蒸发冷凝及末端空调器直膨系统在广州某地铁车站的应用

龚保伟

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510000）

0 引言

随着地铁线网规划的覆盖面积不断增加，如何将地铁工程与繁华拥挤的城市环境相协调的结合是目前地铁建设中日益突显的问题。对车站通风空调系统而言，对城市环境有影响的设备是冷却塔，地铁工程的冷却塔与周边环境的关系被日益重视。随着通风空调领域技术的不断创新与发展，空调冷源也出现了新型设备，可通过采用新型设备解决降低空调系统在建设及运营过程中对环境的影响。

为解决目前地铁车站通风空调系统存在的相关问题，提出一种新型的地铁通风空调系统-蒸发冷凝及末端空调器直膨系统[1]。新系统在广州某地铁车站作为示范应用，于2018年6月30日开通运营。本文将重点介绍了新系统基本原理、设备组成及其在示范车站的应用情况。

1 技术原理和设备组成

1.1 技术原理

蒸发冷凝及末端空调器直膨技术原理是：高温高压冷媒蒸汽经过蒸发式冷凝器冷却后变成高压低温的液态制冷剂，经过节流装置后变成低压低温的冷媒，进入直膨蒸发末端装置的蒸发器与空气循环空气进行蒸发换热后，变成高温高压的蒸汽，然后经过压缩机吸入后压缩变成高温高压的冷媒蒸汽，如此反复完成制冷循环[2]。图1为蒸发冷凝及末端空调器直膨系统。

1.2 设备组成

图1 蒸发冷凝及末端空调器直膨系统

设备原理是将常规冷水系统中的5大重要组成部件（冷却塔+冷却水泵+冷水机组+冷冻水泵+空调末端机组）拆分，即新系统的设备主要由以下3个部分组成：①蒸发冷凝装置。②压缩机装置。③直膨蒸发末端装置。

蒸发冷凝装置由风机墙、蒸发冷凝装置、喷淋水系统等部件集成，通常嵌装于地下土建附属的新风道与排风道之间隔墙上，根据实际的空间也可以选择放置在新风道、排风道或者新、排风道之间的机房；压缩机装置由螺杆压缩机、离心式油分离器、储液器、气液分离器、本地电气控制箱等元器件组成，为冷媒循环动力源；直膨蒸发末端装置包含膨胀阀、蒸发器部件，蒸发器采用直接蒸发制冷来取代常规空调机组中的表冷器，由空气直接与蒸发器换热。

新系统自带集成控制系统，集成控制系统监管下辖制冷剂管路系统所覆盖的设备（蒸发冷凝装置、压缩机装置、直膨蒸发末端装置等），采用开放式协议，标准通信接口，与BAS进行对接。集成控制系统向BAS反馈空调系统各装置运行状态及参数，接收BAS系统监测的车站各空调区域工况，传输给各装置就地控制箱。

2 广州某站的应用情况

2.1 工程概况

本站为广州地铁九号线工程第十座车站，为新增车站。车站为地下两层岛式站台车站，标准段宽29.25m，总建筑面积为14170.95m2，空调建筑面积为4216m2。车站负一层为站厅层，中部为公共区，两端为环控机房、风道及部分设备用房；为了减少现有盾构区间废除工程量，车站长度控制在160m，车站的主要办公设备用房区设置在上行线外侧一跨空间内。车站负二层为站台层。本站2037年晚高峰客流为8044人/h，超高峰系数为1.3。

本站为国内外灰岩区第一座先隧后站的车站，第一座顶板覆土只有700～800mm的车站，南方地区第一座采用蒸发冷凝及末端空调器直膨系统的车站。

2.2 系统划分

本站为分站供冷车站，总冷负荷为1073kW，其中A端冷负荷为486kW，B端冷负荷为587kW（以车站中心线为界，中心线以左区域为A端，中心线以右区域为B端）。车站公共区通风空调系统（大系统）采用双风机一次回风全空气系统，双端送风，在车站两端的通风空调机房内各设置一套系统，分别负担公共区一半的空调负荷。车站设备管理用房通风空调系统（小系统）共设有6个小系统空调系统，两端各3个。

A端大系统独立对应一套压缩机装置，即独立制冷剂管路；A端小系统因冷量相近，且各末端所在分支管管路长度适宜，3台小系统末端对应一套压缩机装置，即一拖三。B端大系统独立对应一套压缩机装置，即独立制冷剂管路；B端小系统B1和B2系统因冷量相近，且各末端所在分支管管路长度适宜，故这两台末端对应一套压缩机装置，即一拖二；B端小系统B3系统独立对应一套压缩机装置，即该小系统独立制冷剂管路。

2.3 设备布置

根据大系统和小系统的负荷大小和运行时间的不同，车站在两端各设一台蒸发冷凝装置，分别负担该端的冷量。蒸发冷凝装置设置在车站附属新排风道之间的风道隔间（面积均为70m2）内，采用由EC风机组成的风机墙作为蒸发冷凝装置的排风动力装置，由新风道引风，将热湿空气排至排风道，在蒸发冷凝装置出风口设置止回阀，由设备自带。

A端大系统直膨组合式空调机组、小系统1台直膨柜式空调器放置在A端站厅层环控机房内，另外2台直膨柜式空调器放置在A端站台层环控机房内，最远空调末端至蒸发冷凝装置冷媒管等效长度为40m。B端大系统直膨组合式空调机组、小系统1台直膨柜式空调器放置在B端站厅层环控机房内，另外2台直膨柜式空调器放置在B端站台层环控机房内，最远空调末端至蒸发冷凝装置冷媒管等效长度为35m。集成控制系统群控柜分别设置在站厅层两端的环控机房内，不额外占用设备用房。

车站系统平面图布置如图2、图3所示。

图2 车站站厅层设备布置

图3 车站站台层设备布置

2.4 运行能效

蒸发冷凝及末端空调器直膨空调系统与常规地铁车站冷水系统相比，理论上有3个方面节能优势，分别是蒸发冷凝器的节能、蒸发冷凝器对压缩系统的节能和冷媒直接蒸发的节能[3]。

本站于2018年6月30日开通运营，车站集成控制系统监测各机组的运行实时参数，并记录了历史运行参数。本文选取典型空调季中的2021年7月7日至2021年8月4日共29天的B端新系统冷源侧（含蒸发冷凝装置、压缩机装置）综合制冷性能系数逐时数据和B端新系统全系统（含蒸发冷凝装置、压缩机装置、直膨蒸发末端装置）综合制冷性能系数逐时数据，如图4、图5所示。

图4 B端新系统冷源侧逐时综合制冷性能系数（2021/7/7—2021/8/4）

分析上述数据可得，本站B端新系统冷源侧该时间段内的综合制冷性能系数平均值为5.58，现有常规地铁车站冷水系统综合制冷性能系数（制冷量与冷水机组、冷却水泵及冷却塔净输入能量之比）在3.5～4.2之间；B端新系统全系统该时间段内的综合制冷性能系数平均值为4.03，现有常规地铁车站全系统综合制冷性能系数（制冷量与冷水机组、冷却水泵、冷却塔、空调末端净输入能量之比）在2.5～3.0之间。

综上所述，本站蒸发冷凝及末端空调器直膨空调系统相对常规地铁车站冷水系统可获得30%以上的节能效益。

图5 B端新系统全系统逐时综合制冷性能系数（2021/7/7—2021/8/4）

3 与常规方案对比

通过在土建初投资、设备初投资及运行维护费用等方面进行全寿命周期技术经济分析，可得出新系统具有节地、节能和简化管路等多方面优势。两种方案综合对比如表1所示。

表1 新系统与常规冷水系统的对比

4 结语

相较于常规地铁车站冷水系统，蒸发冷凝及末端空调器直膨空调系统具有以下优势：①减少换热效率，具有一定的节能效益。②设备布置灵活，可充分利用地铁车站土建特性，节省车站主体用地。③制冷剂管路替换冷冻水、冷却水管路，简化管路布置。④地面无冷却塔，解决了冷却塔设置困难、影响景观美观以及噪声扰民等问题。当然，新系统在实际运行当中也存在一些问题，应进一步对新系统进行调整和优化；另一方面，技术原理上决定了新系统在气候干燥地区具有更大的节能效益[4]，在南方地区热湿环境中新系统运行能效比会有所降低，不能充分发挥新系统的节能优势[5]。

地铁车站蒸发冷凝及末端空调器直膨空调系统的应用与推广应结合各地区、各车站的实际条件，结合业主要求，进行细致的经济效益和社会效益比选，以最大化地发挥蒸发冷凝及末端空调器直膨系统的技术优势。