“化整为零”——水冷式直膨系统在深圳地铁的应用

黄国良

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518000）

1 集中式空调系统的确定和不足

目前，我国地铁车站大多采用柜式空调器和回排风机组成的集中式空调系统，以保证公共区、设备区人员管理用房的温湿度要求，制冷系统则普遍采用螺杆式水冷制冷机组。

但是该系统存在一定的缺点及不足，具体如下：

1）送、排风管道断面尺寸大，占用层高、空间大，对机房要求较高。如遇规模较大且层高不足的车站，会出现管线安装困难、管线标高不满足标准、在运营阶段阀门及管线出现维护保养困难等情况。

2）因车站体量变大带来的管路长、阻力大等问题，导致风机压头高，功率大，设备能耗高，不利于节能减排。

3）系统无法做到按需供冷，如公共区使用2台空调器，无法针对局部区域的实际情况调整温度，有可能在客流爆发期出现超温的情况。

因轨道交通建设的时序性带来的相关影响是，后续的车站建设条件将变得越发困难，各种换乘节点以及周边地面条件的复杂性也制约着车站的布局，车站有时会无法像以往车站一样具备在两端设置较大的环控机房，以及在设备负荷大端设置单独的冷水机房的条件，如果在这样的特殊情况下坚持使用传统系统将会变得困难，甚至要付出较大的代价。

针对以上缺点，在某些特殊站点（层高不足，地面条件复杂，制约因素较多），把机房化整为零，分散于车站各处，设置水冷式直膨机组，进行分散式送风，以解决机房空间不足的问题。成为解决部分车站机房条件先天不足问题的一个新思路，本文通过在深圳地铁12号线上川站采用水冷式直膨式空调系统的情况，在应用可行性、土建、设备投资费用、运行控制策略几个方面进行探讨，对比其与传统车站通风空调系统的优势。

2 工程简介

上川站为深圳市城市轨道交通12号线工程的第15个地下站。人防重点设防站。位于上川路与前进一路交叉口的北侧，沿前进一路南北向敷设。本站为地下2层岛式车站，车站总长537 m。本站由车站部分和配线区及其上方自然形成空间部分组成。共设有11个出入口，10个紧急疏散口及2组风亭。上川站位于宝安老城区。车站上方为综合管廊，站址条件如下：（1）车站周边多以居住小区为主，配有部分商业服务设施。（2）前进一路宽26 m，上川一路道路宽16 m，道路狭窄且进行渠化，车站两侧人行道宽度较窄，附属布置困难。车站左端无法按常规布置新、排风亭。

3 车站空调系统

3.1 传统空调系统

车站公共区空调系统与设备管理用房空调系统为共用冷源，由车站冷水系统提供冷水，通过组合式空调机组、柜式风机盘管机组对车站公共区、设备管理用房进行通风降温，满足乘客、工作人员以及各类设备的温湿度要求，空调水系统主要由冷水机组、空调水泵、冷却塔等大型设备组成。

3.2 水冷式直膨式空调系统

水冷式直膨式空调系统取消了冷水机组、冷冻水泵，将空调机组内的表冷器改为制冷剂直膨式蒸发冷凝器，由蒸发冷凝器内的制冷剂蒸发冷凝直接对空气进行处理。与传统的车站空调系统相比，减少了冷水循环系统。

3.3 水冷式直膨式系统应用的可行性分析

上川站左端无法设置常规新风亭，如果采用传统空调系统，则需要进行单端送风，风管体量过大势必会影响层高，同时影响单端的风井面积。由于上川站周边地面条件较为复杂，车站右端风井如面积加大将无法满足GB 50157—2013《地铁设计规范》[1]中风亭与建筑物的距离要求。所以，根据上川站的实际情况，采用水冷式直膨系统。

上川站采用水冷式直膨系统，具有以下优势：

1）机房分散布置：上川站公共区设置3个环控机房，站厅1个，站台2个，设备小端新风井与出入口合设，将机房分散布置，缓解了车站左端的机房布置压力，不需要加大右端车站风井，同时站台和站厅分设机组，可做到独立控制站厅与站台的温湿度，针对不同时段的客流压力进行调整。

2）与传统车站的通风空调系统相比，水冷式直膨系统的换热过程为室内空气与直膨式空调机组蒸发器的换热，蒸发器与冷凝器通过制冷剂进行换热，再通过冷凝器与冷却塔通过冷却水系统的换热，以及冷却水与外部空气的换热。取消了冷冻水系统，减少了一个换热环节，从技术原理上降低了换热带来的损失，可提高整体系统的能效。

3）取消了冷水机组以及冷冻水泵等大型设备，可有效减少冷水机房面积，同时设备设置于靠近公共区与设备区，可有效减少风管的安装面积，降低安装管线的成本及工时。

4 技术指标分析

4.1 土建费用分析

水冷式直膨式通风空调系统较传统通风空调系统，在冷水机房内减少了冷水机组、冷冻水泵以及相应的冷水管路，水处理仪等设备，考虑到正常系统预留的设备安装空间，冷水机组预留拔管检修的空间，水冷式直膨系统的机房较传统空调系统的冷水机房减少土建面积约75 m2，按深圳典型车站地下空间的土建概算费用1.8万元/m2考虑，可节约土建费用约135万元。

4.2 设备初投资费用分析

相对传统车站的空调系统，水冷式直膨机组主要是在公共区由组合式空调机组加出入口长通道风机盘管的组合变为五台型号不一的水冷直膨系统，同时取消了冷水机组以及冷冻水泵，造价较原来的系统增加约155.4万元。

由数据分析可知：末端直膨系统较传统组合式空调机组+水冷冷水机组+冷却塔系统，年总节省费用约为21.61万元。

5 水冷式直膨机组的控制要求

5.1 公共区通风空调系统控制

1）公共区水冷式直膨机组自带智能控制系统，可根据车站的实时冷量需求对机组压缩机、EC风机、冷却水阀门等进行自主控制，以达到节能效果。

2）公共区水冷式直膨系统具有以下的工作模式可切换，分别为：正常工况（包括小新风工况、非空调季工况）、火灾工况。

小新风工况：小新风机开启，新风与回风在混风段混合后，经直膨式蒸发冷凝器处理后送入公共区。

非空调季工况：送风机开启，水冷式直膨机组关闭，全新风送入公共区。在非空调季以及特殊情况下（如疫情期）满足车站公共区的通风换气需求。

火灾工况：关闭水冷式直膨机组、送风机以及相关阀门，开启排烟风机，按火灾模式要求运行。

5.2 设备区通风空调系统控制

1）设备区水冷式直膨机组自然智能控制系统，可根据所负担的设备用房实时发热量需求，对机组压缩机、EC风机及冷却水阀进行自主控制，以达到节能效果。

2）设备区水冷式直膨系统具有以下的工作模式可切换，分别为：正常工况（包括小新风工况、非空调季工况）、火灾工况。

小新风工况：通过控制新风管阀门开启，新风与回风在混风段混合后，经直膨式蒸发冷凝器处理后送入设备区。

非空调季工况：回风阀门关闭，水冷直膨机组关闭水阀，开启机组将新风送入设备区，在非空调季满足车站设备区的发热量需求。

火灾工况：关闭水冷式直膨机组及相关阀门，按火灾模式要求运行，配合气体消防进行排风操作。

5.3 冷却水系统控制

1）车站设备共用一套冷却水设备，冷却水系统包含冷却水泵、定压罐以及冷却塔（闭式鼓风式），系统可根据车站水冷式直膨系统的冷却水流量变化，调整变频冷却水泵，冷却塔风机台数和有关水阀，实现节能控制。

2）冷却水系统通过网络通信接口与控制中心相连，通过接收启停指令执行相关设备的调节控制操作。

6 实际应用过程中的难题及解决措施

6.1 与建筑结构专业的配合

1）水冷式直膨机组机房可依托车站出入口，附属等空间设置机房，由于采用机组余压回风，不需单独设置回排风机，机房面积可以适当减少，但是除了出入口处的水冷式直膨机组，其余机组均需考虑小新风工况下的新风接入，为解决小新风工况下的新风引入，上川站在站厅层与H出入口合设新风亭，设置单独的小新风机，将新风送至每一台设备中，以满足公共区的新风需求，同时设置送风机满足全新风工况下的通风需求。

车站机房分散布置，需考虑排水沟及排水地漏的预留，水冷式直膨机组设备本体较高，在站台层以及出入口处设置机房时需考虑因下翻梁或者土建因素导致的机房层高偏低，无法满足设备安装要求的问题。

2）站台层的水冷设备机组需预留水管以及新风管的孔洞，上川站全新风模式送风管是排烟风管兼用，火灾模式下进行切换的做法，如果日后的项目单设送风管，则需注意预留相关管线孔洞。

6.2 与电气专业的配合

水冷式直膨机组由于设备特性，将制冷模块与空气处理送风模块合而为一，所以，在提资电气专业时需注意，将制冷模块与空气处理模块的功率分开，以防电气专业误以为是单一回路配电，同时如设备本身模块负荷等级不一致（常规做法是制冷模块按三级负荷，空气处理模块按二级负荷），需明确提醒电气专业，以防提资有误。

6.3 与给排水专业的配合

水冷式直膨机组由于分散布置，每个机房均需进行排水，同时在水泵房内需预留补水点，机房排水点的设置需与给排水专业明确，以防附属部分的机房未设置排水点。

7 水冷式直膨系统的优势

水冷式直膨系统与传统的地铁空调系统相比来说具有以下优势：无须载冷剂冷水的二次换热，采用冷媒直接膨胀蒸发冷却空气来处理地铁站台公共区的热湿负荷，可提高制冷压缩机的蒸发温度，省去空调冷水系统的设置，使得车站空调系统的节能率大为提高。

蒸发式冷凝器主要是以水和空气作为冷却介质，在使用中，热的制冷剂蒸汽进入蒸发式冷凝器的顶部，将冷却水通过水泵送至冷凝器顶部，经喷头均匀的喷洒冷凝器的外表，形成一层薄薄的水膜。高温制冷剂再从冷凝器上部进入集管，经过冷凝器外表释放出热量。空气通过分级输送至冷却单元，冷凝管道中的高温制冷剂将热量传递给水膜，使其蒸发，当水膜蒸发成为水蒸气时，冷凝器在以潜热的方式将其余热量连通水蒸气传送给空气，再通过风机抽出，而没有被蒸发的水蒸气滴落至水箱内，供水泵循环使用。

蒸发式冷凝器主要以潜热传热为主、潜热显热为辅，主要是通过水蒸发的原理带走潜热传热的热量，实验表明：1 kg的冷却水蒸发可以带走2 450 kJ的潜热传热。由此可见，蒸发式冷凝器具有明显的节能优势。

8 结语

针对深圳地铁12号线上川站所设置的水冷式直膨空调机组，结论如下：

1）水冷式直膨机组在技术原理上具有一定的先进性，减少的换热环节，可降低换热损失，相对传统车站空调系统可提高整机能耗比，节省后期运营费用。

2）水冷式直膨机组可灵活设置机房位置，针对车站层高不足，风亭、环控机房设置困难。

3）水冷式直膨机组可满足车站正常运行，火灾工况与传统空调系统无异。在运行管理上可与其他常规车站保持一致，不存在差异性。

4）由于水冷式直膨系统仍需要设置冷却塔，如遇冷却塔布置有困难的车站，依然不建议采用该系统。