地鐵站分體式蒸發冷凝制冷系統

王 起 鄭 奕

(北京市市政工程設計研究總院有限公司,100082,北京)

傳統地鐵站的制冷系統采用“水冷螺桿機組+冷卻塔”組合形式,地面冷卻塔的設置與周圍的城市景觀顯得格格不入,同時還存在地面冷卻塔噪聲污染及漂水等問題。蒸發冷凝制冷系統以水和空氣的混合物作為冷卻介質,利用冷卻水蒸發時的汽化潛熱帶走系統冷凝換熱盤管內制冷劑的凝結熱,其換熱過程是一個傳熱傳質過程,具有更高的COP(制冷系數)、效率及冷量利用率。此外,蒸發冷凝制冷系統無需地面冷卻塔,可全地下設置,減少了地面征地、占地,以及對周圍景觀環境的影響。因此,近年來蒸發冷凝制冷系統在地鐵項目中獲得了越來越多的應用。本文對蒸發冷凝制冷系統組成及其制冷原理進行了介紹,并結合北京某地鐵車站蒸發冷凝制冷系統的選型設置情況進行了能效分析,對蒸發冷凝系統工程應用中的常見問題進行了研究。

1 蒸發冷凝制冷系統及制冷原理介紹

蒸發冷凝制冷系統通常分為整體式與分體式。分體式蒸發冷凝制冷系統是指蒸發冷凝裝置、壓縮機、直膨空調機組分體設置的系統,制冷劑采用氟利昂冷媒。直膨空調機組既是系統蒸發器,也是空調系統末端。除蒸發冷凝裝置內設置冷卻水泵外,不設置冷卻塔、冷凍水泵等其他水系統設備。整體式蒸發冷凝制冷系統由整體式蒸發冷凝冷水機組、冷凍水泵、空調系統末端等設備組成。整體式蒸發冷凝冷水機組集蒸發冷凝裝置、壓縮機、蒸發器、冷卻水泵于一體,也稱為一體式蒸發冷凝冷水機組。整體式蒸發冷凝制冷系統以水為冷媒,當向車站供冷時仍需設置冷凍水泵。

在分體式蒸發冷凝制冷系統中,蒸發冷凝裝置集成了冷卻塔、冷卻水泵及冷水機組冷凝器的功能,直膨式空調機組則集成了水管盤空調機組表冷器及冷水機組蒸發器的功能,其壓縮機動力裝置即為冷水機組壓縮機。因此,分體式蒸發冷凝制冷系統中取消了冷卻塔及冷凍水循環系統。從蒸發冷凝裝置室外空氣到空調末端室內空氣,制冷量的傳遞只需經過1次循環(即1次冷媒制冷劑循環),以及制冷劑與空氣的2次換熱(即制冷劑先后分別與室內空氣及室外空氣進行換熱)。

在整體式蒸發冷凝制冷系統中,一體式蒸發冷凝冷水機組集成了冷卻塔、冷卻水泵及冷水機組?？照{系統末端采用水盤管空調機組,未設置冷卻塔,但仍保留冷凍水循環系統及冷凍水泵。從一體式蒸發冷凝冷水機組室外空氣到空調末端室內空氣,制冷量的傳遞需要經過2次循環(1次冷媒制冷劑循環和1次冷凍水循環),以及3次換熱(制冷劑與冷凍水的換熱、室外空氣的換熱及室內空氣與冷凍水的換熱)。

相較于傳統冷水式螺桿式機組制冷系統,分體式和整體式蒸發冷凝制冷系統極大地壓縮了冷量及冷媒介質的傳輸過程。分體式與整體式蒸發冷凝制冷系統原理示意圖如圖1所示。

a) 分體式

2 實際工程應用

2.1 車站概況

北京某地鐵車站為地下四層側式車站,呈“」型”南北布置,車站總建筑面積為14 852 m2。其中:橫向為車站主體(地下兩層),包含車站站廳及站臺層公共區;豎向為車站北側外掛廳(地下四層),從上至下分別為下沉廣場層、換乘站廳層、站廳層和站臺層,豎向區域包含車站設備區及部分公共區。該車站位于城市核心區,與政府辦公大樓及著名景點毗鄰,為還原城市景觀,車站頂部設置一體化下沉空間。車站的核心區位及地面景觀需求限制了地面冷卻塔等地面設備的設置,因此選定了蒸發冷凝制冷系統為車站提供冷源。

2.2 蒸發冷凝制冷系統適用性

蒸發冷凝裝置的換熱過程主要包括冷凝換熱盤管內制冷劑蒸汽與盤管外水膜的顯熱傳遞過程,以及盤管外水膜表面與空氣之間水膜蒸發的潛熱傳熱過程。這兩種換熱過程分別受室外空氣干濕球及露點溫度影響。

根據文獻[1]針對全國31個省會城市的統計結果,全國各省會城市的地鐵夏季晚高峰時刻、最高濕球溫度及干球溫度與蒸發冷凝系統常規冷凝溫度之間存在較大的溫差,可滿足蒸發冷凝機組在地鐵中的正常運行,適合采用蒸發冷凝制冷系統。

2.3 蒸發冷凝制冷系統類型選擇

該車站設備區面積緊張,僅在車站站廳層北側外掛廳設置一個環控機房,且環控機房下層為供電及通信等設備房間,無法設置地下冷水機房,因此無法采用需設置冷凍水循環系統的整體式蒸發冷凝制冷系統,只能采用僅以氟利昂為冷媒的分體式蒸發冷凝制冷系統。

根據蒸發冷凝裝置在車站風道內安裝方式的不同,分體式蒸發冷凝制冷系統可分為風道嵌裝型、風墻嵌裝型及風井嵌裝型3種類型。3種類型的分體式蒸發冷凝裝置的優缺點如表1所示。

表1 3種類型分體式蒸發冷凝裝置優缺點

由于車站內排風道較短,排風道長度小于20 m,且蒸發冷凝裝置設置在排風井道內,通風利用率較低,故最終采用分體式風墻嵌裝型蒸發冷凝制冷系統方案。風墻嵌裝型蒸發冷凝裝置設備示意圖如圖2所示。該蒸發冷凝裝置由冷卻風機、冷卻水泵、冷凝盤管、防火閥及止回閥等組成。

圖2 風墻嵌裝型蒸發冷凝裝置設備示意圖

2.4 設備布置

車站共設置2套蒸發冷凝制冷系統,系統編號分別為ZFL-101和ZFL-201。ZFL-101系統負責車站公共區通風空調系統(以下簡稱“大系統”)供冷,按大系統劃分,配置2組直膨空調機組末端,空調季每天運行18 h。ZFL-201系統負責車站設備及管理用房通風空調系統(以下簡稱“小系統”)供冷,按小系統劃分,配置5組直膨空調機組末端,空調季每天運行24 h。蒸發冷凝制冷系統設備布置示意圖如圖3所示。風墻嵌裝型蒸發冷凝裝置嵌裝于新排風道間隔墻,直膨空調機組及壓縮機動力裝置設置在鄰近的環控機房內。

尺寸單位:mm

2.5 系統能效分析

根據各制冷系統分類及制冷量進行設備選型。蒸發冷凝制冷系統設備選型參數及系統能效比如表2所示。若該車站采用水冷螺桿式機組制冷系統,其系統能效比為3.77,而采用分體式蒸發冷凝制冷系統的系統能效比為4.28,比前者高約13.5%。由此可知,分體式蒸發冷凝制冷系統具有一定的節能優勢。

表2 蒸發冷凝制冷系統設備選型參數及系統能效比

3 工程應用中的常見問題

3.1 火災工況問題

分體式蒸發冷凝系統的蒸發冷凝裝置在車站新排風道間隔墻內嵌裝,在客觀上造成了防火墻功能的失效[2]。正常工況時,蒸發冷凝裝置從新風道吸風,向排風道排風?；馂墓r時,為保證煙氣不侵入新風道,影響排煙效果,應保證風墻嵌裝型蒸發冷凝裝置的燃燒性能整體達到A級不燃,并在嵌裝位置采取有效的防火封堵措施。此外,還需在蒸發冷凝裝置排風出口側設置止回閥及70 ℃防火閥,以保證設備出風側的煙氣不回流及火災時70 ℃防火閥的超溫關斷。在新風道引入口位置設置電動組合風閥,火災時,關閉該組合風閥,進一步阻止煙氣對新風道的侵入。該車站的蒸發冷凝制冷系統內所有設備均不參與火災工況,不與車站FAS(火災報警系統)產生接口。正常工況時,車站BAS(環境監控系統)對該設備只監視不控制;火災工況時,蒸發冷凝制冷系統相關設備屬非消防設備,自動斷電停機。

3.2 水質處理問題

水質對蒸發冷凝裝置的制冷效果有較大的影響。蒸發冷凝裝置中的換熱盤管集中布置,換熱盤管管片間距狹小且難以拆卸更換,不易清洗。當水質不好時,容易使蒸發冷凝裝置內的換熱盤管產生和積累水垢、污垢及微生物,影響蒸發冷凝裝置的換熱效果,進而導致整個蒸發冷凝系統的制冷效率有所降低。此外,水流阻力增加,衛生環境惡化,也易對蒸發冷凝設備造成腐蝕[3]。蒸發冷凝裝置為開式系統,設置在地鐵排風道內,空氣環境較差、較復雜,從地鐵排風系統中侵入水中的雜質較多,易造成水質不穩定。

北京地區自來水中的鈣鎂離子質量濃度較高,水質較硬,更易結垢。因此,為保障蒸發冷凝裝置的良好運行,應采取相應措施,以降低水垢凝結并減緩設備腐蝕?？刹扇〉闹饕胧┯?

1) 采用新型蒸發冷凝換熱器。相較于傳統板管式換熱器,新型蒸發冷凝換熱器布水更均勻,換熱效率更高,能夠更有效地減少水垢。

2) 配置軟化水設備,降低水質硬度,并提供軟化后的冷卻水系統補水。同時,配置全程水處理裝置及自動加藥裝置。

3) 配置循環水在線吸垢器。循環水在線吸垢器可直接從水中不斷吸取垢質及其他雜質,能夠在使用過程中將循環水中的結垢成分同步去除。

4) 設置全自動排污控制裝置。全自動排污控制裝置可以根據水溫、運行時間及水硬度,實現排污及補水的自動控制功能,進而降低水垢形成的概率。

冷卻水水質標準根據GB/T 29044—2012《采暖空調系統水質》中的蒸發式循環冷卻水系統水質要求執行。

3.3 配管長度問題

分體式蒸發冷凝制冷系統的制冷量及能效比受到機組連接配管長度的影響。多聯式空調系統室內機和室外機的連接配管長度的增加將導致設備運行阻力的增加,制冷量和能效比的衰減[4]。在空調系統制冷運行時,管長每增加10 m,多聯式空調機的制冷量下降3.0%左右、能效比下降2.5%左右。配管長度的增加同時還會導致多聯式空調機系統內部的壓力變化、制冷劑的沉積與閃發,影響系統安全與穩定運行[5]。GB/T 27941—2011《多聯式空調(熱泵)機組應用設計與安裝要求》對實際多聯式空調機系統中室外機和室內機之間的最大允許連接管長提供了明確的計算方法。JGJ 174—2010《多聯機空調系統工程技術規程》中明確規定系統冷媒管等效長度不宜超過70 m。為減少不必要的能耗及投資成本,保證分體式蒸發冷凝制冷系統的高效運行,機組間的連接配管長度應參照多聯式空調系統相關要求,將配管長度控制在60 m以內[5]。本文所提車站各設備機組間的最大配管長度為46 m,滿足配管長度控制要求。

3.4 防水及防腐蝕問題

蒸發冷凝裝置的出風側斷面風速通常為3～5 m/s,易產生漂水現象,蒸發冷凝裝置出風側墻體及地面宜做防水處理。同時,經過蒸發冷凝裝置淋水蒸發加濕、換熱后排出的空氣,其溫度和濕度均較大,需考慮蒸發冷凝裝置出風側風道內管線及設備的防腐蝕措施[6],或出風側風道內不設置需檢修、維修的設備及管線,并避免蒸發冷凝裝置出風側正對檢修通道,影響檢修人員通行。

4 結語

蒸發冷凝制冷系統具有節能、節水、節地及無需地面冷卻塔裝置等優點。蒸發冷凝制冷系統可分為整體式和分體式。分體式蒸發冷凝制冷系統又分為風道嵌裝型、風墻嵌裝型及風井嵌裝型3種類型。以北京某地鐵站為例,分析了分體式蒸發冷凝系統的選取及系統運行能效比。研究結果表明,相較于傳統冷水式螺桿式機組制冷系統,分體式蒸發冷凝制冷系統具有一定的節能優勢。同時,為保證蒸發冷凝制冷系統在地鐵站內的良好高效運行,還需考慮以下幾個方面:車站火災工況時,蒸發冷凝裝置的設置及運行,減少設備對車站排煙模式的影響;采取有效的水處理措施,減少水垢凝結對蒸發冷凝制冷系統運行效率的影響;將系統內各機組間的配管長度控制在合理范圍內,減少對蒸發冷凝制冷系統制冷量及能效比的影響。