水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組在軌道交通中的應(yīng)用

胡浩明

中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430063

前言伴隨著城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，開通運營的地鐵線路逐年遞增，地鐵的能耗問題也日益突出，根據(jù)既有線路的能耗統(tǒng)計，地鐵環(huán)控系統(tǒng)約占地鐵總能耗的45%～60%[1]。在地鐵環(huán)控系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計方案下采取節(jié)能措施具有一定的局限行，因此，創(chuàng)新設(shè)計方案和采用新設(shè)備將會帶來一定的節(jié)能效果。

1 水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組的工作原理

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)由冷卻塔、冷水機(jī)組、組合式空調(diào)箱組成，冷凍水系統(tǒng)采用普通冷水作為中間載冷劑，與冷水機(jī)組中的蒸發(fā)器和組合式空調(diào)箱中的表冷器進(jìn)行換熱，再通過表冷器對室內(nèi)空氣進(jìn)行除熱除濕處理，冷卻水系統(tǒng)采用水作為媒介利用冷卻塔對冷水機(jī)組中的冷凝器進(jìn)行換熱，完成整個制冷過程。

水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組將傳統(tǒng)組合式空調(diào)箱中的表冷器改為制冷劑直接膨脹蒸發(fā)空氣冷卻器，采用制冷劑直接膨脹蒸發(fā)冷卻處理空氣中的余熱余濕，將傳統(tǒng)的冷水機(jī)組與組合式空調(diào)箱整合為一體式空調(diào)機(jī)組，冷卻側(cè)的冷凝熱處理與傳統(tǒng)形式保持一致，通過冷卻塔向室外空氣散熱，從而省去冷凍水系統(tǒng)，減少中間載冷劑的二次換熱，達(dá)到提高系統(tǒng)能效的目的，其工作原理如圖1。

圖1 水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組工作原理

2 地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

本文主要討論地鐵車站小系統(tǒng)采用多聯(lián)空調(diào)方案下的大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)計方案，以武漢某地鐵車站實際案例進(jìn)行對比，車站站廳層公共區(qū)面積2155平方米，站臺層公共區(qū)面積1250平方米，該站遠(yuǎn)期晚高峰上行上客量678人，下客量2824人，下行上客量3667人，下客量1110人。空調(diào)計算冷負(fù)荷為487.2kw，總風(fēng)量為74311.9m3/h。

2.1 地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)傳統(tǒng)設(shè)計方案

目前我國地鐵環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計方案主要是采用組合式空調(diào)箱+螺桿冷水機(jī)組+冷凍水泵+冷卻水泵+水處理器+冷卻塔的形式。主要設(shè)備為兩臺組合式空調(diào)箱、兩臺螺桿冷水機(jī)組、兩臺冷卻塔、兩臺冷卻水泵、一個旁流式水處理器、兩臺冷凍水泵、一組定壓補(bǔ)水裝置以及兩個全程式水處理儀。

通過計算選用兩臺247kw的水冷螺桿機(jī)組、兩臺46.6m3/h的冷凍水泵、兩臺55.9m3/h的冷卻水泵、兩臺72.7m3/h的冷卻塔，兩臺40000m3/h的組合式空調(diào)箱。冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、水處理器等設(shè)備設(shè)置于設(shè)備大端的冷水機(jī)房內(nèi)，兩臺組合式空調(diào)箱分別設(shè)置于車站兩端的通風(fēng)空調(diào)機(jī)房內(nèi)，冷卻塔設(shè)置于設(shè)備大端的室外地面上。傳統(tǒng)環(huán)控設(shè)計方案水系統(tǒng)原理圖如圖2。

2.2 地鐵公共區(qū)采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組的設(shè)計方案

采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組方案設(shè)計地鐵公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)，由于水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組是由磁懸浮壓縮機(jī)與組合式空調(diào)箱相集成的一體機(jī)，故該設(shè)計方案主要采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組+冷卻水泵+水處理器+冷卻塔的形式。主要設(shè)備為兩臺水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組、兩臺冷卻塔、兩臺冷卻水泵和一臺旁流式水處理器。

通過計算選用兩臺制冷量為280kw，風(fēng)量為45000m3/h的水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組、兩臺55.9m3/h的冷卻水泵、兩臺72.7m3/h的冷卻塔。將空調(diào)機(jī)組、冷卻水泵和水處理器，統(tǒng)一布置于地鐵站設(shè)備小端緊鄰公共區(qū)處，冷卻塔布置于設(shè)備小端的室外地面上，采用單端送風(fēng)方案，地鐵車站設(shè)備用房面積將大大減小。該方案的水系統(tǒng)原理圖如圖3。

圖2 傳統(tǒng)設(shè)計方案原理圖

圖3 采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組方案原理圖

2.3 地鐵公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)兩種設(shè)計方案的對比

2.3.1 設(shè)備配置數(shù)量及功率對比

兩種設(shè)計方案下的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量及設(shè)備功率對比見表1～2。

表1 傳統(tǒng)設(shè)計方案主要設(shè)備參數(shù)

表2 水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組方案主要設(shè)備參數(shù)

由表1和表2的對比可以發(fā)現(xiàn)，地鐵公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組后，省去了冷凍水泵及冷凍水系統(tǒng)的水處理器和定壓補(bǔ)水裝置，設(shè)備數(shù)量明顯減少，系統(tǒng)形式明顯簡化。從設(shè)備所需總耗電功率的對比可以看出，采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組設(shè)計方案后環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備總耗電功率減少33kw。

根據(jù)地鐵的運行特點，部分負(fù)荷工況占全年運行工況比例較高，而水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組在部分負(fù)荷下有較高的能效比[2]，所以采用該系統(tǒng)可以明顯減小地鐵全年運行耗電量。

2.3.2 土建規(guī)模的對比

表3 兩種方案土建規(guī)模對比

由表3對比可以發(fā)現(xiàn)，采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組設(shè)計方案，省去冷凍水系統(tǒng)后，由于環(huán)控系統(tǒng)所需設(shè)備數(shù)量明顯減少，故可省去冷水機(jī)房的面積，適當(dāng)加大設(shè)備小端環(huán)控機(jī)房面積，將兩臺空調(diào)機(jī)組與冷卻水泵統(tǒng)一設(shè)置于該機(jī)房內(nèi)，設(shè)備大端環(huán)控機(jī)房面積大幅縮減，總體可減少100㎡的土建面積，進(jìn)而節(jié)省土建投資。

3 結(jié)論

本文以實際車站為原型，通過地鐵車站公共區(qū)傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)計方案與采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組設(shè)計方案的對比，得到以下結(jié)論：

（1）采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組設(shè)計方案后地鐵環(huán)控系統(tǒng)復(fù)雜程度明顯降低。

（2）采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組設(shè)計方案后地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備總耗電功率降低。

（3）采用水冷直接制冷式空調(diào)機(jī)組設(shè)計方案后地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備用房面積明顯減少。