蒸發冷凝及末端空調器直膨系統在廣州某地鐵車站的應用

龔保偉

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著地鐵線網規劃的覆蓋面積不斷增加，如何將地鐵工程與繁華擁擠的城市環境相協調的結合是目前地鐵建設中日益突顯的問題。對車站通風空調系統而言，對城市環境有影響的設備是冷卻塔，地鐵工程的冷卻塔與周邊環境的關系被日益重視。隨著通風空調領域技術的不斷創新與發展，空調冷源也出現了新型設備，可通過采用新型設備解決降低空調系統在建設及運營過程中對環境的影響。

為解決目前地鐵車站通風空調系統存在的相關問題，提出一種新型的地鐵通風空調系統-蒸發冷凝及末端空調器直膨系統[1]。新系統在廣州某地鐵車站作為示范應用，于2018年6月30日開通運營。本文將重點介紹了新系統基本原理、設備組成及其在示范車站的應用情況。

1 技術原理和設備組成

1.1 技術原理

蒸發冷凝及末端空調器直膨技術原理是：高溫高壓冷媒蒸汽經過蒸發式冷凝器冷卻后變成高壓低溫的液態制冷劑，經過節流裝置后變成低壓低溫的冷媒，進入直膨蒸發末端裝置的蒸發器與空氣循環空氣進行蒸發換熱后，變成高溫高壓的蒸汽，然后經過壓縮機吸入后壓縮變成高溫高壓的冷媒蒸汽，如此反復完成制冷循環[2]。圖1為蒸發冷凝及末端空調器直膨系統。

1.2 設備組成

圖1 蒸發冷凝及末端空調器直膨系統

設備原理是將常規冷水系統中的5大重要組成部件（冷卻塔+冷卻水泵+冷水機組+冷凍水泵+空調末端機組）拆分，即新系統的設備主要由以下3個部分組成：①蒸發冷凝裝置。②壓縮機裝置。③直膨蒸發末端裝置。

蒸發冷凝裝置由風機墻、蒸發冷凝裝置、噴淋水系統等部件集成，通常嵌裝于地下土建附屬的新風道與排風道之間隔墻上，根據實際的空間也可以選擇放置在新風道、排風道或者新、排風道之間的機房；壓縮機裝置由螺桿壓縮機、離心式油分離器、儲液器、氣液分離器、本地電氣控制箱等元器件組成，為冷媒循環動力源；直膨蒸發末端裝置包含膨脹閥、蒸發器部件，蒸發器采用直接蒸發制冷來取代常規空調機組中的表冷器，由空氣直接與蒸發器換熱。

新系統自帶集成控制系統，集成控制系統監管下轄制冷劑管路系統所覆蓋的設備（蒸發冷凝裝置、壓縮機裝置、直膨蒸發末端裝置等），采用開放式協議，標準通信接口，與BAS進行對接。集成控制系統向BAS反饋空調系統各裝置運行狀態及參數，接收BAS系統監測的車站各空調區域工況，傳輸給各裝置就地控制箱。

2 廣州某站的應用情況

2.1 工程概況

本站為廣州地鐵九號線工程第十座車站，為新增車站。車站為地下兩層島式站臺車站，標準段寬29.25m，總建筑面積為14170.95m2，空調建筑面積為4216m2。車站負一層為站廳層，中部為公共區，兩端為環控機房、風道及部分設備用房；為了減少現有盾構區間廢除工程量，車站長度控制在160m，車站的主要辦公設備用房區設置在上行線外側一跨空間內。車站負二層為站臺層。本站2037年晚高峰客流為8044人/h，超高峰系數為1.3。

本站為國內外灰巖區第一座先隧后站的車站，第一座頂板覆土只有700～800mm的車站，南方地區第一座采用蒸發冷凝及末端空調器直膨系統的車站。

2.2 系統劃分

本站為分站供冷車站，總冷負荷為1073kW，其中A端冷負荷為486kW，B端冷負荷為587kW（以車站中心線為界，中心線以左區域為A端，中心線以右區域為B端）。車站公共區通風空調系統（大系統）采用雙風機一次回風全空氣系統，雙端送風，在車站兩端的通風空調機房內各設置一套系統，分別負擔公共區一半的空調負荷。車站設備管理用房通風空調系統（小系統）共設有6個小系統空調系統，兩端各3個。

A端大系統獨立對應一套壓縮機裝置，即獨立制冷劑管路；A端小系統因冷量相近，且各末端所在分支管管路長度適宜，3臺小系統末端對應一套壓縮機裝置，即一拖三。B端大系統獨立對應一套壓縮機裝置，即獨立制冷劑管路；B端小系統B1和B2系統因冷量相近，且各末端所在分支管管路長度適宜，故這兩臺末端對應一套壓縮機裝置，即一拖二；B端小系統B3系統獨立對應一套壓縮機裝置，即該小系統獨立制冷劑管路。

2.3 設備布置

根據大系統和小系統的負荷大小和運行時間的不同，車站在兩端各設一臺蒸發冷凝裝置，分別負擔該端的冷量。蒸發冷凝裝置設置在車站附屬新排風道之間的風道隔間（面積均為70m2）內，采用由EC風機組成的風機墻作為蒸發冷凝裝置的排風動力裝置，由新風道引風，將熱濕空氣排至排風道，在蒸發冷凝裝置出風口設置止回閥，由設備自帶。

A端大系統直膨組合式空調機組、小系統1臺直膨柜式空調器放置在A端站廳層環控機房內，另外2臺直膨柜式空調器放置在A端站臺層環控機房內，最遠空調末端至蒸發冷凝裝置冷媒管等效長度為40m。B端大系統直膨組合式空調機組、小系統1臺直膨柜式空調器放置在B端站廳層環控機房內，另外2臺直膨柜式空調器放置在B端站臺層環控機房內，最遠空調末端至蒸發冷凝裝置冷媒管等效長度為35m。集成控制系統群控柜分別設置在站廳層兩端的環控機房內，不額外占用設備用房。

車站系統平面圖布置如圖2、圖3所示。

圖2 車站站廳層設備布置

圖3 車站站臺層設備布置

2.4 運行能效

蒸發冷凝及末端空調器直膨空調系統與常規地鐵車站冷水系統相比，理論上有3個方面節能優勢，分別是蒸發冷凝器的節能、蒸發冷凝器對壓縮系統的節能和冷媒直接蒸發的節能[3]。

本站于2018年6月30日開通運營，車站集成控制系統監測各機組的運行實時參數，并記錄了歷史運行參數。本文選取典型空調季中的2021年7月7日至2021年8月4日共29天的B端新系統冷源側（含蒸發冷凝裝置、壓縮機裝置）綜合制冷性能系數逐時數據和B端新系統全系統（含蒸發冷凝裝置、壓縮機裝置、直膨蒸發末端裝置）綜合制冷性能系數逐時數據，如圖4、圖5所示。

圖4 B端新系統冷源側逐時綜合制冷性能系數（2021/7/7—2021/8/4）

分析上述數據可得，本站B端新系統冷源側該時間段內的綜合制冷性能系數平均值為5.58，現有常規地鐵車站冷水系統綜合制冷性能系數（制冷量與冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔凈輸入能量之比）在3.5～4.2之間；B端新系統全系統該時間段內的綜合制冷性能系數平均值為4.03，現有常規地鐵車站全系統綜合制冷性能系數（制冷量與冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔、空調末端凈輸入能量之比）在2.5～3.0之間。

綜上所述，本站蒸發冷凝及末端空調器直膨空調系統相對常規地鐵車站冷水系統可獲得30%以上的節能效益。

圖5 B端新系統全系統逐時綜合制冷性能系數（2021/7/7—2021/8/4）

3 與常規方案對比

通過在土建初投資、設備初投資及運行維護費用等方面進行全壽命周期技術經濟分析，可得出新系統具有節地、節能和簡化管路等多方面優勢。兩種方案綜合對比如表1所示。

表1 新系統與常規冷水系統的對比

4 結語

相較于常規地鐵車站冷水系統，蒸發冷凝及末端空調器直膨空調系統具有以下優勢：①減少換熱效率，具有一定的節能效益。②設備布置靈活，可充分利用地鐵車站土建特性，節省車站主體用地。③制冷劑管路替換冷凍水、冷卻水管路，簡化管路布置。④地面無冷卻塔，解決了冷卻塔設置困難、影響景觀美觀以及噪聲擾民等問題。當然，新系統在實際運行當中也存在一些問題，應進一步對新系統進行調整和優化；另一方面，技術原理上決定了新系統在氣候干燥地區具有更大的節能效益[4]，在南方地區熱濕環境中新系統運行能效比會有所降低，不能充分發揮新系統的節能優勢[5]。

地鐵車站蒸發冷凝及末端空調器直膨空調系統的應用與推廣應結合各地區、各車站的實際條件，結合業主要求，進行細致的經濟效益和社會效益比選，以最大化地發揮蒸發冷凝及末端空調器直膨系統的技術優勢。