地铁车站空调制冷系统的能耗比较

刘卓妹



地铁车站空调制冷系统的能耗比较

刘卓妹

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

以地铁通风空调系统的节能运行为前提，以石家庄地铁1号线时光街站空调水系统的两种冷源方案为例，通过对该站水系统能效比和运行费用的比对，得出在优化设计的条件下，地铁车站通风空调系统采用蒸发冷凝式冷水机组供冷最为节能。

空调水系统；蒸发冷凝机组；能效比；运行费用

0 引言

80年代，蒸发冷凝技术传入我国。蒸发式冷凝器将风冷和水冷，传热与传质融为一体，是水冷式冷凝器和冷却塔一体化结构的高效设备。具有节水、节能、结构紧凑和环境污染小等优点。近年来，由于地铁车站受地面空间限制、城市景观影响、噪声污染影响，地铁空调系统的冷却塔设置面临越来越多的问题[1]，所以蒸发冷凝式冷水机组因其节能、节水，占地面积小的优点，而越来越多的应用于地铁车站的制冷系统。北京地铁14号线阜通西站；西安地铁3号线鱼化寨站、太白南路站；上海地铁13号线武宁路站；广州地铁2号线三元里站；深圳地铁7号线田贝站；石家庄地铁1号线的解放广场站、平安大街站、省博物馆站、时光街站等都采用了蒸发冷凝式机组的供冷形式。

蒸发式冷凝水机组分为3种形式：整体式冷冻水空调系统、分散式冷冻水空调系统、分体式冷媒直膨空调系统[2]。无论采用何种机组形式，都需要在车站风道内设置蒸发式冷凝器或者通过强排手段将蒸发式冷凝器排放的热量带出车站，因此对车站风道尺寸或者制冷机房尺寸需要提出一定的要求。但是即使这样，对于车站外部地形适应性也较好，对车站外部环境的影响也要比设置冷却塔小得多，因此，在地铁车站中以蒸发式冷凝系统替代水冷式系统是可行的[3]。

1 蒸发式冷凝的工作原理和特性分析

蒸发式冷凝器，主要靠水蒸发带走冷凝热量，所以受室外空气干球温度的影响较小，供冷性能比较稳定[4]。

蒸发式冷凝器是以水和空气作冷却介质，利用水膜蒸发的汽化潜热远远大于水冷式、风冷式制冷系统的显热来吸收系统冷凝放出的热量，所以消耗的功少，冷却水量也大大减少[5]。

制冷原理：蒸发冷凝式制冷主机是将冷却水系统与制冷主机的冷凝器集成合并设置，采用蒸发冷凝式冷凝器，取消了制冷主机外配的冷却塔、冷却水泵及冷却水管道及其附件等，将传统冷却水的外循环方式改为内循环方式，大大简化了冷却水系统，同时降低了冷却水的飘水损失，从而大大提高了空调系统的能效比。

工作时冷却水由水泵送至冷凝管组上部喷嘴，均匀地喷淋在冷凝排管外表面，形成一层很薄的水膜，高温汽态制冷剂由冷凝排管组上部进入，被管外的冷却水吸收热量冷凝成液体从下部流出，吸收热量的水一部分蒸发为水蒸汽，其余落在下部集水盘内，供水泵循环使用，风机强迫空气以3-5m/s的速度掠过冷凝排管促使水膜蒸发，强化冷凝管外放热，并使吸热后的水滴在下落的进程中被空气冷却，蒸发的水蒸汽随从空气被风机排出，未被蒸发的水滴被脱水器阻挡住落回水盘。见图1[6]。

图1 蒸发冷凝式制冷主机工作原理图

2 地铁应用方案

时光街站为双层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。

车站施工后期冷却塔用地协调难度较大，于是进行方案调整取消地面冷却塔，由此车站制冷系统将原水冷式冷水机组改为蒸发冷凝式冷水机组，后期配型选用整体式蒸发冷凝机组。车站建筑根据通风专业要求，在站厅层两端设备区分别设置蒸发冷凝机房，以更好满足车站制冷系统的运行要求。为满足蒸发冷凝冷水机组的通风换热要求，A端蒸发冷凝机房采用在与新风道的隔墙上开洞设置进风百叶的形式进风，同时为蒸发冷凝机组配置强排风机一台，对设备进行更好的通风换热；B端为车站大端，系统冷量、风量较大，且机房位于车站主体内部，为使蒸发冷凝机组提高换热效率，配置强送风机、强排风机各一台。两端机房主要设备位置如图2和图3。

图2 车站A端蒸发冷凝机房

图3 车站B端蒸发冷凝机房

3 三种系统的节能性比对

地铁空调水系统常用的冷凝器形式为水冷式、风冷式和蒸发冷却式。风冷式冷凝器机组体积较大，COP值较低，机组性能随室外气候变化明显[7]，目前应用较少。

广州地铁2号线三元里站，原设计采用风冷冷水机组，后期改造为蒸发冷凝机组，经运行前后对两种冷源模式的检测与比对分析，得出蒸发冷凝式冷水机组的性能优于风冷式冷水机组的性能的结论。当空调冷源系统输出等量的冷量时，蒸发冷凝机组所需能耗为风冷冷源系统所需能耗的47%[8]。由此蒸发冷凝机组较风冷冷源节能显著。

蒸发冷凝式冷水机组由于可以获得较低的冷凝温度，因此能效比高，节能性好[4]。以下仅对蒸发冷凝机组和传统水冷式冷水机组做比较分析。

3.1 两种系统的设备参数和能效比

蒸发冷凝冷水机组，标准工况下系统能效比高，明显优于冷水机组能源效率的国家最新等级指标I级水平，比水冷机组节能15%以上，比一般风冷机组节能35%以上[4]。时光街站原方案采用的是水冷机组，由于外部条件的制约最终采用蒸发冷凝机组。以下对水冷机组和蒸发冷凝机组的设备参数和能效比作比较，见表1和表2。

表1 水冷式系统能耗

表2 蒸发冷凝式系统能耗

由表表1和表2可知，（1）当蒸发冷凝系统不设置风机时，车站两端蒸发冷凝系统的能效比分别为3.96和4.01，能效比均高于水冷系统的能效比3.48；（2）如果蒸发冷凝系统设置风机，车站两端蒸发冷凝系统的能效比分别为3.31和2.83，则能效比均较低。

3.2 两种系统的费用比较

下面按水系统设备运行15年，对水冷系统和蒸发冷凝系统的初投资、耗电量、耗水量、运行费用做比较如表3～8。

（1）初投资

从表3和4比较可知，蒸发冷凝系统的设备初投资高于传统水冷系统的费用，当设置风机时，蒸发冷凝系统的设备初投资费用约为水冷系统初投资费用的2倍。

表3 水冷式系统初投资费用

表4 蒸发冷凝式系统初投资费用

（2）耗电量

表5 水冷式系统耗电费用

表6 蒸发冷凝系统耗电费用

由上面两表可以看出，蒸发冷凝机组的运行费用与水冷机组系统相比，运行电费每年节省5.6万元，15年节约84万元。

（3）耗水量

表7 水冷式系统耗水量费用

表8 蒸发冷凝系统耗水量费用

由表7和表8比较，按水系统设备运行15年计算，采用蒸发冷凝系统时，一个地铁车站可节约运行费用近65万元。

（4）运行费用

通过下图可以看出，（1）采用蒸发冷凝机组时，如果换热系统配置风机，其总费用是最高的，且斜率最大，运行以后逐年都在递增；（2）采用蒸发冷凝机组不配置换热风机时，该系统的总费用是最低的，尽管该系统运行的前五年，费用略高于水冷系统的运行费用，但在运行的第五年以后费用都低于水冷系统的运行费用，即将蒸发冷凝机组设置在通风较好处，可明显降低制冷系统的总费用；（3）传统的水冷系统的总费用位于两者之间。

图4 总费用数据比对图

4 采用蒸发冷凝系统所存在的问题

（1）蒸发冷凝机组的冷凝排风（风量较大）直接排至排风井，如果其他系统的排风距离较近，会对其他排风系统产生背压影响。

（2）结垢问题：由于冷凝器结构紧凑、吸热快、换热效率高，冷却水在冷凝器表面结垢对传热性能影响相当大。而且，冷却水蒸发时，原来存在的杂质以及水总溶解的固体物浓度会不断增加，如果这些杂志以及溶解物不能有效控制会引发结垢、腐蚀，从而降低传热效率。因此，要采用水处理措施，改善水质，降低结垢风险，增强冷凝器的换热效果，以提高机组的效率，延长设备的使用寿命。

（3）腐蚀问题：蒸发式冷凝器外壳由于常年处于水与空气的潮湿环境下，易于腐蚀，因此，换热盘管，换热盘管、箱体以及风机电机都需要采用防腐处理，以提高设备的耐用性，减少设备运行的维护费用。

5 结语

（1）在车站冷却塔无条件设置的情况下，采用蒸发冷凝机组，解决了车站空调系统的供冷问题；

（2）采用蒸发冷凝机组系统，与传统水冷系统的初投资费用相比是增加的，但当优化蒸发冷凝机组的位置设计，不设置换热风机时，该系统的总费用小于水冷系统的总费用；

（3）通风空调系统的运行能耗在地铁运行中所占比例较大，而建筑方案的变化对通风空调系统的选择以及后期的运行能耗具有很大的影响。前期的专业配合和合理的系统设计，可以实现蒸发冷凝系统能效更高，节约用水的优势，提高地铁空调系统的整体节能水平。

[1] 丁秀娟.蒸发冷凝冷凝机组在地铁工程中的技术经济分析[J].制冷与空调,2014,28(2):205-210.

[2] 吴允昌.蒸发式冷凝机组在地铁车站的应用分析[J].都市轨道交通,2012,25(4):119-122.

[3] 许巍,王怀良,罗硕成.蒸发式冷凝空调系统在地铁中的应用[J].暖通空调,2011,41(6):43-46.

[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[5] 江沿源,钟桂龙.风冷、水冷和蒸发式冷凝器制冷系统经济性研究[J].广东化工,2008,35(10):31-34.

[6] 刘长鸣.蒸发式冷凝技术在地铁工程中的应用分析[J].制冷与空调,2013,27(4):339-342.

[7] 李林林,罗辉,罗燕萍.蒸发式冷凝器应用于地铁工程的适用性浅析[J].都市轨道交通,2014,27(5):108-110.

[8] 广州三元里站风冷冷水机组改造节能效果对比检测评估报告[M].广州轨道交通2号线.

[9] GB50189-2015,公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.

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（通讯作者）简介：刘卓妹（1981.9-），女，硕士研究生，工程师，E-mail：sissi9129@126.com