地鐵站分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)

王 起 鄭 奕

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,100082,北京)

傳統(tǒng)地鐵站的制冷系統(tǒng)采用“水冷螺桿機(jī)組+冷卻塔”組合形式,地面冷卻塔的設(shè)置與周圍的城市景觀顯得格格不入,同時(shí)還存在地面冷卻塔噪聲污染及漂水等問(wèn)題。蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)以水和空氣的混合物作為冷卻介質(zhì),利用冷卻水蒸發(fā)時(shí)的汽化潛熱帶走系統(tǒng)冷凝換熱盤(pán)管內(nèi)制冷劑的凝結(jié)熱,其換熱過(guò)程是一個(gè)傳熱傳質(zhì)過(guò)程,具有更高的COP(制冷系數(shù))、效率及冷量利用率。此外,蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)無(wú)需地面冷卻塔,可全地下設(shè)置,減少了地面征地、占地,以及對(duì)周圍景觀環(huán)境的影響。因此,近年來(lái)蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)在地鐵項(xiàng)目中獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文對(duì)蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)組成及其制冷原理進(jìn)行了介紹,并結(jié)合北京某地鐵車站蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)的選型設(shè)置情況進(jìn)行了能效分析,對(duì)蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)工程應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)及制冷原理介紹

蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)通常分為整體式與分體式。分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)是指蒸發(fā)冷凝裝置、壓縮機(jī)、直膨空調(diào)機(jī)組分體設(shè)置的系統(tǒng),制冷劑采用氟利昂冷媒。直膨空調(diào)機(jī)組既是系統(tǒng)蒸發(fā)器,也是空調(diào)系統(tǒng)末端。除蒸發(fā)冷凝裝置內(nèi)設(shè)置冷卻水泵外,不設(shè)置冷卻塔、冷凍水泵等其他水系統(tǒng)設(shè)備。整體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)由整體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組、冷凍水泵、空調(diào)系統(tǒng)末端等設(shè)備組成。整體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組集蒸發(fā)冷凝裝置、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷卻水泵于一體,也稱為一體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組。整體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)以水為冷媒,當(dāng)向車站供冷時(shí)仍需設(shè)置冷凍水泵。

在分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)中,蒸發(fā)冷凝裝置集成了冷卻塔、冷卻水泵及冷水機(jī)組冷凝器的功能,直膨式空調(diào)機(jī)組則集成了水管盤(pán)空調(diào)機(jī)組表冷器及冷水機(jī)組蒸發(fā)器的功能,其壓縮機(jī)動(dòng)力裝置即為冷水機(jī)組壓縮機(jī)。因此,分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)中取消了冷卻塔及冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。從蒸發(fā)冷凝裝置室外空氣到空調(diào)末端室內(nèi)空氣,制冷量的傳遞只需經(jīng)過(guò)1次循環(huán)(即1次冷媒制冷劑循環(huán)),以及制冷劑與空氣的2次換熱(即制冷劑先后分別與室內(nèi)空氣及室外空氣進(jìn)行換熱)。

在整體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)中,一體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組集成了冷卻塔、冷卻水泵及冷水機(jī)組。空調(diào)系統(tǒng)末端采用水盤(pán)管空調(diào)機(jī)組,未設(shè)置冷卻塔,但仍保留冷凍水循環(huán)系統(tǒng)及冷凍水泵。從一體式蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組室外空氣到空調(diào)末端室內(nèi)空氣,制冷量的傳遞需要經(jīng)過(guò)2次循環(huán)(1次冷媒制冷劑循環(huán)和1次冷凍水循環(huán)),以及3次換熱(制冷劑與冷凍水的換熱、室外空氣的換熱及室內(nèi)空氣與冷凍水的換熱)。

相較于傳統(tǒng)冷水式螺桿式機(jī)組制冷系統(tǒng),分體式和整體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)極大地壓縮了冷量及冷媒介質(zhì)的傳輸過(guò)程。分體式與整體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

a) 分體式

2 實(shí)際工程應(yīng)用

2.1 車站概況

北京某地鐵車站為地下四層側(cè)式車站,呈“」型”南北布置,車站總建筑面積為14 852 m2。其中:橫向?yàn)檐囌局黧w(地下兩層),包含車站站廳及站臺(tái)層公共區(qū);豎向?yàn)檐囌颈眰?cè)外掛廳(地下四層),從上至下分別為下沉廣場(chǎng)層、換乘站廳層、站廳層和站臺(tái)層,豎向區(qū)域包含車站設(shè)備區(qū)及部分公共區(qū)。該車站位于城市核心區(qū),與政府辦公大樓及著名景點(diǎn)毗鄰,為還原城市景觀,車站頂部設(shè)置一體化下沉空間。車站的核心區(qū)位及地面景觀需求限制了地面冷卻塔等地面設(shè)備的設(shè)置,因此選定了蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)為車站提供冷源。

2.2 蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)適用性

蒸發(fā)冷凝裝置的換熱過(guò)程主要包括冷凝換熱盤(pán)管內(nèi)制冷劑蒸汽與盤(pán)管外水膜的顯熱傳遞過(guò)程,以及盤(pán)管外水膜表面與空氣之間水膜蒸發(fā)的潛熱傳熱過(guò)程。這兩種換熱過(guò)程分別受室外空氣干濕球及露點(diǎn)溫度影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]針對(duì)全國(guó)31個(gè)省會(huì)城市的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,全國(guó)各省會(huì)城市的地鐵夏季晚高峰時(shí)刻、最高濕球溫度及干球溫度與蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)常規(guī)冷凝溫度之間存在較大的溫差,可滿足蒸發(fā)冷凝機(jī)組在地鐵中的正常運(yùn)行,適合采用蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)。

2.3 蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)類型選擇

該車站設(shè)備區(qū)面積緊張,僅在車站站廳層北側(cè)外掛廳設(shè)置一個(gè)環(huán)控機(jī)房,且環(huán)控機(jī)房下層為供電及通信等設(shè)備房間,無(wú)法設(shè)置地下冷水機(jī)房,因此無(wú)法采用需設(shè)置冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的整體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng),只能采用僅以氟利昂為冷媒的分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)。

根據(jù)蒸發(fā)冷凝裝置在車站風(fēng)道內(nèi)安裝方式的不同,分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)可分為風(fēng)道嵌裝型、風(fēng)墻嵌裝型及風(fēng)井嵌裝型3種類型。3種類型的分體式蒸發(fā)冷凝裝置的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 3種類型分體式蒸發(fā)冷凝裝置優(yōu)缺點(diǎn)

由于車站內(nèi)排風(fēng)道較短,排風(fēng)道長(zhǎng)度小于20 m,且蒸發(fā)冷凝裝置設(shè)置在排風(fēng)井道內(nèi),通風(fēng)利用率較低,故最終采用分體式風(fēng)墻嵌裝型蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)方案。風(fēng)墻嵌裝型蒸發(fā)冷凝裝置設(shè)備示意圖如圖2所示。該蒸發(fā)冷凝裝置由冷卻風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、冷凝盤(pán)管、防火閥及止回閥等組成。

圖2 風(fēng)墻嵌裝型蒸發(fā)冷凝裝置設(shè)備示意圖

2.4 設(shè)備布置

車站共設(shè)置2套蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng),系統(tǒng)編號(hào)分別為ZFL-101和ZFL-201。ZFL-101系統(tǒng)負(fù)責(zé)車站公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“大系統(tǒng)”)供冷,按大系統(tǒng)劃分,配置2組直膨空調(diào)機(jī)組末端,空調(diào)季每天運(yùn)行18 h。ZFL-201系統(tǒng)負(fù)責(zé)車站設(shè)備及管理用房通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“小系統(tǒng)”)供冷,按小系統(tǒng)劃分,配置5組直膨空調(diào)機(jī)組末端,空調(diào)季每天運(yùn)行24 h。蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)設(shè)備布置示意圖如圖3所示。風(fēng)墻嵌裝型蒸發(fā)冷凝裝置嵌裝于新排風(fēng)道間隔墻,直膨空調(diào)機(jī)組及壓縮機(jī)動(dòng)力裝置設(shè)置在鄰近的環(huán)控機(jī)房?jī)?nèi)。

尺寸單位:mm

2.5 系統(tǒng)能效分析

根據(jù)各制冷系統(tǒng)分類及制冷量進(jìn)行設(shè)備選型。蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)設(shè)備選型參數(shù)及系統(tǒng)能效比如表2所示。若該車站采用水冷螺桿式機(jī)組制冷系統(tǒng),其系統(tǒng)能效比為3.77,而采用分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)的系統(tǒng)能效比為4.28,比前者高約13.5%。由此可知,分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

表2 蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)設(shè)備選型參數(shù)及系統(tǒng)能效比

3 工程應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 火災(zāi)工況問(wèn)題

分體式蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的蒸發(fā)冷凝裝置在車站新排風(fēng)道間隔墻內(nèi)嵌裝,在客觀上造成了防火墻功能的失效[2]。正常工況時(shí),蒸發(fā)冷凝裝置從新風(fēng)道吸風(fēng),向排風(fēng)道排風(fēng)。火災(zāi)工況時(shí),為保證煙氣不侵入新風(fēng)道,影響排煙效果,應(yīng)保證風(fēng)墻嵌裝型蒸發(fā)冷凝裝置的燃燒性能整體達(dá)到A級(jí)不燃,并在嵌裝位置采取有效的防火封堵措施。此外,還需在蒸發(fā)冷凝裝置排風(fēng)出口側(cè)設(shè)置止回閥及70 ℃防火閥,以保證設(shè)備出風(fēng)側(cè)的煙氣不回流及火災(zāi)時(shí)70 ℃防火閥的超溫關(guān)斷。在新風(fēng)道引入口位置設(shè)置電動(dòng)組合風(fēng)閥,火災(zāi)時(shí),關(guān)閉該組合風(fēng)閥,進(jìn)一步阻止煙氣對(duì)新風(fēng)道的侵入。該車站的蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備均不參與火災(zāi)工況,不與車站FAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))產(chǎn)生接口。正常工況時(shí),車站BAS(環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng))對(duì)該設(shè)備只監(jiān)視不控制;火災(zāi)工況時(shí),蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備屬非消防設(shè)備,自動(dòng)斷電停機(jī)。

3.2 水質(zhì)處理問(wèn)題

水質(zhì)對(duì)蒸發(fā)冷凝裝置的制冷效果有較大的影響。蒸發(fā)冷凝裝置中的換熱盤(pán)管集中布置,換熱盤(pán)管管片間距狹小且難以拆卸更換,不易清洗。當(dāng)水質(zhì)不好時(shí),容易使蒸發(fā)冷凝裝置內(nèi)的換熱盤(pán)管產(chǎn)生和積累水垢、污垢及微生物,影響蒸發(fā)冷凝裝置的換熱效果,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的制冷效率有所降低。此外,水流阻力增加,衛(wèi)生環(huán)境惡化,也易對(duì)蒸發(fā)冷凝設(shè)備造成腐蝕[3]。蒸發(fā)冷凝裝置為開(kāi)式系統(tǒng),設(shè)置在地鐵排風(fēng)道內(nèi),空氣環(huán)境較差、較復(fù)雜,從地鐵排風(fēng)系統(tǒng)中侵入水中的雜質(zhì)較多,易造成水質(zhì)不穩(wěn)定。

北京地區(qū)自來(lái)水中的鈣鎂離子質(zhì)量濃度較高,水質(zhì)較硬,更易結(jié)垢。因此,為保障蒸發(fā)冷凝裝置的良好運(yùn)行,應(yīng)采取相應(yīng)措施,以降低水垢凝結(jié)并減緩設(shè)備腐蝕?？刹扇〉闹饕胧┯?

1) 采用新型蒸發(fā)冷凝換熱器。相較于傳統(tǒng)板管式換熱器,新型蒸發(fā)冷凝換熱器布水更均勻,換熱效率更高,能夠更有效地減少水垢。

2) 配置軟化水設(shè)備,降低水質(zhì)硬度,并提供軟化后的冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水。同時(shí),配置全程水處理裝置及自動(dòng)加藥裝置。

3) 配置循環(huán)水在線吸垢器。循環(huán)水在線吸垢器可直接從水中不斷吸取垢質(zhì)及其他雜質(zhì),能夠在使用過(guò)程中將循環(huán)水中的結(jié)垢成分同步去除。

4) 設(shè)置全自動(dòng)排污控制裝置。全自動(dòng)排污控制裝置可以根據(jù)水溫、運(yùn)行時(shí)間及水硬度,實(shí)現(xiàn)排污及補(bǔ)水的自動(dòng)控制功能,進(jìn)而降低水垢形成的概率。

冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB/T 29044—2012《采暖空調(diào)系統(tǒng)水質(zhì)》中的蒸發(fā)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)要求執(zhí)行。

3.3 配管長(zhǎng)度問(wèn)題

分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)的制冷量及能效比受到機(jī)組連接配管長(zhǎng)度的影響。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的連接配管長(zhǎng)度的增加將導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行阻力的增加,制冷量和能效比的衰減[4]。在空調(diào)系統(tǒng)制冷運(yùn)行時(shí),管長(zhǎng)每增加10 m,多聯(lián)式空調(diào)機(jī)的制冷量下降3.0%左右、能效比下降2.5%左右。配管長(zhǎng)度的增加同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致多聯(lián)式空調(diào)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的壓力變化、制冷劑的沉積與閃發(fā),影響系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行[5]。GB/T 27941—2011《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機(jī)組應(yīng)用設(shè)計(jì)與安裝要求》對(duì)實(shí)際多聯(lián)式空調(diào)機(jī)系統(tǒng)中室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)之間的最大允許連接管長(zhǎng)提供了明確的計(jì)算方法。JGJ 174—2010《多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定系統(tǒng)冷媒管等效長(zhǎng)度不宜超過(guò)70 m。為減少不必要的能耗及投資成本,保證分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行,機(jī)組間的連接配管長(zhǎng)度應(yīng)參照多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)要求,將配管長(zhǎng)度控制在60 m以內(nèi)[5]。本文所提車站各設(shè)備機(jī)組間的最大配管長(zhǎng)度為46 m,滿足配管長(zhǎng)度控制要求。

3.4 防水及防腐蝕問(wèn)題

蒸發(fā)冷凝裝置的出風(fēng)側(cè)斷面風(fēng)速通常為3～5 m/s,易產(chǎn)生漂水現(xiàn)象,蒸發(fā)冷凝裝置出風(fēng)側(cè)墻體及地面宜做防水處理。同時(shí),經(jīng)過(guò)蒸發(fā)冷凝裝置淋水蒸發(fā)加濕、換熱后排出的空氣,其溫度和濕度均較大,需考慮蒸發(fā)冷凝裝置出風(fēng)側(cè)風(fēng)道內(nèi)管線及設(shè)備的防腐蝕措施[6],或出風(fēng)側(cè)風(fēng)道內(nèi)不設(shè)置需檢修、維修的設(shè)備及管線,并避免蒸發(fā)冷凝裝置出風(fēng)側(cè)正對(duì)檢修通道,影響檢修人員通行。

4 結(jié)語(yǔ)

蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)具有節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地及無(wú)需地面冷卻塔裝置等優(yōu)點(diǎn)。蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)可分為整體式和分體式。分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)又分為風(fēng)道嵌裝型、風(fēng)墻嵌裝型及風(fēng)井嵌裝型3種類型。以北京某地鐵站為例,分析了分體式蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)的選取及系統(tǒng)運(yùn)行能效比。研究結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)冷水式螺桿式機(jī)組制冷系統(tǒng),分體式蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。同時(shí),為保證蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)在地鐵站內(nèi)的良好高效運(yùn)行,還需考慮以下幾個(gè)方面:車站火災(zāi)工況時(shí),蒸發(fā)冷凝裝置的設(shè)置及運(yùn)行,減少設(shè)備對(duì)車站排煙模式的影響;采取有效的水處理措施,減少水垢凝結(jié)對(duì)蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響;將系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組間的配管長(zhǎng)度控制在合理范圍內(nèi),減少對(duì)蒸發(fā)冷凝制冷系統(tǒng)制冷量及能效比的影響。