李迎春

（廣東申菱環(huán)境系統(tǒng)股份有限公司，廣東 佛山 528306）

0 引言

“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵車站實(shí)際工程，始于2014年北京地鐵14號(hào)線阜通站，自此拉開了在全國(guó)范圍推廣應(yīng)用的序幕，近年來(lái)，深圳、廣州、青島、鄭州、寧波、太原、合肥等城市的地鐵工程陸續(xù)采用了該系統(tǒng)。然而，對(duì)于“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，行業(yè)內(nèi)目前論述尚少。已有的研究要么局限于蒸發(fā)冷凝直膨空調(diào)系統(tǒng)的某一特定產(chǎn)品形式，缺乏通用性、廣泛性；要么局限于直膨系統(tǒng)自身分析，缺少與傳統(tǒng)系統(tǒng)的對(duì)比分析。為此，本文嘗試從“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究，得出經(jīng)濟(jì)效益結(jié)論。

1 “無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)

1.1 “無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于地鐵車站環(huán)控系統(tǒng)的新型通風(fēng)空調(diào)設(shè)備。該系統(tǒng)設(shè)備主要由蒸發(fā)冷凝散熱裝置（或稱為蒸發(fā)式冷凝器，簡(jiǎn)稱“外機(jī)”）、直膨式空氣處理裝置（或稱為直膨型空調(diào)末端，簡(jiǎn)稱“內(nèi)機(jī)”）、內(nèi)外機(jī)之間制冷劑管道、智能集控系統(tǒng)等組成[1]。

蒸發(fā)冷凝散熱裝置一般采用模塊化、高防腐、抗結(jié)垢、耐高溫、緊湊型的設(shè)計(jì)理念，機(jī)組占地小、換熱效率高、安裝靈活，既可安裝于新排風(fēng)道之間的隔墻內(nèi)（風(fēng)墻型），也可安裝于地鐵排風(fēng)道截面內(nèi)（風(fēng)道型），適應(yīng)不同附屬結(jié)構(gòu)和土建風(fēng)道安裝條件。

直膨式空氣處理裝置，分為組合式直膨空氣處理機(jī)組和柜式直膨空氣處理機(jī)組。組合式直膨空氣處理機(jī)組主要包含進(jìn)風(fēng)段、空氣凈化段、直膨蒸發(fā)段、壓縮機(jī)段、風(fēng)機(jī)段、均流段、消聲段、出風(fēng)段等功能段。直膨式空氣處理裝置安裝于環(huán)控機(jī)房。

1.2 蒸發(fā)冷凝技術(shù)

1.2.1 原理

蒸發(fā)冷凝是以水和空氣作為冷卻介質(zhì)，利用空氣強(qiáng)迫對(duì)流及噴淋水的蒸發(fā)將氣態(tài)制冷劑冷凝熱量帶走的一種換熱形式，利用這種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)熱交換的器件稱為蒸發(fā)式冷凝器。蒸發(fā)式冷凝器在板管內(nèi)流動(dòng)的是制冷劑，管板外為噴淋水，壓縮機(jī)將低壓氣態(tài)制冷劑壓縮成高壓氣態(tài)制冷劑后再進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器板管中，制冷劑在板管內(nèi)進(jìn)行放熱冷凝成為液態(tài)，板管外的噴淋水則是通過(guò)循環(huán)水泵輸送至冷凝換熱板管模塊上部，并均勻地噴淋到蒸發(fā)式冷凝器管板表面形成一層水膜，水膜吸收制冷劑的熱量蒸發(fā)為水蒸氣，其余未蒸發(fā)的水落回機(jī)組底部的集水箱，供循環(huán)噴淋使用。集水箱內(nèi)設(shè)有自動(dòng)排污和補(bǔ)水裝置。

1.2.2 優(yōu)勢(shì)

（1）免除冷卻塔困擾。采用“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)，取消了傳統(tǒng)地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔，一舉解決了冷卻塔“選址難、征地難、布置難”三大難題，徹底解決了由于設(shè)置地面冷卻塔所帶來(lái)的影響城市規(guī)劃、破壞城市景觀，冷卻塔噪聲擾民、漂水、衛(wèi)生隱患等環(huán)境問(wèn)題。

（2）節(jié)省占地面積?！盁o(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)取消了冷卻塔，減少了冷卻塔占地；蒸發(fā)冷凝散熱裝置模塊化嵌裝于地鐵附屬結(jié)構(gòu)新排風(fēng)道之間的隔墻內(nèi)（裝置自帶防火閥并與FAS連鎖），無(wú)須額外設(shè)置主機(jī)機(jī)房，節(jié)省寶貴的地下空間。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能?！盁o(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)采用蒸發(fā)冷凝的方式散熱，用嵌裝高效模塊蒸發(fā)式冷凝器取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)的冷卻塔、冷卻水泵、冷卻水輸配管路、殼管式冷凝器，削減了冷卻水泵能耗，從而大幅提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1.3 直膨技術(shù)

1.3.1 原理

“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)，車站內(nèi)的負(fù)荷通過(guò)直膨型空調(diào)末端的蒸發(fā)盤管直接與制冷劑換熱，與傳統(tǒng)的冷水型空調(diào)系統(tǒng)相比，蒸發(fā)冷凝直膨空調(diào)系統(tǒng)不同之處在于省卻了冷凍水系統(tǒng)，液態(tài)制冷劑在空調(diào)末端機(jī)組的翅片式蒸發(fā)器內(nèi)直接蒸發(fā)（膨脹），實(shí)現(xiàn)對(duì)盤管外空氣（即空調(diào)室內(nèi)側(cè)回風(fēng)）的吸熱而使其降溫，這種制冷方式稱為直膨技術(shù)。

1.3.2 優(yōu)勢(shì)

制冷劑直膨技術(shù)提高了制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度，在其余工況不變的情況下能有效提升壓縮機(jī)的性能。另外，直膨系統(tǒng)采用多系統(tǒng)設(shè)計(jì)，車站“大系統(tǒng)”與“小系統(tǒng)”分離，從而在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，節(jié)能效果更加顯著。

1.4 “無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

一是環(huán)境友好。“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)采用蒸發(fā)冷凝技術(shù)，徹底擯棄了地面放置的冷卻塔，消除了其負(fù)面影響，有利于營(yíng)造和諧綠色的人居環(huán)境和城市環(huán)境[2]。二是節(jié)省投資?！盁o(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)無(wú)須冷卻塔征地、無(wú)須冷凍機(jī)房，可有效降低土建初期投資。三是節(jié)能高效?！盁o(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)取消了大功率冷卻水泵和冷凍水泵，并由原來(lái)的“五次循環(huán)四次換熱”優(yōu)化為“三次循環(huán)兩次換熱”，消除無(wú)謂的能源消耗和換熱損失，實(shí)現(xiàn)環(huán)控系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)營(yíng)期的節(jié)能高效[3-4]。四是整體解決。“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)，采用“設(shè)備供貨+安裝調(diào)試+節(jié)能集控系統(tǒng)”一站式解決模式，其設(shè)備供貨集成一家，接口單一，協(xié)調(diào)量少，交付質(zhì)量更易控制，并能有效縮短車站機(jī)電設(shè)備安裝調(diào)試工期。五是管理便捷。“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)自帶完備的智能節(jié)能集中控制系統(tǒng)，并可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS485接口與車站BAS和FAS系統(tǒng)連鎖控制[5]。六是運(yùn)維省心。“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了車站內(nèi)管線特別是穿越公共區(qū)的管線[6]，并避免了傳統(tǒng)水系統(tǒng)在冬季由于泄水不利導(dǎo)致的末端設(shè)備和水管被凍裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2 全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以某地鐵站為例，該地鐵站采用“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)，分A、B兩端單獨(dú)供冷，大系統(tǒng)供冷量為688 kW，小系統(tǒng)供冷量為342 kW，總供冷量為1 030 kW。冷源空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)冷媒管將直膨式空調(diào)機(jī)組（壓縮機(jī)內(nèi)置）與蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行內(nèi)外機(jī)連接，為車站公共區(qū)、人員房間、設(shè)備用房提供所需的冷量，其中大、小系統(tǒng)：A端5套，B端2套，系統(tǒng)之間各自獨(dú)立，車站A、B兩端的大小系統(tǒng)依據(jù)所設(shè)計(jì)車站負(fù)荷選擇如下設(shè)備配置為車站進(jìn)行供冷（表1）。

表1 “無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)設(shè)備參數(shù)表

根據(jù)A、B端的總冷量，選擇所需對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)冷凝散熱裝置。A端總冷量為688 kW，B端冷量為342 kW。

2.1 設(shè)備投資對(duì)比分析

從表2可以看出，“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的冷卻塔系統(tǒng)設(shè)備初期投資較原方案會(huì)有所增加。

表2 設(shè)備初期投資對(duì)比分析

2.2 土建投資對(duì)比分析

傳統(tǒng)冷水系統(tǒng)方案下的典型標(biāo)準(zhǔn)站需要設(shè)置約200 m2的制冷機(jī)房，分別放置2臺(tái)冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、定壓補(bǔ)水裝置、分/集水器等；并在站外地面設(shè)置冷卻塔，占地約150 m2（表3）。

表3 土建投資對(duì)比分析

2.3 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析

2.3.1 運(yùn)行效率對(duì)比分析

無(wú)論采用傳統(tǒng)水系統(tǒng)方式還是采用“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)，由于負(fù)荷及負(fù)荷變化情況一樣，為便于不同系統(tǒng)進(jìn)行比較，采用名義工況下冷源綜合制冷性能系數(shù)SCOP進(jìn)行對(duì)比分析（表4）。

表4 制冷季名義工況下SCOP

冷源綜合制冷性能系數(shù)SCOP可按下列方法計(jì)算：

式中：Qc——名義工況下，冷源輸出的冷量（kW）；Ee——名義工況下，冷源的耗電功率（kW），其中包括冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔及冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備的耗電功率。

2.3.2 運(yùn)行電費(fèi)比較

根據(jù)表5可知，“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，該站可以節(jié)省電費(fèi)17．2萬(wàn)元/年。

表5 空調(diào)系統(tǒng)總耗電量計(jì)算表

2.4 全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

從表6中可以看出，“無(wú)塔冷卻”直膨空調(diào)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)冷卻塔空調(diào)系統(tǒng)，全壽命周期的年均綜合費(fèi)用減少27．7萬(wàn)/年，減少約21%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表6 全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表

3 結(jié)論

以南方某地鐵車站“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)地鐵車站空調(diào)的對(duì)比可以得出以下結(jié)論。

（1）“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)無(wú)須冷卻塔、冷卻水及冷凍水系統(tǒng)，系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔、運(yùn)行更高效、運(yùn)維更方便，同時(shí)減少了占地需求，消除了冷卻塔噪音對(duì)周邊環(huán)境的影響，社會(huì)效益、環(huán)境效益均十分顯著。

（2）從全壽命周期成本綜合考慮，地鐵“無(wú)塔冷卻”直膨式空調(diào)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)地鐵車站空調(diào)系統(tǒng)年均綜合費(fèi)用降低約21%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（3）本研究受到所考察地鐵車站的樣本數(shù)量和運(yùn)營(yíng)模式的局限，未能覆蓋全部地鐵制式和不同空調(diào)季運(yùn)營(yíng)期，因而所得出的結(jié)論僅限于我國(guó)華東地區(qū)屏蔽門制式的地鐵站。后續(xù)研究，需要考察全國(guó)多種制式、氣候帶各異的地鐵站，以更多有代表性的樣本為對(duì)象，進(jìn)行更全面的分析研究，從而獲得更加全面客觀的全壽命周期節(jié)能數(shù)據(jù)。