蒸发式冷凝冷媒直膨空调系统在地铁中的应用

刘祥宝 袁凤东 周利超 王升

1 北京城建设计发展集团股份有限公司青岛分公司

2 北京城建设计发展集团股份有限公司

0 引言

随着我国轨道交通事业的发展，地 铁车站空调冷源系统的形式也在不断发展。常规水冷冷水系统包括三个循环：制 冷机组内的制冷循环，蒸 发器侧的冷冻水循环和冷凝器侧的冷却水循环。工程中研究较多的有：蒸 发器侧的直接蒸发式空调系统和冷凝器侧的整体式蒸发冷凝系统。前者对直接蒸发式空调系统在地铁车站中的应用做了相关研究，该 系统仍保留了冷却塔及冷却水循环[1-2]。后者对蒸发式冷凝冷水系统在地铁车站中的应用做了相关研究，该 系统仍保留了冷冻水循环[3-7]。

上述系统或多或少存在如下问题：冷 冻水循环或冷却水循环管路长、沿 程阻力大、水 泵能耗高。电冷源综合制冷性能系数 SCOP 及空调系统效率仍不是很高。车站内部冷冻机房占用面积或地面冷却塔占地、征迁难、漂 水、噪 声扰民、影 响景观。寒冷地区冬季系统泄水不彻底时易冻裂管路及设备等[8]。

为此，本 项目结合工程实际采用了省去冷却水循环和冷冻水循环，只 保留制冷循环的蒸发式冷凝冷媒直膨空调系统（以下简称“ 直膨蒸发冷系统”）。本文将对该系统在工程中的应用及实测予以阐述和分析。

1 系统工作原理

该直膨蒸发冷系统的工作原理如图1 所示。系统主要有压缩装置，板 管蒸发式冷凝器和直接蒸发式空调柜（内置电子膨胀阀）组 成。工作时，冷 媒在直接蒸发式空调柜蒸发器内蒸发吸热，空调柜送出空调冷风，在 压缩机的驱动下高温高压冷媒气体进入板管蒸发式冷凝器冷凝放热，由 车站既有排热风机带走冷凝热，降 温后的中低温冷媒液体经膨胀阀进入直接蒸发式空调柜蒸发器再次吸热，如 此完成一个制冷循环。

图1 蒸发式冷凝冷媒直膨空调系统原理图

其中板管蒸发式冷凝器工作原理：工 作时冷却水由内置水泵送至冷凝管组上部喷嘴，均 匀地喷淋在板式蒸发器板管外表面，形 成一层很薄的水膜，高 温汽态制冷剂走板管内部空间，被 板管外的冷却水（膜）吸收热量冷凝成液体从板管下部流出，吸 收热量的水一部分蒸发为水蒸汽，其 余落在下部集水盘内，供 水泵循环使用。在这个过程中，排 风机排风掠过冷凝排管促使水膜蒸发，强 化冷凝管外放热，带 走冷凝热并与未蒸发的冷却水进行气-水换热[9]。

2 工程应用

2.1 工程概况

本项目为山东某地铁线路中的一座标准车站，为地下两层岛式站台车站。地下一层为站厅层，地下二层为站台层。车站总长222 m，标 准段宽度 22.7 m，站台宽度14 m。车站总建筑面积 13979 m2，其 中车站主体建筑面积11003 m2，附 属建筑面积2976 m2。

经计算，本 站公共区冷负荷为 660 kW，设 备管理用房冷负荷为295 kW。

2.2 设备布置

常规水冷冷水系统一般在车站大端设置冷冻机房，经 冷冻水泵及水管长距离输送至小端。不同与此，本系统在车站大端和小端分别设置空调冷源，不 需要跨越公共区进行冷水输送。图2 所示为车站一端的设备布置平面图（另一端与此类似）。

图2 车站一端的设备布置平面图

根据车站大小系统冷负荷，经 设备厂商深化，大 系统采用螺杆式压缩机，小 系统采用涡旋式压缩机，各 个系统的压缩机对应独立的直接蒸发式空调柜，也 即制冷循环独立设置。冷凝器部分则整合成一个模块，嵌 入安装在排风道内，可 沿中轴旋转，并 充分利用车站既有区间隧道排风机对外排风带走冷凝热，无 需外置风机或风机墙。非空调季时，可将板管蒸发式冷凝器旋转与风道平行，以减小对外排风风阻。空调季的蒸发式冷凝器状态如图3 所示。各系统的压缩机整合在一个压缩装置内，布 置于活塞风道内，各 系统的直接蒸发式空调柜布置再环控机房内。为保证冷却水质，系统设置了软水装置及旁滤过滤器等，就 近布置在冷凝器附近的风道内。

图3 空调季的蒸发式冷凝器状态图

3 技术经济分析

首先选取与本项目车站（称之为车站 A）在 建筑规模、气 象条件、冷 负荷、客 流行车组织等均相似，且 采用常规水冷冷水系统的另一条线路的车站 B 作为参照，进 行经济比对分析。后续同样对车站 A 和车站B 进行了实测分析。

采用不同冷源形式的两座车站的设备配置和投资对比表，详 见表1，全 寿命周期技术经济分析具体见表2。

表1 设备配置和投资

表2 全寿命周期技术经济分析

由表 1 可见，直膨蒸发冷系统省去了冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔（可节省约 80 m2地面占地），但 由于采用了直接蒸发式空调柜等，总 体造价高于水冷冷水系统约14%。

由表 2 可见，直膨蒸发冷系统不需设置冷冻机房，可 节省约200 m2的建筑面积。直膨蒸发冷系统相比水冷冷水系统，年 耗电费用节省31.5%，年 耗水费用节省52.9%。而 整个全寿命周期的年综合费用，直 彭蒸发冷系统与水冷冷水系统比例为1:0.766。

4 实际运行测试及分析

本项目于2018 年底开通运营，为 检验直膨蒸发冷系统的实际运行效果，2019 年8 月份，对分别采用直膨蒸发冷系统和水冷冷水系统的车站 A 和车站 B 进行了第三方测试。

测试内容包括：直 膨和水冷空调柜的进出风温湿度、风 量、功 率，直 膨蒸发冷系统螺杆压缩机、涡 旋压缩机、冷 凝器及水泵的功率，水 冷冷水系统机组、水 泵、冷却塔的功率等。

主要测试设备有：温 湿度自记仪、超 声波流量计、热球风速仪、电 功率计等。

为保证测试精度，测 试期间进行了多点测量，取 有效数据，求 其平均值等科学的测试及数据处理方式。

A 车站室外环境参数：干 球温度 29 ℃、湿 球温度25.3 ℃、相 对湿度75%。B 车站室外环境参数：干 球温度28.3 ℃、湿 球温度24.4 ℃、相 对湿度73%。两 者数值相近。

在对两种冷源系统进行测试、数 据处理及计算分析后，总结得到能效参数如表3 所示。评价内容主要有：冷 机 COP、电 冷源综合制冷性能系数 SCOP[10]、空调系统效率。

表3 能效测试对比表

由表3 可见，测 试期间直膨蒸发冷系统、水 冷冷水系统均未满负荷运行，大 致在 41%-45%之间。采用涡旋式和螺杆式压缩机的直膨蒸发冷系统比水冷冷水系统，冷 机 COP，分 别高 24%、37%。冷源系统 SCOP，分别高36%、61%。空调系统效率，分 别高8.7%、85%。涡旋式压缩机直膨蒸发冷空调系统效率仅比水冷冷水系统略高，是 因为小系统空调柜内置风机为定频风机（大系统空调柜风机为变频），部 分负荷时，风 机功率占比相对较高所致。

5 结论

综上所述，蒸 发式冷凝冷媒直膨空调系统，系 统精简，运 维简便，有 效解决了常规水冷冷水系统冷却塔占地、漂 水、噪 声扰民等问题。不 需要车站冷冻机房，减少了土建造价。相比水冷冷水系统，年 耗电费用节省31.5%，年 耗水费用节省52.9%。采用涡旋式和螺杆式压缩机的直膨蒸发冷系统比水冷冷水系统，冷机COP，分别高 24%、37%。冷源系统 SCOP，分别高36%、61%。空调系统效率，分 别高8.7%、85%。充分体现了该系统节地、节 电、节 水，能 效高的优点。相信在做好冷却水水质处理，提 高冷媒系统管路安装质量的前提下，蒸 发式冷凝冷媒直膨空调系统将在地铁工程中得到更为广泛的应用和发展。