蒸发冷凝直膨式空调系统在地铁中的应用及分析

蒸发冷凝直膨式空调系统在地铁中的应用及分析

王朝福

北京城建设计发展集团股份有限公司     518000

摘要: 蒸发冷凝直膨式空调系统具有能耗低、无地面冷却塔、设备布置紧凑、系统简单等优点；本文以具体项目田头站为例，对蒸发冷凝直膨空调系统在地铁车站的应用进行了详细的技术性和经济性分析。相比常规水冷冷水系统，该系统在节电、节水方面效果显著。

关键词; 蒸发冷凝直膨；地铁车站；节能分析

随着城市轨道交通事业的发展，地铁车站空调冷源形式也在不断发展。常规水冷冷水系统包括三个循环：制冷机组内的制冷循环，冷凝器侧的冷却水循环，蒸发器侧的冷冻水循环。为了解决常规空调冷源系统存在的系统复杂、间接传热引起的冷量损失和能耗大等普遍问题，本文以深圳地铁田头站为项目依托，对蒸发冷凝直膨式空调系统在地铁车站的应用进行了分析，为今后地铁车站的通风空调系统设计提供参考。

1蒸发冷凝直膨式空调系统的工作原理

蒸发冷凝直膨式空调系统主要有压缩机、蒸发式冷凝器、膨胀阀、直膨型空调末端四大部件组成。地铁车站较常用的空调形式为一次回风全空气系统，高温空气与低温冷媒在直膨型空调末端换热，吸收热量后的制冷剂在压缩机的驱动下流至蒸发式冷凝器进行冷凝放热，冷凝后的高温液体制冷剂由膨胀阀节流至低温低压，然后进入直膨型空调末端继续吸热，如此形成一个制冷循环。

图1 蒸发冷凝直膨式系统原理图

蒸发冷凝直膨式空调系统取消了传统意义上的冷冻水系统和冷却水系统。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。

2 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车站常规空调系统相比，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的节能，最后是冷媒直接蒸发的节能。

2.1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25～35kJ的显热，而1 kg冷却水蒸发可以带走2450kJ的潜热。因此蒸发式冷凝器具有显著地节能效果。

2.2蒸发式冷凝器对压缩系统的节能分析

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制冷能力和耗电大小的关键部件。在制冷系统的内部参数中，对制冷机性能影响最大的是冷凝温度和蒸发温度，蒸发式冷凝器能够降低冷凝温度，继而减小压缩机的能耗。

2.3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，节省了空气和水的间接传热环节，提高了传热效率。

3 蒸发冷凝直膨空调系统在地铁中的应用

3.1 工程概况

田头站为深圳地铁16号线第23座车站，车站为地下二层岛式无柱车站，站台宽11m，标准段宽20.8m，车站总长294.1m，总建筑面积17555.7㎡。车站总冷负荷约1331.4kW。

3.2 冷源系统

蒸发冷凝直膨空调系统由蒸发冷凝器、直膨式末端、压缩机等设备组成。每个空调末端采用一套独立的制冷系统，并由能源在线监测系统对冷源系统进行冷负荷统计和控制。

采用蒸发冷凝直膨空调系统后，能够取消地面冷却塔及相关冷却水管的敷设，减少车站对周边环境的影响。

3.3 环控机房及风道布置

蒸发冷凝直膨空调系统的冷源系统及末端分散布置在车站两端的环控机房及风道内。环控机房及风道的布置如下图所示。

（a）A端环控机房冷源设备布置 （b）B端环控机房冷源设备布置

图2蒸发冷凝直膨空调系统设备布置图

直膨型空调末端、压缩机等设备设置在环控机房内，蒸发冷凝器设置在排风道，蒸发冷凝吸风口接至新风道，热风由排风道和排风井排至室外。蒸发冷凝器设置在排风道后，风道占地面积增大，以田头站为例，附属面积增加约409m²。

3.4冷源系统维护

常规水系统需要运营维护的设备有冷却塔、冷却水泵、水冷冷水机、冷冻水泵、冷水型组合式空调器等主要设备。蒸发冷凝直膨空调系统需要维护的主要设备为蒸发式冷凝装置、压缩机、直膨型组合式空调器。与原系统相比，蒸发冷凝直膨空调系统存在系统简约，故障少，安全可靠，维护方便等优点。

4直膨蒸发冷凝空调系统方案回收周期

以田头站为例，常规水系统冷机机组和组合式空调末端的系统总功率约601.1kW，蒸发冷凝直膨空调系统总功率约374.5kW，空调年运行小时数约4500h，用电单价以0.8元计算，蒸发冷凝直膨空调系统年节省电费约81.58万元。蒸发冷凝系统年耗水量约9200m³，常规水冷空调系统年耗水量约29900m³，单位水价以3元/m³计算，蒸发冷凝系统节水费用约6.2万元。年总节省费用约为87.7万元，蒸发冷凝直膨空调系统运行6年，可收回投资成本。

现有的蒸发冷凝直膨空调系统在全国已有运行的案例，在技术上较为成熟。蒸发冷凝直膨系统的能效比比水系统高，在能耗方面比水系统更具优势。同时系统在变工况运行的情况下控制简单。系统组成简洁，采用模块化设计，工程安装快捷，有利于缩短地铁工期。

5结束语

在地铁车站应用蒸发冷凝直膨空调系统，可以减小地铁建设过程中的实施难度，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。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。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，也充分发挥蒸发冷凝空调系统的优点。

参考文献

[1]蒸发冷却空调技术的探讨与应用[J]. 王倩. 暖通空调. 2013(S1)

[2]蒸发冷却空调理论与应用[M]. 中国建筑工业出版社.黄翔.2010

[3]蒸发冷却空调系统在上海某考古展馆中的应用[J]. 何金刚.居舍. 2019(06)

[4]蒸发冷却空调技术发展动态[J]. 黄翔.制冷. 2009(01)