劉卓妹

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地鐵車站空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗比較

劉卓妹

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

以地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行為前提，以石家莊地鐵1號(hào)線時(shí)光街站空調(diào)水系統(tǒng)的兩種冷源方案為例，通過(guò)對(duì)該站水系統(tǒng)能效比和運(yùn)行費(fèi)用的比對(duì)，得出在優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件下，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組供冷最為節(jié)能。

空調(diào)水系統(tǒng)；蒸發(fā)冷凝機(jī)組；能效比；運(yùn)行費(fèi)用

0 引言

80年代，蒸發(fā)冷凝技術(shù)傳入我國(guó)。蒸發(fā)式冷凝器將風(fēng)冷和水冷，傳熱與傳質(zhì)融為一體，是水冷式冷凝器和冷卻塔一體化結(jié)構(gòu)的高效設(shè)備。具有節(jié)水、節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，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(diào)系統(tǒng)的冷卻塔設(shè)置面臨越來(lái)越多的問(wèn)題[1]，所以蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組因其節(jié)能、節(jié)水，占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，而越來(lái)越多的應(yīng)用于地鐵車站的制冷系統(tǒng)。北京地鐵14號(hào)線阜通西站；西安地鐵3號(hào)線魚(yú)化寨站、太白南路站；上海地鐵13號(hào)線武寧路站；廣州地鐵2號(hào)線三元里站；深圳地鐵7號(hào)線田貝站；石家莊地鐵1號(hào)線的解放廣場(chǎng)站、平安大街站、省博物館站、時(shí)光街站等都采用了蒸發(fā)冷凝式機(jī)組的供冷形式。

蒸發(fā)式冷凝水機(jī)組分為3種形式：整體式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)、分散式冷凍水空調(diào)系統(tǒng)、分體式冷媒直膨空調(diào)系統(tǒng)[2]。無(wú)論采用何種機(jī)組形式，都需要在車站風(fēng)道內(nèi)設(shè)置蒸發(fā)式冷凝器或者通過(guò)強(qiáng)排手段將蒸發(fā)式冷凝器排放的熱量帶出車站，因此對(duì)車站風(fēng)道尺寸或者制冷機(jī)房尺寸需要提出一定的要求。但是即使這樣，對(duì)于車站外部地形適應(yīng)性也較好，對(duì)車站外部環(huán)境的影響也要比設(shè)置冷卻塔小得多，因此，在地鐵車站中以蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)替代水冷式系統(tǒng)是可行的[3]。

1 蒸發(fā)式冷凝的工作原理和特性分析

蒸發(fā)式冷凝器，主要靠水蒸發(fā)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(wěn)定[4]。

蒸發(fā)式冷凝器是以水和空氣作冷卻介質(zhì)，利用水膜蒸發(fā)的汽化潛熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水冷式、風(fēng)冷式制冷系統(tǒng)的顯熱來(lái)吸收系統(tǒng)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(fā)冷凝式制冷主機(jī)是將冷卻水系統(tǒng)與制冷主機(jī)的冷凝器集成合并設(shè)置，采用蒸發(fā)冷凝式冷凝器，取消了制冷主機(jī)外配的冷卻塔、冷卻水泵及冷卻水管道及其附件等，將傳統(tǒng)冷卻水的外循環(huán)方式改為內(nèi)循環(huán)方式，大大簡(jiǎn)化了冷卻水系統(tǒng)，同時(shí)降低了冷卻水的飄水損失，從而大大提高了空調(diào)系統(tǒng)的能效比。

工作時(shí)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(tài)制冷劑由冷凝排管組上部進(jìn)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(fā)為水蒸汽，其余落在下部集水盤(pán)內(nèi)，供水泵循環(huán)使用，風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣以3-5m/s的速度掠過(guò)冷凝排管促使水膜蒸發(fā)，強(qiáng)化冷凝管外放熱，并使吸熱后的水滴在下落的進(jìn)程中被空氣冷卻，蒸發(fā)的水蒸汽隨從空氣被風(fēng)機(jī)排出，未被蒸發(fā)的水滴被脫水器阻擋住落回水盤(pán)。見(jiàn)圖1[6]。

圖1 蒸發(fā)冷凝式制冷主機(jī)工作原理圖

2 地鐵應(yīng)用方案

時(shí)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(tái)層。

車站施工后期冷卻塔用地協(xié)調(diào)難度較大，于是進(jìn)行方案調(diào)整取消地面冷卻塔，由此車站制冷系統(tǒng)將原水冷式冷水機(jī)組改為蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組，后期配型選用整體式蒸發(fā)冷凝機(jī)組。車站建筑根據(jù)通風(fēng)專業(yè)要求，在站廳層兩端設(shè)備區(qū)分別設(shè)置蒸發(fā)冷凝機(jī)房，以更好滿足車站制冷系統(tǒng)的運(yùn)行要求。為滿足蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組的通風(fēng)換熱要求，A端蒸發(fā)冷凝機(jī)房采用在與新風(fēng)道的隔墻上開(kāi)洞設(shè)置進(jìn)風(fēng)百葉的形式進(jìn)風(fēng)，同時(shí)為蒸發(fā)冷凝機(jī)組配置強(qiáng)排風(fēng)機(jī)一臺(tái)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行更好的通風(fēng)換熱；B端為車站大端，系統(tǒng)冷量、風(fēng)量較大，且機(jī)房位于車站主體內(nèi)部，為使蒸發(fā)冷凝機(jī)組提高換熱效率，配置強(qiáng)送風(fēng)機(jī)、強(qiáng)排風(fēng)機(jī)各一臺(tái)。兩端機(jī)房主要設(shè)備位置如圖2和圖3。

圖2 車站A端蒸發(fā)冷凝機(jī)房

圖3 車站B端蒸發(fā)冷凝機(jī)房

3 三種系統(tǒng)的節(jié)能性比對(duì)

地鐵空調(diào)水系統(tǒng)常用的冷凝器形式為水冷式、風(fēng)冷式和蒸發(fā)冷卻式。風(fēng)冷式冷凝器機(jī)組體積較大，COP值較低，機(jī)組性能隨室外氣候變化明顯[7]，目前應(yīng)用較少。

廣州地鐵2號(hào)線三元里站，原設(shè)計(jì)采用風(fēng)冷冷水機(jī)組，后期改造為蒸發(fā)冷凝機(jī)組，經(jīng)運(yùn)行前后對(duì)兩種冷源模式的檢測(cè)與比對(duì)分析，得出蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組的性能優(yōu)于風(fēng)冷式冷水機(jī)組的性能的結(jié)論。當(dāng)空調(diào)冷源系統(tǒng)輸出等量的冷量時(shí)，蒸發(fā)冷凝機(jī)組所需能耗為風(fēng)冷冷源系統(tǒng)所需能耗的47%[8]。由此蒸發(fā)冷凝機(jī)組較風(fēng)冷冷源節(jié)能顯著。

蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組由于可以獲得較低的冷凝溫度，因此能效比高，節(jié)能性好[4]。以下僅對(duì)蒸發(fā)冷凝機(jī)組和傳統(tǒng)水冷式冷水機(jī)組做比較分析。

3.1 兩種系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)和能效比

蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組，標(biāo)準(zhǔn)工況下系統(tǒng)能效比高，明顯優(yōu)于冷水機(jī)組能源效率的國(guó)家最新等級(jí)指標(biāo)I級(jí)水平，比水冷機(jī)組節(jié)能15%以上，比一般風(fēng)冷機(jī)組節(jié)能35%以上[4]。時(shí)光街站原方案采用的是水冷機(jī)組，由于外部條件的制約最終采用蒸發(fā)冷凝機(jī)組。以下對(duì)水冷機(jī)組和蒸發(fā)冷凝機(jī)組的設(shè)備參數(shù)和能效比作比較，見(jiàn)表1和表2。

表1 水冷式系統(tǒng)能耗

表2 蒸發(fā)冷凝式系統(tǒng)能耗

由表表1和表2可知，（1）當(dāng)蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)不設(shè)置風(fēng)機(jī)時(shí)，車站兩端蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的能效比分別為3.96和4.01，能效比均高于水冷系統(tǒng)的能效比3.48；（2）如果蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)設(shè)置風(fēng)機(jī)，車站兩端蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)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(tǒng)的費(fèi)用比較

下面按水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行15年，對(duì)水冷系統(tǒng)和蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的初投資、耗電量、耗水量、運(yùn)行費(fèi)用做比較如表3～8。

（1）初投資

從表3和4比較可知，蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的設(shè)備初投資高于傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)的費(fèi)用，當(dāng)設(shè)置風(fēng)機(jī)時(shí)，蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的設(shè)備初投資費(fèi)用約為水冷系統(tǒng)初投資費(fèi)用的2倍。

表3 水冷式系統(tǒng)初投資費(fèi)用

表4 蒸發(fā)冷凝式系統(tǒng)初投資費(fèi)用

（2）耗電量

表5 水冷式系統(tǒng)耗電費(fèi)用

表6 蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)耗電費(fèi)用

由上面兩表可以看出，蒸發(fā)冷凝機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用與水冷機(jī)組系統(tǒng)相比，運(yùn)行電費(fèi)每年節(jié)省5.6萬(wàn)元，15年節(jié)約84萬(wàn)元。

（3）耗水量

表7 水冷式系統(tǒng)耗水量費(fèi)用

表8 蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)耗水量費(fèi)用

由表7和表8比較，按水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行15年計(jì)算，采用蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)地鐵車站可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用近65萬(wàn)元。

（4）運(yùn)行費(fèi)用

通過(guò)下圖可以看出，（1）采用蒸發(fā)冷凝機(jī)組時(shí)，如果換熱系統(tǒng)配置風(fēng)機(jī)，其總費(fèi)用是最高的，且斜率最大，運(yùn)行以后逐年都在遞增；（2）采用蒸發(fā)冷凝機(jī)組不配置換熱風(fēng)機(jī)時(shí)，該系統(tǒng)的總費(fèi)用是最低的，盡管該系統(tǒng)運(yùn)行的前五年，費(fèi)用略高于水冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，但在運(yùn)行的第五年以后費(fèi)用都低于水冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，即將蒸發(fā)冷凝機(jī)組設(shè)置在通風(fēng)較好處，可明顯降低制冷系統(tǒng)的總費(fèi)用；（3）傳統(tǒng)的水冷系統(tǒng)的總費(fèi)用位于兩者之間。

圖4 總費(fèi)用數(shù)據(jù)比對(duì)圖

4 采用蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)所存在的問(wèn)題

（1）蒸發(fā)冷凝機(jī)組的冷凝排風(fēng)（風(fēng)量較大）直接排至排風(fēng)井，如果其他系統(tǒng)的排風(fēng)距離較近，會(huì)對(duì)其他排風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生背壓影響。

（2）結(jié)垢問(wèn)題：由于冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊、吸熱快、換熱效率高，冷卻水在冷凝器表面結(jié)垢對(duì)傳熱性能影響相當(dāng)大。而且，冷卻水蒸發(fā)時(shí)，原來(lái)存在的雜質(zhì)以及水總?cè)芙獾墓腆w物濃度會(huì)不斷增加，如果這些雜志以及溶解物不能有效控制會(huì)引發(fā)結(jié)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(zhì)，降低結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)冷凝器的換熱效果，以提高機(jī)組的效率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

（3）腐蝕問(wèn)題：蒸發(fā)式冷凝器外殼由于常年處于水與空氣的潮濕環(huán)境下，易于腐蝕，因此，換熱盤(pán)管，換熱盤(pán)管、箱體以及風(fēng)機(jī)電機(jī)都需要采用防腐處理，以提高設(shè)備的耐用性，減少設(shè)備運(yùn)行的維護(hù)費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在車站冷卻塔無(wú)條件設(shè)置的情況下，采用蒸發(fā)冷凝機(jī)組，解決了車站空調(diào)系統(tǒng)的供冷問(wèn)題；

（2）采用蒸發(fā)冷凝機(jī)組系統(tǒng)，與傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)的初投資費(fèi)用相比是增加的，但當(dāng)優(yōu)化蒸發(fā)冷凝機(jī)組的位置設(shè)計(jì)，不設(shè)置換熱風(fēng)機(jī)時(shí)，該系統(tǒng)的總費(fèi)用小于水冷系統(tǒng)的總費(fèi)用；

（3）通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗在地鐵運(yùn)行中所占比例較大，而建筑方案的變化對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的選擇以及后期的運(yùn)行能耗具有很大的影響。前期的專業(yè)配合和合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)能效更高，節(jié)約用水的優(yōu)勢(shì)，提高地鐵空調(diào)系統(tǒng)的整體節(jié)能水平。

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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(jiǎn)介：劉卓妹（1981.9-），女，碩士研究生，工程師，E-mail：sissi9129@126.com