蒸发式冷凝直膨式空调系统在地铁中的应用探索

黎元龙

【摘要】蒸发式冷凝直膨式空调系统在地铁站中的研究与发展才刚刚起步。本文阐述了蒸发式冷凝直膨式空调系统在地铁中的几种布置方式，通过节能分析，提出了该系统的优势，因此将蒸发式冷凝直膨式空调系统应用于地铁车站成为可能。

【关键词】板管蒸发；冷凝式；中央空调；节能；

引言

通过近30年在国内的研究推广，蒸发式冷凝技术日臻完善，生产厂家不断涌现，早期的技术缺陷不断得到改进，目前在建筑领域得到初步应用。但是，蒸发式冷凝直膨式空调系统作为一种新型技术，在地铁站中的研究与发展才刚刚起步。本文通过对蒸发式冷凝直膨式空调系统在地铁站中的应用进行分析，为今后地铁站的通风空调系统设计提供参考。

1. 蒸发式冷凝直膨式空调系统的工作原理

蒸发式冷凝是以水和空气作冷却介质，利用水的蒸发带走汽态制冷剂的冷凝热。在结构形式上是将制冷剂冷凝过程与冷却水冷却过程合二为一，省略冷却水从冷凝器到冷却塔的传递阶段；充分利用水的蒸发潜热冷却工艺流体，在传热方式上，蒸发式冷凝器以潜热传热为主，显热传热为辅。

直膨式是指冷媒在空调末端设备中直接蒸发，也就是取消了传统意义上的冷却水系统。 该系统的特点是功能集成性高、无需冷却水塔、结构紧凑、控制方便，实现了冷媒在末端设备内直接蒸发，节省了冷却水循环系统，提高了制冷的蒸发压力和温度，实现了节能效果。同时，减小了空调系统设备在地铁车站内的占地面积。

2. 蒸发式冷凝直膨式空调系统在地铁中的应用分析

蒸发式冷凝直膨式空调系统主要分为蒸发式冷凝器、压缩机、蒸发器及送风机等重要部分。其中，蒸发器及送风机的组合，形成蒸发式送风机组，即蒸发式冷凝直膨空调系统的末端部分；蒸发式冷凝器、压缩机与蒸发式送风机组之间可以通过不同的拆分组合，形成不同的机组形式。目前适合地铁的有以下几种机组形式，分别进行介绍。

2.1 蒸发式冷凝制冷主机+蒸发送风机组

将蒸发式冷凝器与压缩机组合设置，形成制冷整体机组，与蒸发式送风机组之间采用冷媒铜管连接，形成蒸发式冷凝直膨式空调系统。在地铁车站设计中，蒸发式送风机组部分通常布置在新风道内，主要包括風机、过滤、净化、蒸发器等功能段；制冷整体机组有高度的集成性以及结构紧凑的特点，它的布置较为灵活。一般适合地铁车站的布置有三种方式，以下分别进行介绍。

1）布置在室外地面

制冷整体机组设置于室外风亭附近的地面，若风亭采用高风亭，则设置于高风亭旁边；若风亭采用低风亭，则设置于新、排风亭之间，很多城市出于景观的考虑，都会要求采用低风亭之间的设置。缺点是压缩机位于机组上方，机组系统吸气压损大，造成机组制冷量有一定的衰减。根据测试报告，蒸发式送风机组与制冷整体机组的垂直距离不大于20米，水平距离不大于40米的情况下，机组的制冷量基本不会衰减。

2）布置在新、排风井底部

制冷整体机组可以设置在新、排风井底部，一侧从新风道进风，一侧向排风道排热。由于很多地铁车站都设在城区或主街道下，协调城市建筑的拆迁难度很大，造成设备布置相当困难，因此将制冷整体机组布置在新、排风井底部成为可能。不仅节省了建设投资，而且减少了对周边环境造成的噪声影响。缺点是对新、排风井的布置会有一定影响，需要增设强制排风。

3）布置在新、排风道内

制冷整体机组可以设置在车站排风道或者新风道内，同样对车站排风道或新风道的尺寸会提出一定要求，但如果采用沿风道走向布置的方式，风道尺寸会适当加长。比较适合由于周边地形因素的限制，车站风道必须加长且风道可以加高的车站。缺点是新、排风道的布置会有一定影响，并且也需要增设强制排风系统。

2.2 蒸发式冷凝器+蒸发压缩送风机组

将压缩机与蒸发式送风机组组合设置，形成蒸发压缩送风机组，与蒸发式冷凝器之间采用冷媒铜管连接。蒸发压缩送风机组主要包括风机、过滤、净化、蒸发器及压缩机等功能段，它与蒸发式送风机组在地铁站内的布置与基本一致，蒸发式冷凝器的布置与制冷整体机组差不多。与蒸发式冷凝制冷主机+蒸发送风机组相比较，它对新风道的要求较高，对外的噪音影响较小。

2.3蒸发式冷凝器+压缩机组+蒸发送风机组

将蒸发式冷凝器、压缩机组、蒸发送风机组拆分设置，它们之间均采用冷媒铜管连接。在地铁站内，蒸发式冷凝器可以布置在风井底部或室外地面，压缩机组可以布置在空调机房内或风井底部。优点是各功能段噪音值小，减小了空调系统设备在地铁车站内的占地面积，机组对地形、机房条件适应性好。缺点是冷媒铜管较长，压缩机的吸气、排气压损较大，对系统有一定的影响。

2.4小结

通过对以上介绍可以看出，无论采用何种机组形式，都需要在车站新风道内设置蒸发送风机组，在室外或者风道内设置蒸发式冷凝器，在风道内设置时，需要通过强制排风手段将蒸发式冷凝器排放的热量带出车站，因此对车站风道尺寸需要提出一定的要求。但是即使这样，对于车站外部地形适应性也较好，对车站外部环境的影响也要小得多。因此，在地铁车站中以蒸发式冷凝直膨式空调系统替代传统空调系统是有优势的。

3.蒸发式冷凝直膨式空调系统的节能分析

蒸发式冷凝直膨式空调系统与地铁传统空调系统相比，有三个方面的节能优势，其一是蒸发式冷凝器的节能，其二是蒸发式冷凝器对压缩系统节能，最后是冷媒直接蒸发的节能。

3.1蒸发式冷凝器的节能分析

蒸发式冷凝器是以水和空气为冷却介质，利用部分冷却水的蒸发潜热带走气体制冷剂冷凝过程中所放出的热量。工作时，过热的制冷剂蒸汽进入蒸发式冷凝器的顶部，冷却水由水泵送至冷凝器的上部，经喷头均匀地喷淋在冷凝器管组外表面，形成一层很薄的水膜。高温制冷剂从冷凝器上部集管进入，分配给冷凝器管组外表面放出热量。空气由风机送至冷却单元，冷凝器管内的高温制冷剂气体首先将热量通过冷凝器管壁传给水膜，使水膜蒸发，而水膜蒸发成为水蒸气时，就以潜热的方式把部分热量连同水蒸气本身传给空气，由风机抽出；没有被蒸发的冷却水滴落到下部的水箱内，供水泵循环使用。蒸发式冷凝器以潜热传热为主，显热传热为辅，主要利用水蒸发吸收潜热传热热量，1kg冷却水只能带走25～35 kJ的显热，而1 kg冷却水蒸发可以带走2 450 kJ的潜热。因此蒸发式冷凝器具有显著地节能效果。

3.2蒸发式冷凝器对压缩系统节能分析

制冷压缩机是制冷系统的核心部件，它是决定蒸汽压缩式制冷机组能力大小的关键部件。在制冷系统的内在参数中，对制冷机性能影响最大的是冷凝温度和蒸发温度，制冷剂过冷度和压缩机吸气温度对制冷系数的影响相对较小。三种冷凝方式下冷凝温度分别为：蒸发式冷凝温度t k，水冷式冷凝温度tk '，风冷式冷凝温度t k ''，三种冷凝方式制冷原理简圖。

假定三种冷凝方式下的过热度和过冷度以及蒸发温度均相同，均为5℃，制冷剂采用R22，依据图2 可以计算三种冷凝方式下的理论制冷量和理论压缩功。

理论压缩功：P1=21.8 kJ /kg； P1= =25.6 kJ /kg； P1”= 30.6 kJ /kg

理论制冷量：q0=172.9 kJ /kg； q0=165.1 kJ /kg； q0”=154.4 kJ /kg；

相同制冷量时所需的理论压缩功比为：

由此可知，相对于传统水冷系统，蒸发冷系统理论压缩功节约18.7%，而传统风冷系统理论压缩功则增加27.8%。

3.3冷媒直接蒸发的节能分析

冷媒直接蒸发与传统的冷冻水系统相比较，节能是显而易见的，主要表现在以下几个方面，其一，由于冷媒直接在蒸发器中蒸发，蒸发温度低于传统的冷冻水系统的冷冻水温度，能够更好地与空气发生热湿交换，从而达到冷却空气的目的。其二，节省了中间环节，提高了传热效率。冷冻水系统的热量传递过程是冷媒蒸发器-冷冻水系统-空气；而冷媒直接蒸发的热量传递过程是冷媒蒸发器-空气，从而提高了传热效率。

4结论和建议

通过以上分析，在地铁中采用蒸发式冷凝直膨式空调系统，可以取代传统水冷系统中的冷却塔，减小地铁建设过程中的实施难度，以及解决地铁建设与环境保护之间部分矛盾，尤其在节能方面优势明显。因此将蒸发式冷凝直膨式空调系统应用于地铁车站成为可能。

能否最大限度发挥蒸发式冷凝系统的性能特点是设计中应考虑的要点。不合理的设置可能无法发挥蒸发式冷凝系统的高效率，甚至变节能为耗能。但在地铁车站中寸土寸金，不能为了设置蒸发式冷凝系统而大幅度增加车站的规模，这也违背在地铁车站采用蒸发式冷凝系统的初衷。因此，应结合车站周边以及线路的实际情况，采用合理的布置，既不会对车站的规模与实施产生很大的影响，也能发挥蒸发式冷凝系统的优点。