基于蒸发冷凝技术的地铁车站“无塔冷却”直膨空调系统应用分析.pdf

6应用能源技术2022年第12期(总第300期)doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2022.12.002基于蒸发冷凝技术的地铁车站“无塔冷却”直膨空调系统应用分析李迎春(广东申菱环境系统股份有限公司，佛山528306)摘 要：为了解决传统通风空调系统在地铁应用中存在的土建投资大、能效低、运行费高、冷却塔对地面景观及人居环境影响大等诸多问题，提出了一种基于蒸发冷凝技术的“无塔冷 却”直膨空调系统，该系统具有“无塔冷却，环境友好；系统简约，节能高效；智能控制、安全可 靠”等显著特点。以华东某市地铁工程实际应用为例，对“无塔冷却”直膨空调系统和传统地铁 空调系统进行全面对比分析。关键词:地铁;冷却塔;“无塔冷却”直膨空调；简约高效中图分类号:TU831.6 文献标志码:A 文章编号：1009-3230(2022)12-0006-06Application Analysis of“No Cooling Tower Direct Expansion Air Conditioning System in Metro Stations Based on Evaporative Condensation TechnologyLI Ying-chun(Guangdong Shenling Environmental System Co.,Ltd.,Foshan 528306,China)Abstract:In order to solve the problems existing in the application of traditional ventilation and air conditioning system in subway such as huge investment,low energy efficiency,high operating costs,and adverse effects on landscape and human setdements,a new non-cooling tower direct expansion air-condition unit is put forward with the remarkable features such as no cooling tower,environment-friendly,economical and energy saving,simple and efficient,intelligent control,safe and reliablen,and takes the actual project of a metro station in East China as an example.The analysis between no cooling tower”direct expansion air-conditioning system and traditional subway air 一 conditioning system is made.Key words:metro station；cooling tower；no cooling tower”direct expansion air 一 conditioning u-nit；simple and efficient0引言截至2020年底，中国大陆地区共有45个城 市开通城市轨道交通运营线路7 969.7 km,其中 地铁运营线路6 280.8 km1 0预计“十四五”期 间，我国城市轨道交通仍将保持健康发展的态势。然而，目前国内地铁地下车站大部分采用冷却塔收稿日期：收稿日期：2022-09-28 修订日期：修订日期：2022-10-25作者简介：李迎春(1980-),男，硕士，工程师，研究方向为通风空调系统节能。+水冷式冷水机组+冷水型空调末端的空调形 式,在城市建成区敷设的地铁线路,冷却塔用地成 为建设期棘手的问题之一,容易受到地面空间大 小、城市景观要求、环境影响评价等因素的制 约。同时,传统地铁空调系统构成复杂，设备 及管路繁多，需要设置冷水机房，不仅土建投资 巨大，而且运营维护工作量大，运行能耗强度高，十分不利于地铁的可持续发展，如图1所示。2022年第12期(总第300期)应用能源技术7冷却塔 冷却塔图1传统冷水机房1传统地铁空调系统的构成及存在 的问题1.1传统地铁空调系统的构成传统的地铁空调系统主要由冷水机组、空气处 理机组、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、集/分水器等 设备组成。整套系统所需设备繁多，系统复杂，热交 换次数多且能量损失大，系统所需安装空间也大。1.2传统地铁空调系统存在的问题(1)系统运行功耗高传统地铁空调系统，车站内的负荷需要通过 空气处理机组的表冷器与冷冻水进行换热，冷冻 水再通过冷冻水循环与冷水机组蒸发器内的制冷 剂换热，冷水机组产生的热量又要通过冷却塔系 统进行循环散失到外界环境中。整套系统循环换 热次数多,能量损耗大;冷却水和冷冻水的循环管 路长，水泵功耗大，造成系统功耗增加，系统运行 能效偏低，如图2所示。空调箱图2传统的地铁空调系统组成(2)冷却塔布置难大部分位于繁华路段的地铁站点在建设期间很 卿决冷却塔征地、协调、布置的问题,即使创造条件 安装了冷却塔，也存在占地大、影响城市规划、破坏城 市景观等问题。在地铁运营过程中,冷却塔所产生的 噪声、漂水、独隐患等对环磁周边居民产生很大干 扰，带来了严重的环境及卫生问题，频频引发居民投 诉、维权，成为社会不和谐因素，如图3所示。图3冷却塔布置(3)土建初投资大 面需要冷却塔布置地块,地下除环控机房外还需要冷传统地铁空调系统整体构成复杂、设备繁多，地 水机房，导致土建工程量大，初投资高，如图4所示。图4传统地铁车站制冷机房8应用能源技术2022年第12期（总第300期）2“无塔冷却”直膨空调系统2.1“无塔冷却”直膨式空调系统的构成“无塔冷却”直膨空调系统主要由蒸发冷凝 散热装置（或称为蒸发式冷凝器，简称“外机”）、直膨式空气处理装置（或称为直膨型空调末端,简称“内机”）、内外机之间制冷剂管道、智能集控 系统等组成。蒸发冷凝散热装置一般采用模块化、高防 腐、抗结垢、耐高温、紧凑型的设计理念，机组占 地小、换热效率高、安装灵活，既可安装于新、排 风道之间的隔墙内（风墙型），也可安装于排风 道截面内（风道型），适应不同附属结构和土建 风道安装条件。直膨式空气处理装置，分为组合式直膨空气 处理机组和柜式直膨空气处理机组。组合式直膨 空气处理机组主要包含进风段、空气净化段、直膨 蒸发段、压缩机段、风机段、均流段、消声段、出风 段等功能段56o直膨式空气处理装置安装于环 控机房O图5无塔冷却直膨空调系统构成示意图2.2蒸发冷凝技术2.2.1原理蒸发冷凝是以水和空气作为冷却介质，利用 空气强迫对流以及喷淋水的蒸发将气态制冷剂冷 凝热量带走的一种换热形式，利用这种形式来实 现热交换的器件称为蒸发式冷凝器。蒸发式 冷凝器在板管内流动的是制冷剂,管板外为喷淋 水，压缩机将低压气态制冷剂压缩成高压气态制 冷剂后再进入蒸发式冷凝器板管中,制冷剂在板 管内进行放热冷凝成为液态，板管外的喷淋水则 是通过循环水泵输送至冷凝换热板管模块上部，并均匀地喷淋到蒸发式冷凝器管板表面形成一层 水膜冰膜吸收制冷剂的热量蒸发为水蒸气,其余 未蒸发的水落回机组底部的集水箱，供循环喷淋 使用。集水箱内设有自动排污和补水装置。2.2.2优势（1）免除冷却塔困扰采用“无塔冷却”直膨空调系统，取消了传统 地铁空调的冷却塔，一举解决了冷却塔“选址难、征地难、布置难”三大难题，彻底解决了由于设置 地面冷却塔所带来的影响城市规划、破坏城市景 观，冷却塔噪声扰民、漂水、卫生隐患等环境问题。（2）节省占地面积“无塔冷却”直膨式空调系统，一方面取消了 冷却塔，减少了冷却塔占地;另一方面，由于蒸发冷 凝散热装置模块化嵌装于地铁附属结构新排风道 之间的隔墙内（装置自带防火阀并与FAS连锁），无需额外设置主机机房,节省宝贵的地下空间（3）系统运行节能“无塔冷却”直膨式空调采用蒸发冷凝的方 式散热，用嵌装高效模块蒸发式冷凝器取代了传 统系统的冷却塔、冷却水泵、冷却水输配管路、壳 管式冷凝器，削减了冷却水泵能耗，从而大幅 提升系统运行效率。2.3 直膨技术2.3.1原理“无塔冷却”直膨式空调系统,车站内的负荷 通过直膨型空调末端的蒸发盘管直接与制冷剂换 热，与传统的冷水型空调系统相比,蒸发冷凝直膨 空调系统不同之处在于省却了冷冻水系统，液态制 冷剂在空调末端机组的翅片式蒸发器内直接蒸发（膨胀），实现对盘管外空气（即空调室内侧回风）的 吸热而使其降温，这种制冷方式称为直膨技术。2.3.2优势制冷剂直膨技术，提高了制冷剂在蒸发器内 的蒸发温度,在其余工况不变的情况下能有效提 升压缩机的性能。另外，直膨系统采用多系统设 计,车站“大系统”与“小系统”分离,从而在部分 负荷运行时，节能效果更加显著，如图6所示。2022年第12期（总第300期）应用能源技术9水 冷向车站送冷风蒸 发 器向外界散热向车站送冷风图6直膨技术向外界散热2.4“无塔冷却”直膨式空调系统的优势环境友好“无塔冷却”直膨式空调系统 采用蒸发冷凝技术,彻底拱弃了地面放置的冷却 塔，消除了其负面影响，有利于营造和谐绿色的人 居环境和城市环境。节省投资“无塔冷却”直膨式空调系统 无需冷却塔征地、无需冷冻机房，可有效降低建设 期土建初投资。节能高效“无塔冷却”直膨式空调系统 相比传统系统取消了大功率冷却水泵和冷冻水 泵，并由原来的“五次循环四次换热”优化为“三次循环两次换热”，消除无谓的能源消耗和换热 损失,实现环控系统在整个运营期的节能高效。整体解决“无塔冷却”直膨式空调系统,采用“设备供货+安装调试+节能集控系统”一 站式解决模式,其设备供货集成一家，接口单一,协调量少,交付质量更易控制，并能有效缩短车站 机电设备安装调试工期。管理便捷“无塔冷却”直膨式空调系统 自带完备的智能节能集中控制系统,并可通过标 准RS485接口与车站BAS和FAS系统连锁控制。运维省心“无塔冷却”直膨式空调系统 简化了车站内管线特别是穿越公共区的管线,并 避免了传统水系统在冬季由于泄水不利导致的末 端设备和水管被冻裂的风险。3南方某城市地铁项目案例分析以南方某地铁站为例，采用“无塔冷却”直膨式 空调，分A、B两端单独供冷，本站大系统供冷量 658 kW,小系统供冷量372 kW,总供冷量1 030 kWo 冷源空调系统,通过冷媒管将直膨式空调机组（压 缩机内置）与蒸发冷凝器进行内外机连接,为车站 公共区、人员房间、设备用房提供所需的冷量，其中 大、小系统:A端5套,B端2套，系统之间各自独 立，车站A、B两端的大小系统依据所设计车站负 荷选择如下设备配置为车站进行供冷，见表1。表1“无塔冷却”直膨式空调设备参数表设备编号风量/m3 h _ 1冷量/k WA端B端A端大系统63 000345A端小系统16 00045A端小系统238 000155A端小系统321 000103A端小系统47 00040B端大系统56 000313B端小系统16 60029根据A、B端的总冷量,选择所需对应的蒸发 冷凝散热装置。A端总冷量为688 kW,B端冷量 为 342 kWo3.1设备投资对比分析从表2可以看出，“无塔冷却”直膨空调系 统，相比传统的冷却塔系统设备初投资较原方案 会有所增加。10应用能源技术2022年第12期（总第300期）表表2设备初投资对比分析设备初投资对比分析方案传统方案“无塔冷却”直膨空调系统数量总价（万元）数量总价（万元）冷水机组2130/冷冻水泵215/冷却水泵218/冷却塔240/蒸发冷凝器装置/2340空气处理装置（不含压缩机）1批85/空气处理装置（含压缩机）/1批100水处理装置11227设备控制系统130236系统管道及其附件195170设备购置费425553设备安装费15090总计5756433.2 土建投资对比分析传统冷水系统方案下的典型标准站需要设置 约200 m2的制冷机房，分别放置2台冷水机组，冷 冻循环泵,冷却水循环泵淀压补水装置，分集水器 等，并在站外地面设置冷却塔,占地约150 m2o表表3 土建投资对比分析土建投资对比分析方案传统方案“无塔冷却”直膨空调系统制冷机房面积（甘）2000土建造价（万元）2000面积缶）1500冷却塔冷却塔征地成本（万元）3000土建基础造价（万元）150围蔽美化及隔声降噪（万元）500蒸发冷凝占地面积（n?）050器装置土建造价（万元）050总计（万元）56550注:（地下明挖车站土建造价按10 000元,地面土建造价 按 1 000 7E/m2）o3.3运行费用对比分析3.3.1运行效率对比分析无论采用传统水系统方式还是采用“无塔冷 却”宜膨空调系统，由于负荷及负荷变化情况一 样，为便于不同系统进行比较，采用名义工况下冷 源综合制冷性能系数SCOP进行对比分析。冷源综合制冷性能系数SCOP可按下列方法 计算：SCOP SCOP=Q Q式中,Qc为名义工况下，冷源输出的冷量（kW）；EeEe为名义工况下，冷源的耗电功率（kW）,其中包 括冷水机组、冷却水泵、冷却塔及冷却风机等设备 的耗电功率。表表4 制冷季名义工况下制冷季名义工况下SCOP项目方案传统方案“无塔冷却”直膨空调系统名义制冷量/k W1 0501 030压缩机功率/k W195188冷却塔功率/k W12蒸发式冷凝器/k W46冷却水泵功率/k W44冷冻水泵功率/k W44水处理设备/k W2总功率/k W297234SCOP3.544.41注:蒸发冷凝直膨系统主要减少换热环节，避免了多次的热 交换损失;减少了大功率冷却水泵和冷冻水泵的能耗;提高了蒸 发温度，从而提高了系统能效。3.3.2运行电费比较 运行电费比较，见表5。表表5 空调系统总耗电量计算表空调系统总耗电量计算表方案项目传统方案“无塔冷却”宜膨空调系统空调系统总耗电量（万k Wh）7&661.9空调系统电费（万元）78.661.9注:每年制冷运行210天,每天开18小时,运行负荷系数0.7 计算,地铁电价按照I元/k Wh计算mi 2022年第12期(总第300期)应用能源技术11根据上表可知,“无塔冷却”直膨空调系统相比 传统空调系统，该站可以节省电费16.7万元年。3.4全寿命周期技术经济分析全寿命周期技术经济分析，见表6。表表6 全寿命周期技术经济分析表全寿命周期技术经济分析表类别传统冷却塔“无塔冷却”系统/万元直膨空调系统/万元初期投资通风空调设备投资(含安装)485500土建投资66546小计1150546年耗设备年折旧费用24.325(按20年折算)费用土建年费6.650.46(按100年折算)初投资折合年费用30.9525.46年运营年耗电费用104.379.7费用年运行维护费用1713年运营费小计121.392.7年综合费用合计152.25118.16从表6中可以看出，蒸发冷凝宜膨空调系统无 论从初期投资、运营费用、全寿命周期的年综合费 用等各方面比较，均比传统冷却塔系统更具优势。4结束语以南方某地铁车站“无塔冷却”直膨式空调 系统为例和传统地铁空调的对比可以看出：(1)隧道嵌装式直接蒸发制冷空调系统优点：“无塔冷却”宜膨式空调系统无需冷却塔，使系 统更简单、运维更方便、减少了占地需求,消除了 噪音对周边环境的影响,不再影响人居环境,社会 效益、环境效益均十分显著；相比传统的地铁空 调机组,“无塔冷却”直膨式空调系统能节省冷却 塔和冷冻机房面积，节省土建成本约515万元;该车站系统整机能效比4.41,相比传统地铁空 调能效提高了 24.6%,机组运行更节能;以该 车站“无塔冷却”直膨系统为例进行全年能效分 析“无塔冷却”直膨式空调系统一年可节省电费16.7万元左右；(2)“无塔冷却”直膨式空调系统系统缺点:随着我国经济实力的不断提升，城市地铁的迅猛 发展。“无塔冷却”直膨式空调系统作为地铁的 一种新型空调解决方案,也势必会有越来越好的 发展。参考文献1 侯秀芳，梅建萍，左超，等.2020年城市轨道交通线 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