tǒng)空調(diào)柜風(fēng)機(jī)為變頻），部 分負(fù)荷時(shí)，風(fēng) 機(jī)功率占比相對(duì)較高所致。

5 結(jié)論

綜上所述，蒸 發(fā)式冷凝冷媒直膨空調(diào)系統(tǒng)，系 統(tǒng)精簡(jiǎn)，運(yùn) 維簡(jiǎn)便，有 效解決了常規(guī)水冷冷水系統(tǒng)冷卻塔占地、漂 水、噪 聲擾民等問(wèn)題。不 需要車站冷凍機(jī)房，減少了土建造價(jià)。相比水冷冷水系統(tǒng)，年 耗電費(fèi)用節(jié)省31.5%，年 耗水費(fèi)用節(jié)省52.9%。采用渦旋式和螺桿式壓縮機(jī)的直膨蒸發(fā)冷系統(tǒng)比水冷冷水系統(tǒng)，冷機(jī)COP，分別高 24%、37%。冷源系統(tǒng) SCOP，分別高36%、61%?？照{(diào)系統(tǒng)效率，分 別高8.7%、85%。充分體現(xiàn)了該系統(tǒng)節(jié)地、節(jié) 電、節(jié) 水，能 效高的優(yōu)點(diǎn)。相信在做好冷卻水水質(zhì)處理，提 高冷媒系統(tǒng)管路安裝質(zhì)量的前提下，蒸 發(fā)式冷凝冷媒直膨空調(diào)系統(tǒng)將在地鐵工程中得到更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。