“化整為零”
——水冷式直膨系統(tǒng)在深圳地鐵的應(yīng)用

黃國良

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳 518000）

1 集中式空調(diào)系統(tǒng)的確定和不足

目前，我國地鐵車站大多采用柜式空調(diào)器和回排風機組成的集中式空調(diào)系統(tǒng)，以保證公共區(qū)、設(shè)備區(qū)人員管理用房的溫濕度要求，制冷系統(tǒng)則普遍采用螺桿式水冷制冷機組。

但是該系統(tǒng)存在一定的缺點及不足，具體如下：

1）送、排風管道斷面尺寸大，占用層高、空間大，對機房要求較高。如遇規(guī)模較大且層高不足的車站，會出現(xiàn)管線安裝困難、管線標高不滿足標準、在運營階段閥門及管線出現(xiàn)維護保養(yǎng)困難等情況。

2）因車站體量變大帶來的管路長、阻力大等問題，導(dǎo)致風機壓頭高，功率大，設(shè)備能耗高，不利于節(jié)能減排。

3）系統(tǒng)無法做到按需供冷，如公共區(qū)使用2臺空調(diào)器，無法針對局部區(qū)域的實際情況調(diào)整溫度，有可能在客流爆發(fā)期出現(xiàn)超溫的情況。

因軌道交通建設(shè)的時序性帶來的相關(guān)影響是，后續(xù)的車站建設(shè)條件將變得越發(fā)困難，各種換乘節(jié)點以及周邊地面條件的復(fù)雜性也制約著車站的布局，車站有時會無法像以往車站一樣具備在兩端設(shè)置較大的環(huán)控機房，以及在設(shè)備負荷大端設(shè)置單獨的冷水機房的條件，如果在這樣的特殊情況下堅持使用傳統(tǒng)系統(tǒng)將會變得困難，甚至要付出較大的代價。

針對以上缺點，在某些特殊站點（層高不足，地面條件復(fù)雜，制約因素較多），把機房化整為零，分散于車站各處，設(shè)置水冷式直膨機組，進行分散式送風，以解決機房空間不足的問題。成為解決部分車站機房條件先天不足問題的一個新思路，本文通過在深圳地鐵12號線上川站采用水冷式直膨式空調(diào)系統(tǒng)的情況，在應(yīng)用可行性、土建、設(shè)備投資費用、運行控制策略幾個方面進行探討，對比其與傳統(tǒng)車站通風空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢。

2 工程簡介

上川站為深圳市城市軌道交通12號線工程的第15個地下站。人防重點設(shè)防站。位于上川路與前進一路交叉口的北側(cè)，沿前進一路南北向敷設(shè)。本站為地下2層島式車站，車站總長537 m。本站由車站部分和配線區(qū)及其上方自然形成空間部分組成。共設(shè)有11個出入口，10個緊急疏散口及2組風亭。上川站位于寶安老城區(qū)。車站上方為綜合管廊，站址條件如下：（1）車站周邊多以居住小區(qū)為主，配有部分商業(yè)服務(wù)設(shè)施。（2）前進一路寬26 m，上川一路道路寬16 m，道路狹窄且進行渠化，車站兩側(cè)人行道寬度較窄，附屬布置困難。車站左端無法按常規(guī)布置新、排風亭。

3 車站空調(diào)系統(tǒng)

3.1 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)

車站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)備管理用房空調(diào)系統(tǒng)為共用冷源，由車站冷水系統(tǒng)提供冷水，通過組合式空調(diào)機組、柜式風機盤管機組對車站公共區(qū)、設(shè)備管理用房進行通風降溫，滿足乘客、工作人員以及各類設(shè)備的溫濕度要求，空調(diào)水系統(tǒng)主要由冷水機組、空調(diào)水泵、冷卻塔等大型設(shè)備組成。

3.2 水冷式直膨式空調(diào)系統(tǒng)

水冷式直膨式空調(diào)系統(tǒng)取消了冷水機組、冷凍水泵，將空調(diào)機組內(nèi)的表冷器改為制冷劑直膨式蒸發(fā)冷凝器，由蒸發(fā)冷凝器內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)冷凝直接對空氣進行處理。與傳統(tǒng)的車站空調(diào)系統(tǒng)相比，減少了冷水循環(huán)系統(tǒng)。

3.3 水冷式直膨式系統(tǒng)應(yīng)用的可行性分析

上川站左端無法設(shè)置常規(guī)新風亭，如果采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，則需要進行單端送風，風管體量過大勢必會影響層高，同時影響單端的風井面積。由于上川站周邊地面條件較為復(fù)雜，車站右端風井如面積加大將無法滿足GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]中風亭與建筑物的距離要求。所以，根據(jù)上川站的實際情況，采用水冷式直膨系統(tǒng)。

上川站采用水冷式直膨系統(tǒng)，具有以下優(yōu)勢：

1）機房分散布置：上川站公共區(qū)設(shè)置3個環(huán)控機房，站廳1個，站臺2個，設(shè)備小端新風井與出入口合設(shè)，將機房分散布置，緩解了車站左端的機房布置壓力，不需要加大右端車站風井，同時站臺和站廳分設(shè)機組，可做到獨立控制站廳與站臺的溫濕度，針對不同時段的客流壓力進行調(diào)整。

2）與傳統(tǒng)車站的通風空調(diào)系統(tǒng)相比，水冷式直膨系統(tǒng)的換熱過程為室內(nèi)空氣與直膨式空調(diào)機組蒸發(fā)器的換熱，蒸發(fā)器與冷凝器通過制冷劑進行換熱，再通過冷凝器與冷卻塔通過冷卻水系統(tǒng)的換熱，以及冷卻水與外部空氣的換熱。取消了冷凍水系統(tǒng)，減少了一個換熱環(huán)節(jié)，從技術(shù)原理上降低了換熱帶來的損失，可提高整體系統(tǒng)的能效。

3）取消了冷水機組以及冷凍水泵等大型設(shè)備，可有效減少冷水機房面積，同時設(shè)備設(shè)置于靠近公共區(qū)與設(shè)備區(qū)，可有效減少風管的安裝面積，降低安裝管線的成本及工時。

4 技術(shù)指標分析

4.1 土建費用分析

水冷式直膨式通風空調(diào)系統(tǒng)較傳統(tǒng)通風空調(diào)系統(tǒng)，在冷水機房內(nèi)減少了冷水機組、冷凍水泵以及相應(yīng)的冷水管路，水處理儀等設(shè)備，考慮到正常系統(tǒng)預(yù)留的設(shè)備安裝空間，冷水機組預(yù)留拔管檢修的空間，水冷式直膨系統(tǒng)的機房較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的冷水機房減少土建面積約75 m2，按深圳典型車站地下空間的土建概算費用1.8萬元/m2考慮，可節(jié)約土建費用約135萬元。

4.2 設(shè)備初投資費用分析

相對傳統(tǒng)車站的空調(diào)系統(tǒng)，水冷式直膨機組主要是在公共區(qū)由組合式空調(diào)機組加出入口長通道風機盤管的組合變?yōu)槲迮_型號不一的水冷直膨系統(tǒng)，同時取消了冷水機組以及冷凍水泵，造價較原來的系統(tǒng)增加約155.4萬元。

由數(shù)據(jù)分析可知：末端直膨系統(tǒng)較傳統(tǒng)組合式空調(diào)機組+水冷冷水機組+冷卻塔系統(tǒng)，年總節(jié)省費用約為21.61萬元。

5 水冷式直膨機組的控制要求

5.1 公共區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)控制

1）公共區(qū)水冷式直膨機組自帶智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)車站的實時冷量需求對機組壓縮機、EC風機、冷卻水閥門等進行自主控制，以達到節(jié)能效果。

2）公共區(qū)水冷式直膨系統(tǒng)具有以下的工作模式可切換，分別為：正常工況（包括小新風工況、非空調(diào)季工況）、火災(zāi)工況。

小新風工況：小新風機開啟，新風與回風在混風段混合后，經(jīng)直膨式蒸發(fā)冷凝器處理后送入公共區(qū)。

非空調(diào)季工況：送風機開啟，水冷式直膨機組關(guān)閉，全新風送入公共區(qū)。在非空調(diào)季以及特殊情況下（如疫情期）滿足車站公共區(qū)的通風換氣需求。

火災(zāi)工況：關(guān)閉水冷式直膨機組、送風機以及相關(guān)閥門，開啟排煙風機，按火災(zāi)模式要求運行。

5.2 設(shè)備區(qū)通風空調(diào)系統(tǒng)控制

1）設(shè)備區(qū)水冷式直膨機組自然智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)所負擔的設(shè)備用房實時發(fā)熱量需求，對機組壓縮機、EC風機及冷卻水閥進行自主控制，以達到節(jié)能效果。

2）設(shè)備區(qū)水冷式直膨系統(tǒng)具有以下的工作模式可切換，分別為：正常工況（包括小新風工況、非空調(diào)季工況）、火災(zāi)工況。

小新風工況：通過控制新風管閥門開啟，新風與回風在混風段混合后，經(jīng)直膨式蒸發(fā)冷凝器處理后送入設(shè)備區(qū)。

非空調(diào)季工況：回風閥門關(guān)閉，水冷直膨機組關(guān)閉水閥，開啟機組將新風送入設(shè)備區(qū)，在非空調(diào)季滿足車站設(shè)備區(qū)的發(fā)熱量需求。

火災(zāi)工況：關(guān)閉水冷式直膨機組及相關(guān)閥門，按火災(zāi)模式要求運行，配合氣體消防進行排風操作。

5.3 冷卻水系統(tǒng)控制

1）車站設(shè)備共用一套冷卻水設(shè)備，冷卻水系統(tǒng)包含冷卻水泵、定壓罐以及冷卻塔（閉式鼓風式），系統(tǒng)可根據(jù)車站水冷式直膨系統(tǒng)的冷卻水流量變化，調(diào)整變頻冷卻水泵，冷卻塔風機臺數(shù)和有關(guān)水閥，實現(xiàn)節(jié)能控制。

2）冷卻水系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信接口與控制中心相連，通過接收啟停指令執(zhí)行相關(guān)設(shè)備的調(diào)節(jié)控制操作。

6 實際應(yīng)用過程中的難題及解決措施

6.1 與建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的配合

1）水冷式直膨機組機房可依托車站出入口，附屬等空間設(shè)置機房，由于采用機組余壓回風，不需單獨設(shè)置回排風機，機房面積可以適當減少，但是除了出入口處的水冷式直膨機組，其余機組均需考慮小新風工況下的新風接入，為解決小新風工況下的新風引入，上川站在站廳層與H出入口合設(shè)新風亭，設(shè)置單獨的小新風機，將新風送至每一臺設(shè)備中，以滿足公共區(qū)的新風需求，同時設(shè)置送風機滿足全新風工況下的通風需求。

車站機房分散布置，需考慮排水溝及排水地漏的預(yù)留，水冷式直膨機組設(shè)備本體較高，在站臺層以及出入口處設(shè)置機房時需考慮因下翻梁或者土建因素導(dǎo)致的機房層高偏低，無法滿足設(shè)備安裝要求的問題。

2）站臺層的水冷設(shè)備機組需預(yù)留水管以及新風管的孔洞，上川站全新風模式送風管是排煙風管兼用，火災(zāi)模式下進行切換的做法，如果日后的項目單設(shè)送風管，則需注意預(yù)留相關(guān)管線孔洞。

6.2 與電氣專業(yè)的配合

水冷式直膨機組由于設(shè)備特性，將制冷模塊與空氣處理送風模塊合而為一，所以，在提資電氣專業(yè)時需注意，將制冷模塊與空氣處理模塊的功率分開，以防電氣專業(yè)誤以為是單一回路配電，同時如設(shè)備本身模塊負荷等級不一致（常規(guī)做法是制冷模塊按三級負荷，空氣處理模塊按二級負荷），需明確提醒電氣專業(yè)，以防提資有誤。

6.3 與給排水專業(yè)的配合

水冷式直膨機組由于分散布置，每個機房均需進行排水，同時在水泵房內(nèi)需預(yù)留補水點，機房排水點的設(shè)置需與給排水專業(yè)明確，以防附屬部分的機房未設(shè)置排水點。

7 水冷式直膨系統(tǒng)的優(yōu)勢

水冷式直膨系統(tǒng)與傳統(tǒng)的地鐵空調(diào)系統(tǒng)相比來說具有以下優(yōu)勢：無須載冷劑冷水的二次換熱，采用冷媒直接膨脹蒸發(fā)冷卻空氣來處理地鐵站臺公共區(qū)的熱濕負荷，可提高制冷壓縮機的蒸發(fā)溫度，省去空調(diào)冷水系統(tǒng)的設(shè)置，使得車站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率大為提高。

蒸發(fā)式冷凝器主要是以水和空氣作為冷卻介質(zhì)，在使用中，熱的制冷劑蒸汽進入蒸發(fā)式冷凝器的頂部，將冷卻水通過水泵送至冷凝器頂部，經(jīng)噴頭均勻的噴灑冷凝器的外表，形成一層薄薄的水膜。高溫制冷劑再從冷凝器上部進入集管，經(jīng)過冷凝器外表釋放出熱量?？諝馔ㄟ^分級輸送至冷卻單元，冷凝管道中的高溫制冷劑將熱量傳遞給水膜，使其蒸發(fā)，當水膜蒸發(fā)成為水蒸氣時，冷凝器在以潛熱的方式將其余熱量連通水蒸氣傳送給空氣，再通過風機抽出，而沒有被蒸發(fā)的水蒸氣滴落至水箱內(nèi)，供水泵循環(huán)使用。

蒸發(fā)式冷凝器主要以潛熱傳熱為主、潛熱顯熱為輔，主要是通過水蒸發(fā)的原理帶走潛熱傳熱的熱量，實驗表明：1 kg的冷卻水蒸發(fā)可以帶走2 450 kJ的潛熱傳熱。由此可見，蒸發(fā)式冷凝器具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

8 結(jié)語

針對深圳地鐵12號線上川站所設(shè)置的水冷式直膨空調(diào)機組，結(jié)論如下：

1）水冷式直膨機組在技術(shù)原理上具有一定的先進性，減少的換熱環(huán)節(jié)，可降低換熱損失，相對傳統(tǒng)車站空調(diào)系統(tǒng)可提高整機能耗比，節(jié)省后期運營費用。

2）水冷式直膨機組可靈活設(shè)置機房位置，針對車站層高不足，風亭、環(huán)控機房設(shè)置困難。

3）水冷式直膨機組可滿足車站正常運行，火災(zāi)工況與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)無異。在運行管理上可與其他常規(guī)車站保持一致，不存在差異性。

4）由于水冷式直膨系統(tǒng)仍需要設(shè)置冷卻塔，如遇冷卻塔布置有困難的車站，依然不建議采用該系統(tǒng)。