朱璐璐

（西安市軌道交通集團有限公司，陜西 西安 710018）

0 前言

近年來，我國軌道交通快速發(fā)展，地鐵已逐漸成為民眾出行的首選交通方式，對緩解城市交通擁擠、促進城市經(jīng)濟、建設快速發(fā)展起到非常重要的作用?？v觀全國在建的或是已經(jīng)建成的地鐵工程，其線路設計大多是在城市中心的核心位置，沿線土地開發(fā)較為成熟，人口較為密集，商業(yè)建筑物較多，地面空間十分有限，因此如果采用傳統(tǒng)地鐵通風空調系統(tǒng)，即在地面設置風亭和冷卻塔，這樣不但會影響城市景觀，還會間接產(chǎn)生征地拆遷、噪聲治理等巨大的費用。蒸發(fā)式冷凝冷水機組提供了另外一種制冷方案，能夠初步解決地面冷卻塔占地協(xié)調困難、冷卻塔運行產(chǎn)生的噪聲及漂水等問題[1]。該文對蒸發(fā)式冷凝冷水機組在某地鐵車站的應用情況進行初步分析，為今后地鐵車站采用蒸發(fā)式冷凝冷水機組改進冷源系統(tǒng)提供參考。

1 蒸發(fā)式冷凝技術概述

1.1 蒸發(fā)式冷凝冷水機組的組成

機組高度集成，主要由蒸發(fā)器、板式冷凝器、壓縮機、水處理器、儲液器、干燥過濾器和電控柜組成。機組配置變頻軸流風機和水泵，根據(jù)機組的運行狀態(tài)自動調節(jié)風機轉速和水泵葉輪的轉速，實現(xiàn)節(jié)能的目標。機組采用多模塊化無縫拼接，具有獨立的冷媒系統(tǒng)，安裝方便。蒸發(fā)式冷凝冷水機組的結構組成圖如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)式冷凝冷水機組結構圖

蒸發(fā)式冷凝器是蒸發(fā)式冷凝冷水機組主要的換熱設備，以水和空氣為冷卻介質，利用部分冷卻水的蒸發(fā)潛熱帶走氣體制冷劑在冷凝過程中所放出的熱量，是一種高效換熱設備，當冷卻水的蒸發(fā)潛熱交換不受環(huán)境影響時，用于空調系統(tǒng)中綜合節(jié)能效果非常明顯[2]。

1.2 蒸發(fā)式冷凝冷水機組的優(yōu)點

相對于傳統(tǒng)螺桿式水冷冷水機組的空調制冷方案，蒸發(fā)式冷凝冷水機組應用于地鐵車站中，設置于地下的空調制冷方案，主要優(yōu)點有2個：1）節(jié)約地上面積。采用蒸發(fā)式冷凝技術的蒸發(fā)式冷凝冷水機組空調制冷方案，不需要配置用于為冷卻水散熱的冷卻水塔，節(jié)約地上面積，解決了地面冷卻塔噪聲、漂水對周邊居民的影響以及影響城市景觀的問題。2）整體換熱效率提高且減少了冷卻水系統(tǒng)的能耗[3]，直接利用水的蒸發(fā)帶走氣態(tài)制冷劑的冷凝熱，省去了從冷凝器到冷卻塔傳遞用的冷卻水泵及龐大復雜的冷卻水管路。蒸發(fā)式冷凝冷水機組與傳統(tǒng)水冷冷水機組的比較見表1。

1.3 蒸發(fā)式冷凝冷水機組與傳統(tǒng)水冷冷水機組的比較

一般空調的冷凝方式分為3種，即風冷式、水冷式和蒸發(fā)式，通過不同冷凝方式的比較，從冷凝溫度、風量和節(jié)能等方式對蒸發(fā)式冷凝器和風冷冷凝器、水冷冷凝器的區(qū)別進行了匯總，見表1。

表1 蒸發(fā)式冷凝器和風冷冷凝器、水冷冷凝器的區(qū)別匯總表

與傳統(tǒng)的風冷冷水機組和水冷冷水機組廣泛應用于空調領域，蒸發(fā)式冷凝冷水機組的應用時間較短，技術相對較新。但從技術角度分析，蒸發(fā)式冷凝技術可以降低冷凝壓力，減少壓縮機功率，結構上將冷卻塔和冷凝器合為一體，不需要獨立設置冷卻塔，大大減少冷卻水泵流量與揚程，提高整個空調系統(tǒng)能效比，節(jié)約水資源。

為了直觀地對2種機組進行分析比較，根據(jù)現(xiàn)場方案和機組自身特點，進行了有關運行特點、環(huán)保性能、建筑要求、系統(tǒng)安裝等方面的比較，具體內(nèi)容見表2。

表2 蒸發(fā)式冷凝冷水機組與傳統(tǒng)水冷冷水機組的比較表

2 蒸發(fā)式冷凝冷水機組在地鐵車站的布局應用

2.1 項目概況

為了改進、優(yōu)化地鐵通風空調系統(tǒng)工藝，選取某條線設置冷卻塔困難的車站為試點站，取消冷卻塔，采用蒸發(fā)冷凝冷水機組為地鐵車站空調系統(tǒng)提供冷源的系統(tǒng)設計方案。所選車站為某2層島式車站，總長度為361.11 m，標準段外包總寬為20.7 m。設備管理用房集中布置在車站東端的站廳和站臺層，并在東端站臺層設置牽引降壓混合變電所，蒸發(fā)冷凝機房設置于車站東端站廳層，機房面積181 m2，機房及風道處凈高為5 550 mm。

2.2 方案設計

車站全線通風空調系統(tǒng)設計為統(tǒng)一運行模式，夏季空調24 h運行的重要設備管理用房，夜間采用變制冷劑流量空調系統(tǒng)進行空調降溫，保證房間內(nèi)環(huán)境溫度要求，根據(jù)該設計運行模式，在對土建規(guī)模影響不大的情況下，車站蒸發(fā)冷凝冷水機組均單獨配置1臺專用變頻風機，該設備配置方案可以確保夜間極機組節(jié)能運行。

以某地鐵站為例，根據(jù)車站建筑布局，在車站東端站廳層活塞風道旁布置蒸發(fā)冷凝機房，機房內(nèi)布置2臺670 kW的蒸發(fā)式冷凝冷水機組，其冷凝排風量為75 300 m3/h，在排風道邊設置蒸發(fā)冷凝排風道，并在風道內(nèi)設置1臺專用變頻排風機，風機選用風量為41.8 m3/s。該站大、小系統(tǒng)合用冷源，總設計冷負荷為1 124.2 kW，其中大系統(tǒng)冷負荷為603.4kW，小系統(tǒng)冷負荷為520.8 kW。結合車站建筑布局方案，按以下設備布置原則進行機房及風道內(nèi)設備布置，具體原理如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)式冷凝冷水機組通風系統(tǒng)原理示意圖

由于蒸發(fā)式冷凝冷水機組內(nèi)部蒸發(fā)式冷凝器需要有水循環(huán)換熱，避免風管風速過高把水帶走，因此蒸發(fā)冷凝排熱主風管風速控制按不超過8 m/s、與機組連接的喉部風管風速按不超過5 m/s進行管道設計計算。同時在排熱主風管和機組喉部風管安裝風量調節(jié)閥，以便調節(jié)每個機組上部排風口風量均等。

為了設備運行維護及接管方便，并保證進風暢通，蒸發(fā)冷凝機組設備之間的間距按照不小于1.5 m控制，設備離墻維護空間按不小于1 m控制。

由于蒸發(fā)冷凝機房是利用負壓自然進風，所以進風口風速不能太高，進風口風速按不超過2.5 m/s進行控制并計算進風百葉面積；進風氣流可以通過機房與新風道隔墻開裝百葉把風引入機房，進風百葉選用180°平百葉布置，以減少風阻。

3 采用蒸發(fā)式冷凝冷水機組在應用中需注意的問題及解決途徑

3.1 設備結垢問題

蒸發(fā)冷凝方案是向冷凝器上循環(huán)噴淋冷卻水，依靠噴淋水的蒸發(fā)吸收相變潛熱而提高風冷式冷凝器的換熱效率，蒸發(fā)冷凝式冷水機組對水量需求量大和對水質的要求較高，目前1 h耗水量在10 t～20 t[4]，水處理設備每小時的處理能力達不到所需制冷能力的話，就會出現(xiàn)在冷凝器表面結垢的問題。冷卻水在冷凝器表面結垢對其傳熱性能影響相當大[5]，同時影響傳熱效率和設備使用壽命，針對該問題有2種方法解決：1）在蒸發(fā)式冷凝冷水機組進風側留有不小于1.5 m的清洗場地，加壓水龍頭沖洗，也可采用廠家配置的專用工具清洗，在運行時用物理或化學方法來清洗垢質，同時加大后期維保工作量。一般有2種清洗方式:①自動排污沖洗。②加入安全除垢劑清洗。在使用除垢劑清洗不夠徹底的情況下，可拆下蒸發(fā)冷凝器進行單獨清洗。2）根據(jù)該地區(qū)的水質較硬的實際情況，在保證機組自身正常安全可靠運行的前提下，采取適合當?shù)厮|要求的軟化水處理設備及冷卻循環(huán)水處理設備，解決冷凝器換熱片結垢問題。機組通過一個夏季的使用，結果顯示，其制冷能力方面基本滿足該地鐵站用冷的需要。

3.2 設備吊裝孔和運輸路徑問題

采用蒸發(fā)式冷凝冷水機組雖然不占用地面空間，但是因機組本身尺寸較大且需設置強排風機，地下需預留較大的冷凍機房，對層高的要求也較高，一般不低于6 m，同時環(huán)控機房在布置時需綜合考慮冷凍冷卻水泵、水處理等設備的位置，在一定的空間下合理布置；設置在車站的機組長度較長，一般在6 m以上，設備運輸及吊裝較螺桿轉入冷水機組也較為困難，因此在最初設計時要考慮吊裝孔和運輸路徑是否滿足要求[6]。某地鐵站采用整體式蒸發(fā)冷凝機組，施工前期應充分考慮設備的運輸問題，尤其是當采用盾構孔、臨時吊裝孔、風井進行運輸時應與廠家、施工單位協(xié)調設備進場時間，土建封頂前完成設備運輸。由于蒸發(fā)冷凝式制冷機組本身尺寸較大，如設備運行到一定年限，需要更換時，會給正常運營的車站帶來困難，建議廠家在今后的設計過程中采用標準模塊化研發(fā)，綜合考慮設備全壽命周期的維護問題，以利于后期更換維護。

3.3 設備運行過程中的相關問題

某地鐵車站的蒸發(fā)式冷凝冷水機組采用群控系統(tǒng)，群控系統(tǒng)通過對蒸發(fā)式冷凝螺桿冷水機組、專用冷凝排風機（變頻）、冷凍水循環(huán)水泵（變頻）、水處理設備及水系統(tǒng)管路上的電動閥門（電動二通閥除外）和相關傳感器進行控制，使空調水系統(tǒng)在任何負荷情況下均能達到設計參數(shù)并以最可靠和最經(jīng)濟的工況運行，保證空調的使用效果。

機組在實際運行過程中，在晝夜溫差大的初夏及初秋時節(jié)，此時車站逐時負荷變化較大時，機組根據(jù)負荷變化調節(jié)能力有限，設備因低負荷保護會出現(xiàn)自動停機的問題，需要人工進行機組復位的干預，設備的頻繁啟停對機組的損害較大，后期還須加強蒸發(fā)冷凝器產(chǎn)品的研發(fā)力度。設備廠家在設備調試的過程中，廠家應做好前期設計配合工作。并安排專職技術人員做好設備安裝、單機調試、綜合聯(lián)調等技術指導工作，制定詳細的安裝調試計劃，配合做好蒸發(fā)式冷凝冷水機組運行效果的測試、檢測及運行數(shù)據(jù)分析處理等工作[7]。

3.4 風道內(nèi)濕度較大問題

某地鐵站蒸發(fā)式冷凝冷水機組在實際使用過程中，大量蒸發(fā)的水蒸汽從空氣被風機排出，冷凝強排風機排風管內(nèi)、排風出口的風道內(nèi)有較多冷凝水，空氣濕度大，一方面會影響風道內(nèi)的電器設備的絕緣性能及與風道相連的風機使用壽命，另一方面在部分天氣狀態(tài)下高濕空氣排到室外會產(chǎn)生像水霧一樣的效果?？梢愿纳茩C房的通風環(huán)境，同時在前期設計當中，需要提高風道內(nèi)風閥執(zhí)行器、相關電器設備等的防護等級以及在設備選型時須考慮強排風機風量與蒸發(fā)式冷凝冷水機組的選型匹配。

4 結語

綜上所述，通過采用蒸發(fā)式冷凝冷水機組可以有效解決傳統(tǒng)制冷方案中冷卻塔在地面無處放置的問題，緩解了地鐵空調系統(tǒng)與城市景觀、軌道交通規(guī)劃等的發(fā)展問題，降低了地鐵建設過程中的實施難度，蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)整體的總功率比傳統(tǒng)冷機系統(tǒng)低，空調制冷系統(tǒng)的整體能效比提高，節(jié)能性優(yōu)于水冷式冷水機組，提高了空調系統(tǒng)的整體節(jié)能水平，但還需考慮設備結垢、風道內(nèi)濕度較大和設備選型等問題。蒸發(fā)式冷凝冷水機組可滿足地鐵通風空調系統(tǒng)的功能需要，為今后地鐵通風空調系統(tǒng)的設計提供了一種可行性的解決方案。