张　鲲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



地铁车站直接蒸发式空调解决方案探讨

张鲲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：直接蒸发式空调系统以节能、占地小、控制灵活等特点多用于中小型建筑，地铁车站空调的冷量规模和空气末端的数量具备采用直接蒸发空调机组的条件，针对该系统应用于地铁车站进行具体分析，根据地铁车站特点，对冷却水系统进行优化整合，提出整体配置方案，从空气处理过程、制冷压缩循环、系统运营成本、土建和设备初投资等方面与常规空调系统进行对比分析。结果表明：该系统具有一定的优势，同时也指出了其存在的缺点和局限性；在设计中应根据具体工程的特点判断是否采用该系统。直接蒸发式空调系统作为一种运行节能、投资节省的空调方式，可以为地铁工程空调系统设计提供一种新的思路和参考。

关键词：地铁车站；直接蒸发空调系统；常规空调系统；空调能效比；运营能耗；初投资；

随着我国城市化进程的快速推进，都市人口密度日益增大，轨道交通以其环保、方便、快捷、运量大等特点越来越多地成为城市公共交通的发展重点，在城市公共交通所占比重也越来越大。其能耗占城市公共基础设施能耗的比重也越大。而通风空调系统又是整个地铁系统能耗的主要方面，据统计，地铁通风空调系统能耗约占地铁系统总能耗的40%以上。因此，如何在地铁通风空调系统实现节能具有重要的现实意义。就水冷直接蒸发式空调系统在地铁中的应用做了分析研究，对系统的优缺点进行对比分析，以期在地铁工程节能设计实践中提供一种新的借鉴和参考。

地铁车站空调系统一般分为公共区空调系统(简称大系统)、设备管理用房空调系统(小系统)和水系统，采用制冷系统+空气处理末端系统，车站需要同时设置制冷机房和空调机房。空调冷冻水系统能耗较大，控制比较复杂。该种方式为中型以上规模空调系统的主要形式。以深圳地铁1号线某车站的设计参数为例[1]，对其采用直接蒸发式空调机组进行分析研究。

1直接蒸发式空调机组空气处理及制冷过程分析

直接蒸发式空调机组实际上是集成的一个中、小型空调系统，机组内不仅有制冷压缩机、直接蒸发表冷器、冷凝器、节流机构组成的制冷(热)系统，而且有通风机、空气过滤器以及空气加湿器等空气处理端设备[2]。与常规的制冷空调系统相比，它将制冷系统和空气换热系统集成在一起，采用制冷剂直接蒸发冷却处理空气，没有载冷剂系统(通常为冷冻水系统)，冷量输送能耗较小；无冷冻水系统，机房面积小，控制灵活；系统还可以兼顾冬季供热的需求。其缺点是对于冷量规模大，末端较多的空调系统则其总能耗大于常规的空调系统，不节能。因此，目前该系统多用于中小型建筑，且多采用风冷式，能效比较低，其应用受到一定的限制。而该系统若采用水冷式，则其能效比要高于常规制冷系统[3]。以深圳地铁某车站为例，公共区空调负荷为640 kW，设置2台组合式空调机组；设备管理用房空调负荷为406 kW，设置3台空调机组；其冷量和空调机组的数量都属于中小规模，采用直接蒸发式空调机组有一定的优势。下面对地铁车站采用直接蒸发式空调机组制冷及其空气处理过程进行分析。

对于制冷逆卡诺循环，制冷系数ε=T0/(TK-T0) ，T0为蒸发温度；Tk为冷凝温度[2]。

与常规制冷系统相比，直接蒸发式空调系统由于减少了载冷剂的换热损失，制冷剂的蒸发温度T0可以提高，冷凝温度Tk通过水冷方式可实现不变。由上式可以得出，ε会增大。

以深圳某地铁车站公共区空调为例，对空气处理过程进行分析计算[4-6]。

图1中：C点:t=28.78 ℃，ts=22.56 ℃；L点：t=17.69 ℃，ts=17.16 ℃；N点：t=28 ℃，ts=21.24 ℃；W点：t=33.5 ℃，ts=27.7 ℃

图1　站厅一次回风过程焓湿图

采用湿球温度效率Es、接触系数E0进行热工评价，Es、E0值与蒸发器结构形式、排数、迎面风速、制冷机种类等因数有关，应通过实验求得，一般由制造厂提供。图1中空气处理过程C至L为制冷剂直接蒸发冷却处理空气

(1)

(2)

式中ts1、ts2——空气初、终状态的湿球温度，℃；

t1，t2——空气初、终状态的干球温度，℃；

tz——蒸发温度，℃；

a——考虑结垢、积灰等因数的安全系数，一般取a=0.94。

这里采用ZF24、ZF48型蒸发器的Es值及E0值，六排管，迎面风速取2.0 m/s时，Es=0.46，E0=0.87。

蒸发温度：tz=22.56-(22.56-17.16)/0.94×0.46=10.1 ℃

空气出口的干球温度：t2=17.16+(1-0.87)(28.78-22.56)=17.9 ℃

从以上计算中得到，直接蒸发温度tz相比采用中间冷媒水做载冷剂的蒸发温度5 ℃提高了约5.0 ℃，这将使压缩机的性能系数提高，另外空气冷却后的干球温度t2与i-d图空气处理过程所要求基本一致[7]。

从以上直接蒸发空气冷却的热工计算中可取冷剂蒸发温度为10 ℃，冷却器空气进出口温度分别为28.78 ℃和17.9 ℃，计算换热器的对数传热温差

(3)

式中，TD2、TD1分别为蒸发器进风、出风温度；Ta为蒸发器换热管壁温度，粗略取5 ℃蒸发温度，换热器的对数传热温差ΔTD为12.4 ℃。

按车站站台室内温度28 ℃考虑，出风口送风温差为10 ℃，满足规范要求[8-10]。

当冷凝温度为40 ℃时，蒸发温度为5 ℃时的压缩比为Pk/P0=2.91，蒸发温度为10 ℃时的压缩比为Pk/P0=2.45，压缩比减小了15.8%，这对压缩机的工作是有利的，可避开蒸汽压缩机制冷循环最大功率工况，减小压缩机驱动电机的配置容量，提高机组的COP[11]。

冷机采用R134a冷媒的压缩循环过程热力计算分析见图2及表1、表2。

由图2及表1、表2得出，当蒸发温度上升，制冷量和能效比均增大[12]。

当冷凝温度相同为40 ℃时，蒸发温度为5 ℃时的压缩比为Pk/P0=2.91，蒸发温度为10 ℃时的压缩比为2.45，压缩比减小了15.8%，这对压缩机的工作是有利的，可避开蒸汽压缩机制冷循环最大功率工况，减小压缩机驱动电机的配置容量，提高机组的COP。

图2　制冷压缩过程热力图

状态点温度/℃绝对压力/MPa比焓/(kJ/kg)比熵/(kJ/(kg·K))1100.41455402.91.717243.81.017423.541.7241340.01.017256.431.18974100.41455213.4311.04795

表2　不同蒸发温度下制冷循环状态点参数

图3　地铁车站水冷式直接蒸发空调系统原理

计算得到：当蒸发温度由5 ℃提高到10 ℃，制冷系数提高21.4%，耗功量减少16%。

同样，对地铁车站小系统，直接蒸发空调制冷系数亦高于常规空调，对其分析的详细过程不再赘述。

2地铁车站直接蒸发式空调系统解决方案

地铁车站采用直接蒸发式空调，标准站公共区空调每端1台，设备区集中端2台，非集中端1台，共计5台，系统配置不能简单地以多套设备拼在一起替代常规空调系统，会造成重复设置多套冷却水系统，能耗大且地面冷却塔太多，不具备可行性。因此，应将冷却水系统进行合并，全车站设置1套冷却水系统或每端设置1套。若全站设置1套冷却水系统，冷却水管需要穿越车站公共区，由于冷却水流量比冷冻水流量大，其输送能耗比常规空调的冷冻水系统还要大，该方式需要考虑压缩机COP值提高带来的节能效应和冷却水输送能耗增大的综合效果，不具备明显的节能优势。因此，推荐水冷式直接蒸发空调采用两端各设置1套冷却水系统的方案，该方案冷却水系统能耗相对较小，但增加了地面协调的难度。地铁车站水冷式直接蒸发空调解决方案原理如图3所示。对于原车站空调方案中零星采用非全空气系统的地方(如：出入口通道及部分房间采用风机盘管)，可以采用水冷变频多联机的方式来解决[13]。其冷却水并入就近端车站的冷却水系统中。该方案可以在冬季利用冷却水形成一个水环热泵系统，根据不用机组之间的同时存在吸热和放热的工况，如用冷却水带走设备发热来对管理用房进行加热，使系统更加节能地运行。

3系统运营费及初投资对比分析

地铁站按照空调年运行220 d，每天运行18 h计，主机及空调末端运行系数按0.6计，水泵等配套设施的运行系数按0.7计[14]，比较两种系统的能耗。

3.1系统运营费对比

(1)常规空调系统：冷水机组+组合式空调机组方案(末端)

①冷水机组2台：冷量635 kW，耗电功率124 kW，耗电为589 248 kW·h；

②冷冻水泵功率15 kW，冷却水泵功率30 kW，冷却塔功率4 kW，各2台，耗电为271 656 kW·h；

③空调末端大、小系统：组合式机组及空调柜机电功率共 93.35 kW， 耗电为221 799 kW·h。

系统总计，全年能耗为1 082 703 kW·h。

(2)直接蒸发组合式空调机组

①冷媒直接蒸发组合式机组2台，制冷357 kW，耗电功率85 kW，耗电为403 920 kW·h；

②冷却水泵功率30 kW，冷却塔功率4 kW，各2台，耗电为188 496 kW·h；

③空调末端：各空调机组耗电功率共148.2 kW， 耗电为352 123 kW·h。

系统总计，全年能耗为944 539 kW·h。

两系统比较，直接蒸发组合式空调机组较常规空调系统耗电节省约138 164 kW·h，空调系统节能12.8%。

3.2初投资对比

常规方案需设置专用制冷机房，而制冷剂直接蒸发空调系统仅需放置冷却水泵的空间即可，车站可节省80 m2左右的面积，可节省土建投资100万元左右。

设备安装初投资对比，对于水冷式制冷剂直接蒸发空调系统，不需要设置冷水机组、冷冻水泵及冷水管道系统，但增加了1套冷却水系统，综合比较2种系统的初投资，常规空调系统较直接蒸发组合式空调机组设备初投资多约20万元。

4结论

从系统能耗状况和初投资来看，地铁车站设置水冷式直接蒸发空调系统较常规的空调系统均有一定的优势，但该系统在实际工程中仍然采用较少。原因是做水冷式制冷剂直接蒸发空调的厂家较少，机组的冷量一般做不大，多采用封闭式制冷压缩机，系统大冷量时，与大型冷水机组相比，其制冷效率较低，且水冷式制冷剂直接蒸发空调目前尚无国家标准。而常规的“冷水机组+冷冻水”系统中的主机和空调末端均有国家标准，产品已十分成熟，应用广泛。这种状况很大程度上限制了水冷式直接蒸发空调的推广使用。同时该系统用于地铁车站也存在一些缺点，如地面需增设冷却塔，加大了地面规划协调的难度；车站每端大、小系统共用一个冷却水系统，两端的冷媒和冷却水系统无法实现相互备用；每个空调机组均需要配置1台制冷压缩机，可能发生故障的点会增多，系统可靠性比常规系统低，会增加运行维护的成本。根据上述对水冷式直接蒸发空调机组优缺点的分析，在设计中应根据具体工程的特点判断是否采用该系统。

目前，已有厂家研发出了适用于轨道交通的水冷式直接蒸发空调机组，并已有工程应用实例[15]，运行节能效果良好。相信随着设备厂家技术的不断进步和工程案例的不断增多，会积累更多的成功经验和成果，为地铁工程空调系统设计提供一种新的思路。

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[15]祝岚.北京地铁9号线通风空调系统节能示范[J].都市快轨交通，2013，26(5):45-46.

Discussion on Direct Evaporative Air Conditioning in Metro Station

ZHANG Kun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Direct evaporative air conditioning system is often used in small and medium buildings due to its advantages of energy saving， small space and flexible control. The cooling capacity and the number of air conditioning end meet the requirement of direct evaporative air conditioning unit. This paper analyzes the application of the system in metro station according to the characteristics of metro station， optimizes and integrates the cooling water system and puts forward overall system configuration. Comparison and analysis against the traditional one are conducted in terms of air handling process， refrigeration compression cycle， operating costs， civil engineering and equipment investment. The results show that this system has certain advantages and some limits and disadvantages. The use of the system is depended largely on the characteristics of the specific project. The system can provide a new concept and reference for the design of air conditioning system in metro engineering due to its energy saving and low investment．

Key words：Metro station; Direct evaporative air conditioning system; Conventional air conditioning system; air conditioner coefficient of performance; Operation energy consumption; Initial investment

中图分类号：U231+.5

文献标识码：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.033

文章编号：1004-2954(2016)04-0138-04

作者简介：张鲲(1974—)，男，高级工程师，1997年毕业于西南交通大学，工学学士。

收稿日期：2015-08-28； 修回日期：2015-09-09