蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨系統(tǒng)在廣州某地鐵車站的應(yīng)用

龔保偉

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著地鐵線網(wǎng)規(guī)劃的覆蓋面積不斷增加，如何將地鐵工程與繁華擁擠的城市環(huán)境相協(xié)調(diào)的結(jié)合是目前地鐵建設(shè)中日益突顯的問題。對(duì)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)而言，對(duì)城市環(huán)境有影響的設(shè)備是冷卻塔，地鐵工程的冷卻塔與周邊環(huán)境的關(guān)系被日益重視。隨著通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，空調(diào)冷源也出現(xiàn)了新型設(shè)備，可通過采用新型設(shè)備解決降低空調(diào)系統(tǒng)在建設(shè)及運(yùn)營過程中對(duì)環(huán)境的影響。

為解決目前地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在的相關(guān)問題，提出一種新型的地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)-蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨系統(tǒng)[1]。新系統(tǒng)在廣州某地鐵車站作為示范應(yīng)用，于2018年6月30日開通運(yùn)營。本文將重點(diǎn)介紹了新系統(tǒng)基本原理、設(shè)備組成及其在示范車站的應(yīng)用情況。

1 技術(shù)原理和設(shè)備組成

1.1 技術(shù)原理

蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨技術(shù)原理是：高溫高壓冷媒蒸汽經(jīng)過蒸發(fā)式冷凝器冷卻后變成高壓低溫的液態(tài)制冷劑，經(jīng)過節(jié)流裝置后變成低壓低溫的冷媒，進(jìn)入直膨蒸發(fā)末端裝置的蒸發(fā)器與空氣循環(huán)空氣進(jìn)行蒸發(fā)換熱后，變成高溫高壓的蒸汽，然后經(jīng)過壓縮機(jī)吸入后壓縮變成高溫高壓的冷媒蒸汽，如此反復(fù)完成制冷循環(huán)[2]。圖1為蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨系統(tǒng)。

1.2 設(shè)備組成

圖1 蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨系統(tǒng)

設(shè)備原理是將常規(guī)冷水系統(tǒng)中的5大重要組成部件（冷卻塔+冷卻水泵+冷水機(jī)組+冷凍水泵+空調(diào)末端機(jī)組）拆分，即新系統(tǒng)的設(shè)備主要由以下3個(gè)部分組成：①蒸發(fā)冷凝裝置。②壓縮機(jī)裝置。③直膨蒸發(fā)末端裝置。

蒸發(fā)冷凝裝置由風(fēng)機(jī)墻、蒸發(fā)冷凝裝置、噴淋水系統(tǒng)等部件集成，通常嵌裝于地下土建附屬的新風(fēng)道與排風(fēng)道之間隔墻上，根據(jù)實(shí)際的空間也可以選擇放置在新風(fēng)道、排風(fēng)道或者新、排風(fēng)道之間的機(jī)房；壓縮機(jī)裝置由螺桿壓縮機(jī)、離心式油分離器、儲(chǔ)液器、氣液分離器、本地電氣控制箱等元器件組成，為冷媒循環(huán)動(dòng)力源；直膨蒸發(fā)末端裝置包含膨脹閥、蒸發(fā)器部件，蒸發(fā)器采用直接蒸發(fā)制冷來取代常規(guī)空調(diào)機(jī)組中的表冷器，由空氣直接與蒸發(fā)器換熱。

新系統(tǒng)自帶集成控制系統(tǒng)，集成控制系統(tǒng)監(jiān)管下轄制冷劑管路系統(tǒng)所覆蓋的設(shè)備（蒸發(fā)冷凝裝置、壓縮機(jī)裝置、直膨蒸發(fā)末端裝置等），采用開放式協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)通信接口，與BAS進(jìn)行對(duì)接。集成控制系統(tǒng)向BAS反饋空調(diào)系統(tǒng)各裝置運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，接收BAS系統(tǒng)監(jiān)測的車站各空調(diào)區(qū)域工況，傳輸給各裝置就地控制箱。

2 廣州某站的應(yīng)用情況

2.1 工程概況

本站為廣州地鐵九號(hào)線工程第十座車站，為新增車站。車站為地下兩層島式站臺(tái)車站，標(biāo)準(zhǔn)段寬29.25m，總建筑面積為14170.95m2，空調(diào)建筑面積為4216m2。車站負(fù)一層為站廳層，中部為公共區(qū)，兩端為環(huán)控機(jī)房、風(fēng)道及部分設(shè)備用房；為了減少現(xiàn)有盾構(gòu)區(qū)間廢除工程量，車站長度控制在160m，車站的主要辦公設(shè)備用房區(qū)設(shè)置在上行線外側(cè)一跨空間內(nèi)。車站負(fù)二層為站臺(tái)層。本站2037年晚高峰客流為8044人/h，超高峰系數(shù)為1.3。

本站為國內(nèi)外灰?guī)r區(qū)第一座先隧后站的車站，第一座頂板覆土只有700～800mm的車站，南方地區(qū)第一座采用蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨系統(tǒng)的車站。

2.2 系統(tǒng)劃分

本站為分站供冷車站，總冷負(fù)荷為1073kW，其中A端冷負(fù)荷為486kW，B端冷負(fù)荷為587kW（以車站中心線為界，中心線以左區(qū)域?yàn)锳端，中心線以右區(qū)域?yàn)锽端）。車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（大系統(tǒng)）采用雙風(fēng)機(jī)一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，雙端送風(fēng)，在車站兩端的通風(fēng)空調(diào)機(jī)房內(nèi)各設(shè)置一套系統(tǒng)，分別負(fù)擔(dān)公共區(qū)一半的空調(diào)負(fù)荷。車站設(shè)備管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（小系統(tǒng)）共設(shè)有6個(gè)小系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，兩端各3個(gè)。

A端大系統(tǒng)獨(dú)立對(duì)應(yīng)一套壓縮機(jī)裝置，即獨(dú)立制冷劑管路；A端小系統(tǒng)因冷量相近，且各末端所在分支管管路長度適宜，3臺(tái)小系統(tǒng)末端對(duì)應(yīng)一套壓縮機(jī)裝置，即一拖三。B端大系統(tǒng)獨(dú)立對(duì)應(yīng)一套壓縮機(jī)裝置，即獨(dú)立制冷劑管路；B端小系統(tǒng)B1和B2系統(tǒng)因冷量相近，且各末端所在分支管管路長度適宜，故這兩臺(tái)末端對(duì)應(yīng)一套壓縮機(jī)裝置，即一拖二；B端小系統(tǒng)B3系統(tǒng)獨(dú)立對(duì)應(yīng)一套壓縮機(jī)裝置，即該小系統(tǒng)獨(dú)立制冷劑管路。

2.3 設(shè)備布置

根據(jù)大系統(tǒng)和小系統(tǒng)的負(fù)荷大小和運(yùn)行時(shí)間的不同，車站在兩端各設(shè)一臺(tái)蒸發(fā)冷凝裝置，分別負(fù)擔(dān)該端的冷量。蒸發(fā)冷凝裝置設(shè)置在車站附屬新排風(fēng)道之間的風(fēng)道隔間（面積均為70m2）內(nèi)，采用由EC風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)機(jī)墻作為蒸發(fā)冷凝裝置的排風(fēng)動(dòng)力裝置，由新風(fēng)道引風(fēng)，將熱濕空氣排至排風(fēng)道，在蒸發(fā)冷凝裝置出風(fēng)口設(shè)置止回閥，由設(shè)備自帶。

A端大系統(tǒng)直膨組合式空調(diào)機(jī)組、小系統(tǒng)1臺(tái)直膨柜式空調(diào)器放置在A端站廳層環(huán)控機(jī)房內(nèi)，另外2臺(tái)直膨柜式空調(diào)器放置在A端站臺(tái)層環(huán)控機(jī)房內(nèi)，最遠(yuǎn)空調(diào)末端至蒸發(fā)冷凝裝置冷媒管等效長度為40m。B端大系統(tǒng)直膨組合式空調(diào)機(jī)組、小系統(tǒng)1臺(tái)直膨柜式空調(diào)器放置在B端站廳層環(huán)控機(jī)房內(nèi)，另外2臺(tái)直膨柜式空調(diào)器放置在B端站臺(tái)層環(huán)控機(jī)房內(nèi)，最遠(yuǎn)空調(diào)末端至蒸發(fā)冷凝裝置冷媒管等效長度為35m。集成控制系統(tǒng)群控柜分別設(shè)置在站廳層兩端的環(huán)控機(jī)房內(nèi)，不額外占用設(shè)備用房。

車站系統(tǒng)平面圖布置如圖2、圖3所示。

圖2 車站站廳層設(shè)備布置

圖3 車站站臺(tái)層設(shè)備布置

2.4 運(yùn)行能效

蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)地鐵車站冷水系統(tǒng)相比，理論上有3個(gè)方面節(jié)能優(yōu)勢，分別是蒸發(fā)冷凝器的節(jié)能、蒸發(fā)冷凝器對(duì)壓縮系統(tǒng)的節(jié)能和冷媒直接蒸發(fā)的節(jié)能[3]。

本站于2018年6月30日開通運(yùn)營，車站集成控制系統(tǒng)監(jiān)測各機(jī)組的運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)，并記錄了歷史運(yùn)行參數(shù)。本文選取典型空調(diào)季中的2021年7月7日至2021年8月4日共29天的B端新系統(tǒng)冷源側(cè)（含蒸發(fā)冷凝裝置、壓縮機(jī)裝置）綜合制冷性能系數(shù)逐時(shí)數(shù)據(jù)和B端新系統(tǒng)全系統(tǒng)（含蒸發(fā)冷凝裝置、壓縮機(jī)裝置、直膨蒸發(fā)末端裝置）綜合制冷性能系數(shù)逐時(shí)數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。

圖4 B端新系統(tǒng)冷源側(cè)逐時(shí)綜合制冷性能系數(shù)（2021/7/7—2021/8/4）

分析上述數(shù)據(jù)可得，本站B端新系統(tǒng)冷源側(cè)該時(shí)間段內(nèi)的綜合制冷性能系數(shù)平均值為5.58，現(xiàn)有常規(guī)地鐵車站冷水系統(tǒng)綜合制冷性能系數(shù)（制冷量與冷水機(jī)組、冷卻水泵及冷卻塔凈輸入能量之比）在3.5～4.2之間；B端新系統(tǒng)全系統(tǒng)該時(shí)間段內(nèi)的綜合制冷性能系數(shù)平均值為4.03，現(xiàn)有常規(guī)地鐵車站全系統(tǒng)綜合制冷性能系數(shù)（制冷量與冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔、空調(diào)末端凈輸入能量之比）在2.5～3.0之間。

綜上所述，本站蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)地鐵車站冷水系統(tǒng)可獲得30%以上的節(jié)能效益。

圖5 B端新系統(tǒng)全系統(tǒng)逐時(shí)綜合制冷性能系數(shù)（2021/7/7—2021/8/4）

3 與常規(guī)方案對(duì)比

通過在土建初投資、設(shè)備初投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等方面進(jìn)行全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，可得出新系統(tǒng)具有節(jié)地、節(jié)能和簡化管路等多方面優(yōu)勢。兩種方案綜合對(duì)比如表1所示。

表1 新系統(tǒng)與常規(guī)冷水系統(tǒng)的對(duì)比

4 結(jié)語

相較于常規(guī)地鐵車站冷水系統(tǒng)，蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨空調(diào)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：①減少換熱效率，具有一定的節(jié)能效益。②設(shè)備布置靈活，可充分利用地鐵車站土建特性，節(jié)省車站主體用地。③制冷劑管路替換冷凍水、冷卻水管路，簡化管路布置。④地面無冷卻塔，解決了冷卻塔設(shè)置困難、影響景觀美觀以及噪聲擾民等問題。當(dāng)然，新系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中也存在一些問題，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化；另一方面，技術(shù)原理上決定了新系統(tǒng)在氣候干燥地區(qū)具有更大的節(jié)能效益[4]，在南方地區(qū)熱濕環(huán)境中新系統(tǒng)運(yùn)行能效比會(huì)有所降低，不能充分發(fā)揮新系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢[5]。

地鐵車站蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣應(yīng)結(jié)合各地區(qū)、各車站的實(shí)際條件，結(jié)合業(yè)主要求，進(jìn)行細(xì)致的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益比選，以最大化地發(fā)揮蒸發(fā)冷凝及末端空調(diào)器直膨系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。