地鐵車站空調制冷系統的能耗比較

劉卓妹

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地鐵車站空調制冷系統的能耗比較

劉卓妹

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

以地鐵通風空調系統的節能運行為前提，以石家莊地鐵1號線時光街站空調水系統的兩種冷源方案為例，通過對該站水系統能效比和運行費用的比對，得出在優化設計的條件下，地鐵車站通風空調系統采用蒸發冷凝式冷水機組供冷最為節能。

空調水系統；蒸發冷凝機組；能效比；運行費用

0 引言

80年代，蒸發冷凝技術傳入我國。蒸發式冷凝器將風冷和水冷，傳熱與傳質融為一體，是水冷式冷凝器和冷卻塔一體化結構的高效設備。具有節水、節能、結構緊湊和環境污染小等優點。近年來，由于地鐵車站受地面空間限制、城市景觀影響、噪聲污染影響，地鐵空調系統的冷卻塔設置面臨越來越多的問題[1]，所以蒸發冷凝式冷水機組因其節能、節水，占地面積小的優點，而越來越多的應用于地鐵車站的制冷系統。北京地鐵14號線阜通西站；西安地鐵3號線魚化寨站、太白南路站；上海地鐵13號線武寧路站；廣州地鐵2號線三元里站；深圳地鐵7號線田貝站；石家莊地鐵1號線的解放廣場站、平安大街站、省博物館站、時光街站等都采用了蒸發冷凝式機組的供冷形式。

蒸發式冷凝水機組分為3種形式：整體式冷凍水空調系統、分散式冷凍水空調系統、分體式冷媒直膨空調系統[2]。無論采用何種機組形式，都需要在車站風道內設置蒸發式冷凝器或者通過強排手段將蒸發式冷凝器排放的熱量帶出車站，因此對車站風道尺寸或者制冷機房尺寸需要提出一定的要求。但是即使這樣，對于車站外部地形適應性也較好，對車站外部環境的影響也要比設置冷卻塔小得多，因此，在地鐵車站中以蒸發式冷凝系統替代水冷式系統是可行的[3]。

1 蒸發式冷凝的工作原理和特性分析

蒸發式冷凝器，主要靠水蒸發帶走冷凝熱量，所以受室外空氣干球溫度的影響較小，供冷性能比較穩定[4]。

蒸發式冷凝器是以水和空氣作冷卻介質，利用水膜蒸發的汽化潛熱遠遠大于水冷式、風冷式制冷系統的顯熱來吸收系統冷凝放出的熱量，所以消耗的功少，冷卻水量也大大減少[5]。

制冷原理：蒸發冷凝式制冷主機是將冷卻水系統與制冷主機的冷凝器集成合并設置，采用蒸發冷凝式冷凝器，取消了制冷主機外配的冷卻塔、冷卻水泵及冷卻水管道及其附件等，將傳統冷卻水的外循環方式改為內循環方式，大大簡化了冷卻水系統，同時降低了冷卻水的飄水損失，從而大大提高了空調系統的能效比。

工作時冷卻水由水泵送至冷凝管組上部噴嘴，均勻地噴淋在冷凝排管外表面，形成一層很薄的水膜，高溫汽態制冷劑由冷凝排管組上部進入，被管外的冷卻水吸收熱量冷凝成液體從下部流出，吸收熱量的水一部分蒸發為水蒸汽，其余落在下部集水盤內，供水泵循環使用，風機強迫空氣以3-5m/s的速度掠過冷凝排管促使水膜蒸發，強化冷凝管外放熱，并使吸熱后的水滴在下落的進程中被空氣冷卻，蒸發的水蒸汽隨從空氣被風機排出，未被蒸發的水滴被脫水器阻擋住落回水盤。見圖1[6]。

圖1 蒸發冷凝式制冷主機工作原理圖

2 地鐵應用方案

時光街站為雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。

車站施工后期冷卻塔用地協調難度較大，于是進行方案調整取消地面冷卻塔，由此車站制冷系統將原水冷式冷水機組改為蒸發冷凝式冷水機組，后期配型選用整體式蒸發冷凝機組。車站建筑根據通風專業要求，在站廳層兩端設備區分別設置蒸發冷凝機房，以更好滿足車站制冷系統的運行要求。為滿足蒸發冷凝冷水機組的通風換熱要求，A端蒸發冷凝機房采用在與新風道的隔墻上開洞設置進風百葉的形式進風，同時為蒸發冷凝機組配置強排風機一臺，對設備進行更好的通風換熱；B端為車站大端，系統冷量、風量較大，且機房位于車站主體內部，為使蒸發冷凝機組提高換熱效率，配置強送風機、強排風機各一臺。兩端機房主要設備位置如圖2和圖3。

圖2 車站A端蒸發冷凝機房

圖3 車站B端蒸發冷凝機房

3 三種系統的節能性比對

地鐵空調水系統常用的冷凝器形式為水冷式、風冷式和蒸發冷卻式。風冷式冷凝器機組體積較大，COP值較低，機組性能隨室外氣候變化明顯[7]，目前應用較少。

廣州地鐵2號線三元里站，原設計采用風冷冷水機組，后期改造為蒸發冷凝機組，經運行前后對兩種冷源模式的檢測與比對分析，得出蒸發冷凝式冷水機組的性能優于風冷式冷水機組的性能的結論。當空調冷源系統輸出等量的冷量時，蒸發冷凝機組所需能耗為風冷冷源系統所需能耗的47%[8]。由此蒸發冷凝機組較風冷冷源節能顯著。

蒸發冷凝式冷水機組由于可以獲得較低的冷凝溫度，因此能效比高，節能性好[4]。以下僅對蒸發冷凝機組和傳統水冷式冷水機組做比較分析。

3.1 兩種系統的設備參數和能效比

蒸發冷凝冷水機組，標準工況下系統能效比高，明顯優于冷水機組能源效率的國家最新等級指標I級水平，比水冷機組節能15%以上，比一般風冷機組節能35%以上[4]。時光街站原方案采用的是水冷機組，由于外部條件的制約最終采用蒸發冷凝機組。以下對水冷機組和蒸發冷凝機組的設備參數和能效比作比較，見表1和表2。

表1 水冷式系統能耗

表2 蒸發冷凝式系統能耗

由表表1和表2可知，（1）當蒸發冷凝系統不設置風機時，車站兩端蒸發冷凝系統的能效比分別為3.96和4.01，能效比均高于水冷系統的能效比3.48；（2）如果蒸發冷凝系統設置風機，車站兩端蒸發冷凝系統的能效比分別為3.31和2.83，則能效比均較低。

3.2 兩種系統的費用比較

下面按水系統設備運行15年，對水冷系統和蒸發冷凝系統的初投資、耗電量、耗水量、運行費用做比較如表3～8。

（1）初投資

從表3和4比較可知，蒸發冷凝系統的設備初投資高于傳統水冷系統的費用，當設置風機時，蒸發冷凝系統的設備初投資費用約為水冷系統初投資費用的2倍。

表3 水冷式系統初投資費用

表4 蒸發冷凝式系統初投資費用

（2）耗電量

表5 水冷式系統耗電費用

表6 蒸發冷凝系統耗電費用

由上面兩表可以看出，蒸發冷凝機組的運行費用與水冷機組系統相比，運行電費每年節省5.6萬元，15年節約84萬元。

（3）耗水量

表7 水冷式系統耗水量費用

表8 蒸發冷凝系統耗水量費用

由表7和表8比較，按水系統設備運行15年計算，采用蒸發冷凝系統時，一個地鐵車站可節約運行費用近65萬元。

（4）運行費用

通過下圖可以看出，（1）采用蒸發冷凝機組時，如果換熱系統配置風機，其總費用是最高的，且斜率最大，運行以后逐年都在遞增；（2）采用蒸發冷凝機組不配置換熱風機時，該系統的總費用是最低的，盡管該系統運行的前五年，費用略高于水冷系統的運行費用，但在運行的第五年以后費用都低于水冷系統的運行費用，即將蒸發冷凝機組設置在通風較好處，可明顯降低制冷系統的總費用；（3）傳統的水冷系統的總費用位于兩者之間。

圖4 總費用數據比對圖

4 采用蒸發冷凝系統所存在的問題

（1）蒸發冷凝機組的冷凝排風（風量較大）直接排至排風井，如果其他系統的排風距離較近，會對其他排風系統產生背壓影響。

（2）結垢問題：由于冷凝器結構緊湊、吸熱快、換熱效率高，冷卻水在冷凝器表面結垢對傳熱性能影響相當大。而且，冷卻水蒸發時，原來存在的雜質以及水總溶解的固體物濃度會不斷增加，如果這些雜志以及溶解物不能有效控制會引發結垢、腐蝕，從而降低傳熱效率。因此，要采用水處理措施，改善水質，降低結垢風險，增強冷凝器的換熱效果，以提高機組的效率，延長設備的使用壽命。

（3）腐蝕問題：蒸發式冷凝器外殼由于常年處于水與空氣的潮濕環境下，易于腐蝕，因此，換熱盤管，換熱盤管、箱體以及風機電機都需要采用防腐處理，以提高設備的耐用性，減少設備運行的維護費用。

5 結語

（1）在車站冷卻塔無條件設置的情況下，采用蒸發冷凝機組，解決了車站空調系統的供冷問題；

（2）采用蒸發冷凝機組系統，與傳統水冷系統的初投資費用相比是增加的，但當優化蒸發冷凝機組的位置設計，不設置換熱風機時，該系統的總費用小于水冷系統的總費用；

（3）通風空調系統的運行能耗在地鐵運行中所占比例較大，而建筑方案的變化對通風空調系統的選擇以及后期的運行能耗具有很大的影響。前期的專業配合和合理的系統設計，可以實現蒸發冷凝系統能效更高，節約用水的優勢，提高地鐵空調系統的整體節能水平。

[1] 丁秀娟.蒸發冷凝冷凝機組在地鐵工程中的技術經濟分析[J].制冷與空調,2014,28(2):205-210.

[2] 吳允昌.蒸發式冷凝機組在地鐵車站的應用分析[J].都市軌道交通,2012,25(4):119-122.

[3] 許巍,王懷良,羅碩成.蒸發式冷凝空調系統在地鐵中的應用[J].暖通空調,2011,41(6):43-46.

[4] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[5] 江沿源,鐘桂龍.風冷、水冷和蒸發式冷凝器制冷系統經濟性研究[J].廣東化工,2008,35(10):31-34.

[6] 劉長鳴.蒸發式冷凝技術在地鐵工程中的應用分析[J].制冷與空調,2013,27(4):339-342.

[7] 李林林,羅輝,羅燕萍.蒸發式冷凝器應用于地鐵工程的適用性淺析[J].都市軌道交通,2014,27(5):108-110.

[8] 廣州三元里站風冷冷水機組改造節能效果對比檢測評估報告[M].廣州軌道交通2號線.

[9] GB50189-2015,公共建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2015.

The Comparison for Energy Consumption in Refrigeration System of Underground Railway Stations

Liu Zhuomei

( China Railway Fifth Survey And Design Institute Group Co., Ltd, BeiJing, 102600 )

Based on energy saving in underground railway stations, comparing the water system EER and operating cost with ShiGuangJie station of ShiJiaZhuang first subway line, for example. Concluded that water evaporative-condensation type air conditioning unit is the best way to save energy in ventilation and air-conditioning water system of underground railway stations, when the project design is reasonable.

air-conditioning water system; water evaporative-condensation type air conditioning unit; EER; operating cost

1671-6612（2016）05-568-05

U121

A

2016-03-31

作者（通訊作者）簡介：劉卓妹（1981.9-），女，碩士研究生，工程師，E-mail：sissi9129@126.com