水冷直接制冷式空调机组在轨道交通中的应用

胡浩明

中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北 武汉 430063

前言伴随着城市轨道交通的大规模建设，开通运营的地铁线路逐年递增，地铁的能耗问题也日益突出，根据既有线路的能耗统计，地铁环控系统约占地铁总能耗的45%～60%[1]。在地铁环控系统传统设计方案下采取节能措施具有一定的局限行，因此，创新设计方案和采用新设备将会带来一定的节能效果。

1 水冷直接制冷式空调机组的工作原理

传统的空调系统由冷却塔、冷水机组、组合式空调箱组成，冷冻水系统采用普通冷水作为中间载冷剂，与冷水机组中的蒸发器和组合式空调箱中的表冷器进行换热，再通过表冷器对室内空气进行除热除湿处理，冷却水系统采用水作为媒介利用冷却塔对冷水机组中的冷凝器进行换热，完成整个制冷过程。

水冷直接制冷式空调机组将传统组合式空调箱中的表冷器改为制冷剂直接膨胀蒸发空气冷却器，采用制冷剂直接膨胀蒸发冷却处理空气中的余热余湿，将传统的冷水机组与组合式空调箱整合为一体式空调机组，冷却侧的冷凝热处理与传统形式保持一致，通过冷却塔向室外空气散热，从而省去冷冻水系统，减少中间载冷剂的二次换热，达到提高系统能效的目的，其工作原理如图1。

图1 水冷直接制冷式空调机组工作原理

2 地铁公共区通风空调系统设计

本文主要讨论地铁车站小系统采用多联空调方案下的大系统通风空调设计方案，以武汉某地铁车站实际案例进行对比，车站站厅层公共区面积2155平方米，站台层公共区面积1250平方米，该站远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。空调计算冷负荷为487.2kw，总风量为74311.9m3/h。

2.1 地铁公共区通风空调传统设计方案

目前我国地铁环控系统的设计方案主要是采用组合式空调箱+螺杆冷水机组+冷冻水泵+冷却水泵+水处理器+冷却塔的形式。主要设备为两台组合式空调箱、两台螺杆冷水机组、两台冷却塔、两台冷却水泵、一个旁流式水处理器、两台冷冻水泵、一组定压补水装置以及两个全程式水处理仪。

通过计算选用两台247kw的水冷螺杆机组、两台46.6m3/h的冷冻水泵、两台55.9m3/h的冷却水泵、两台72.7m3/h的冷却塔，两台40000m3/h的组合式空调箱。冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵、水处理器等设备设置于设备大端的冷水机房内，两台组合式空调箱分别设置于车站两端的通风空调机房内，冷却塔设置于设备大端的室外地面上。传统环控设计方案水系统原理图如图2。

2.2 地铁公共区采用水冷直接制冷式空调机组的设计方案

采用水冷直接制冷式空调机组方案设计地铁公共区空调系统，由于水冷直接制冷式空调机组是由磁悬浮压缩机与组合式空调箱相集成的一体机，故该设计方案主要采用水冷直接制冷式空调机组+冷却水泵+水处理器+冷却塔的形式。主要设备为两台水冷直接制冷式空调机组、两台冷却塔、两台冷却水泵和一台旁流式水处理器。

通过计算选用两台制冷量为280kw，风量为45000m3/h的水冷直接制冷式空调机组、两台55.9m3/h的冷却水泵、两台72.7m3/h的冷却塔。将空调机组、冷却水泵和水处理器，统一布置于地铁站设备小端紧邻公共区处，冷却塔布置于设备小端的室外地面上，采用单端送风方案，地铁车站设备用房面积将大大减小。该方案的水系统原理图如图3。

图2 传统设计方案原理图

图3 采用水冷直接制冷式空调机组方案原理图

2.3 地铁公共区通风空调系统两种设计方案的对比

2.3.1 设备配置数量及功率对比

两种设计方案下的空调系统设备数量及设备功率对比见表1～2。

表1 传统设计方案主要设备参数

表2 水冷直接制冷式空调机组方案主要设备参数

由表1和表2的对比可以发现，地铁公共区空调系统采用水冷直接制冷式空调机组后，省去了冷冻水泵及冷冻水系统的水处理器和定压补水装置，设备数量明显减少，系统形式明显简化。从设备所需总耗电功率的对比可以看出，采用水冷直接制冷式空调机组设计方案后环控系统设备总耗电功率减少33kw。

根据地铁的运行特点，部分负荷工况占全年运行工况比例较高，而水冷直接制冷式空调机组在部分负荷下有较高的能效比[2]，所以采用该系统可以明显减小地铁全年运行耗电量。

2.3.2 土建规模的对比

表3 两种方案土建规模对比

由表3对比可以发现，采用水冷直接制冷式空调机组设计方案，省去冷冻水系统后，由于环控系统所需设备数量明显减少，故可省去冷水机房的面积，适当加大设备小端环控机房面积，将两台空调机组与冷却水泵统一设置于该机房内，设备大端环控机房面积大幅缩减，总体可减少100㎡的土建面积，进而节省土建投资。

3 结论

本文以实际车站为原型，通过地铁车站公共区传统空调设计方案与采用水冷直接制冷式空调机组设计方案的对比，得到以下结论：

（1）采用水冷直接制冷式空调机组设计方案后地铁环控系统复杂程度明显降低。

（2）采用水冷直接制冷式空调机组设计方案后地铁环控系统设备总耗电功率降低。

（3）采用水冷直接制冷式空调机组设计方案后地铁环控系统设备用房面积明显减少。