蒸發式冷凝冷媒直膨空調系統在地鐵中的應用

劉祥寶 袁鳳東 周利超 王升

1 北京城建設計發展集團股份有限公司青島分公司

2 北京城建設計發展集團股份有限公司

0 引言

隨著我國軌道交通事業的發展，地 鐵車站空調冷源系統的形式也在不斷發展。常規水冷冷水系統包括三個循環：制 冷機組內的制冷循環，蒸 發器側的冷凍水循環和冷凝器側的冷卻水循環。工程中研究較多的有：蒸 發器側的直接蒸發式空調系統和冷凝器側的整體式蒸發冷凝系統。前者對直接蒸發式空調系統在地鐵車站中的應用做了相關研究，該 系統仍保留了冷卻塔及冷卻水循環[1-2]。后者對蒸發式冷凝冷水系統在地鐵車站中的應用做了相關研究，該 系統仍保留了冷凍水循環[3-7]。

上述系統或多或少存在如下問題：冷 凍水循環或冷卻水循環管路長、沿 程阻力大、水 泵能耗高。電冷源綜合制冷性能系數 SCOP 及空調系統效率仍不是很高。車站內部冷凍機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。寒冷地區冬季系統泄水不徹底時易凍裂管路及設備等[8]。

為此，本 項目結合工程實際采用了省去冷卻水循環和冷凍水循環，只 保留制冷循環的蒸發式冷凝冷媒直膨空調系統（以下簡稱“ 直膨蒸發冷系統”）。本文將對該系統在工程中的應用及實測予以闡述和分析。

1 系統工作原理

該直膨蒸發冷系統的工作原理如圖1 所示。系統主要有壓縮裝置，板 管蒸發式冷凝器和直接蒸發式空調柜（內置電子膨脹閥）組 成。工作時，冷 媒在直接蒸發式空調柜蒸發器內蒸發吸熱，空調柜送出空調冷風，在 壓縮機的驅動下高溫高壓冷媒氣體進入板管蒸發式冷凝器冷凝放熱，由 車站既有排熱風機帶走冷凝熱，降 溫后的中低溫冷媒液體經膨脹閥進入直接蒸發式空調柜蒸發器再次吸熱，如 此完成一個制冷循環。

圖1 蒸發式冷凝冷媒直膨空調系統原理圖

其中板管蒸發式冷凝器工作原理：工 作時冷卻水由內置水泵送至冷凝管組上部噴嘴，均 勻地噴淋在板式蒸發器板管外表面，形 成一層很薄的水膜，高 溫汽態制冷劑走板管內部空間，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為水蒸汽，其 余落在下部集水盤內，供 水泵循環使用。在這個過程中，排 風機排風掠過冷凝排管促使水膜蒸發，強 化冷凝管外放熱，帶 走冷凝熱并與未蒸發的冷卻水進行氣-水換熱[9]。

2 工程應用

2.1 工程概況

本項目為山東某地鐵線路中的一座標準車站，為地下兩層島式站臺車站。地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。車站總長222 m，標 準段寬度 22.7 m，站臺寬度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。

經計算，本 站公共區冷負荷為 660 kW，設 備管理用房冷負荷為295 kW。

2.2 設備布置

常規水冷冷水系統一般在車站大端設置冷凍機房，經 冷凍水泵及水管長距離輸送至小端。不同與此，本系統在車站大端和小端分別設置空調冷源，不 需要跨越公共區進行冷水輸送。圖2 所示為車站一端的設備布置平面圖（另一端與此類似）。

圖2 車站一端的設備布置平面圖

根據車站大小系統冷負荷，經 設備廠商深化，大 系統采用螺桿式壓縮機，小 系統采用渦旋式壓縮機，各 個系統的壓縮機對應獨立的直接蒸發式空調柜，也 即制冷循環獨立設置。冷凝器部分則整合成一個模塊，嵌 入安裝在排風道內，可 沿中軸旋轉，并 充分利用車站既有區間隧道排風機對外排風帶走冷凝熱，無 需外置風機或風機墻。非空調季時，可將板管蒸發式冷凝器旋轉與風道平行，以減小對外排風風阻?？照{季的蒸發式冷凝器狀態如圖3 所示。各系統的壓縮機整合在一個壓縮裝置內，布 置于活塞風道內，各 系統的直接蒸發式空調柜布置再環控機房內。為保證冷卻水質，系統設置了軟水裝置及旁濾過濾器等，就 近布置在冷凝器附近的風道內。

圖3 空調季的蒸發式冷凝器狀態圖

3 技術經濟分析

首先選取與本項目車站（稱之為車站 A）在 建筑規模、氣 象條件、冷 負荷、客 流行車組織等均相似，且 采用常規水冷冷水系統的另一條線路的車站 B 作為參照，進 行經濟比對分析。后續同樣對車站 A 和車站B 進行了實測分析。

采用不同冷源形式的兩座車站的設備配置和投資對比表，詳 見表1，全 壽命周期技術經濟分析具體見表2。

表1 設備配置和投資

表2 全壽命周期技術經濟分析

由表 1 可見，直膨蒸發冷系統省去了冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔（可節省約 80 m2地面占地），但 由于采用了直接蒸發式空調柜等，總 體造價高于水冷冷水系統約14%。

由表 2 可見，直膨蒸發冷系統不需設置冷凍機房，可 節省約200 m2的建筑面積。直膨蒸發冷系統相比水冷冷水系統，年 耗電費用節省31.5%，年 耗水費用節省52.9%。而 整個全壽命周期的年綜合費用，直 彭蒸發冷系統與水冷冷水系統比例為1:0.766。

4 實際運行測試及分析

本項目于2018 年底開通運營，為 檢驗直膨蒸發冷系統的實際運行效果，2019 年8 月份，對分別采用直膨蒸發冷系統和水冷冷水系統的車站 A 和車站 B 進行了第三方測試。

測試內容包括：直 膨和水冷空調柜的進出風溫濕度、風 量、功 率，直 膨蒸發冷系統螺桿壓縮機、渦 旋壓縮機、冷 凝器及水泵的功率，水 冷冷水系統機組、水 泵、冷卻塔的功率等。

主要測試設備有：溫 濕度自記儀、超 聲波流量計、熱球風速儀、電 功率計等。

為保證測試精度，測 試期間進行了多點測量，取 有效數據，求 其平均值等科學的測試及數據處理方式。

A 車站室外環境參數：干 球溫度 29 ℃、濕 球溫度25.3 ℃、相 對濕度75%。B 車站室外環境參數：干 球溫度28.3 ℃、濕 球溫度24.4 ℃、相 對濕度73%。兩 者數值相近。

在對兩種冷源系統進行測試、數 據處理及計算分析后，總結得到能效參數如表3 所示。評價內容主要有：冷 機 COP、電 冷源綜合制冷性能系數 SCOP[10]、空調系統效率。

表3 能效測試對比表

由表3 可見，測 試期間直膨蒸發冷系統、水 冷冷水系統均未滿負荷運行，大 致在 41%-45%之間。采用渦旋式和螺桿式壓縮機的直膨蒸發冷系統比水冷冷水系統，冷 機 COP，分 別高 24%、37%。冷源系統 SCOP，分別高36%、61%?？照{系統效率，分 別高8.7%、85%。渦旋式壓縮機直膨蒸發冷空調系統效率僅比水冷冷水系統略高，是 因為小系統空調柜內置風機為定頻風機（大系統空調柜風機為變頻），部 分負荷時，風 機功率占比相對較高所致。

5 結論

綜上所述，蒸 發式冷凝冷媒直膨空調系統，系 統精簡，運 維簡便，有 效解決了常規水冷冷水系統冷卻塔占地、漂 水、噪 聲擾民等問題。不 需要車站冷凍機房，減少了土建造價。相比水冷冷水系統，年 耗電費用節省31.5%，年 耗水費用節省52.9%。采用渦旋式和螺桿式壓縮機的直膨蒸發冷系統比水冷冷水系統，冷機COP，分別高 24%、37%。冷源系統 SCOP，分別高36%、61%?？照{系統效率，分 別高8.7%、85%。充分體現了該系統節地、節 電、節 水，能 效高的優點。相信在做好冷卻水水質處理，提 高冷媒系統管路安裝質量的前提下，蒸 發式冷凝冷媒直膨空調系統將在地鐵工程中得到更為廣泛的應用和發展。