“无塔冷却”直膨空调系统特点及全寿命周期技术经济分析

李迎春

（广东申菱环境系统股份有限公司，广东 佛山 528306）

0 引言

“无塔冷却”直膨空调系统应用于地铁车站实际工程，始于2014年北京地铁14号线阜通站，自此拉开了在全国范围推广应用的序幕，近年来，深圳、广州、青岛、郑州、宁波、太原、合肥等城市的地铁工程陆续采用了该系统。然而，对于“无塔冷却”直膨空调系统的应用研究，行业内目前论述尚少。已有的研究要么局限于蒸发冷凝直膨空调系统的某一特定产品形式，缺乏通用性、广泛性；要么局限于直膨系统自身分析，缺少与传统系统的对比分析。为此，本文尝试从“无塔冷却”直膨空调系统的构成特点出发，对其进行全寿命周期技术经济分析，并与传统系统进行对比研究，得出经济效益结论。

1 “无塔冷却”直膨空调系统

1.1 “无塔冷却”直膨式空调系统的构成

“无塔冷却”直膨空调系统是近十年来发展起来的应用于地铁车站环控系统的新型通风空调设备。该系统设备主要由蒸发冷凝散热装置（或称为蒸发式冷凝器，简称“外机”）、直膨式空气处理装置（或称为直膨型空调末端，简称“内机”）、内外机之间制冷剂管道、智能集控系统等组成[1]。

蒸发冷凝散热装置一般采用模块化、高防腐、抗结垢、耐高温、紧凑型的设计理念，机组占地小、换热效率高、安装灵活，既可安装于新排风道之间的隔墙内（风墙型），也可安装于地铁排风道截面内（风道型），适应不同附属结构和土建风道安装条件。

直膨式空气处理装置，分为组合式直膨空气处理机组和柜式直膨空气处理机组。组合式直膨空气处理机组主要包含进风段、空气净化段、直膨蒸发段、压缩机段、风机段、均流段、消声段、出风段等功能段。直膨式空气处理装置安装于环控机房。

1.2 蒸发冷凝技术

1.2.1 原理

蒸发冷凝是以水和空气作为冷却介质，利用空气强迫对流及喷淋水的蒸发将气态制冷剂冷凝热量带走的一种换热形式，利用这种形式来实现热交换的器件称为蒸发式冷凝器。蒸发式冷凝器在板管内流动的是制冷剂，管板外为喷淋水，压缩机将低压气态制冷剂压缩成高压气态制冷剂后再进入蒸发式冷凝器板管中，制冷剂在板管内进行放热冷凝成为液态，板管外的喷淋水则是通过循环水泵输送至冷凝换热板管模块上部，并均匀地喷淋到蒸发式冷凝器管板表面形成一层水膜，水膜吸收制冷剂的热量蒸发为水蒸气，其余未蒸发的水落回机组底部的集水箱，供循环喷淋使用。集水箱内设有自动排污和补水装置。

1.2.2 优势

（1）免除冷却塔困扰。采用“无塔冷却”直膨空调系统，取消了传统地铁车站空调系统的冷却塔，一举解决了冷却塔“选址难、征地难、布置难”三大难题，彻底解决了由于设置地面冷却塔所带来的影响城市规划、破坏城市景观，冷却塔噪声扰民、漂水、卫生隐患等环境问题。

（2）节省占地面积。“无塔冷却”直膨式空调系统取消了冷却塔，减少了冷却塔占地；蒸发冷凝散热装置模块化嵌装于地铁附属结构新排风道之间的隔墙内（装置自带防火阀并与FAS连锁），无须额外设置主机机房，节省宝贵的地下空间。

（3）系统运行节能。“无塔冷却”直膨式空调采用蒸发冷凝的方式散热，用嵌装高效模块蒸发式冷凝器取代了传统系统的冷却塔、冷却水泵、冷却水输配管路、壳管式冷凝器，削减了冷却水泵能耗，从而大幅提升系统运行效率。

1.3 直膨技术

1.3.1 原理

“无塔冷却”直膨式空调系统，车站内的负荷通过直膨型空调末端的蒸发盘管直接与制冷剂换热，与传统的冷水型空调系统相比，蒸发冷凝直膨空调系统不同之处在于省却了冷冻水系统，液态制冷剂在空调末端机组的翅片式蒸发器内直接蒸发（膨胀），实现对盘管外空气（即空调室内侧回风）的吸热而使其降温，这种制冷方式称为直膨技术。

1.3.2 优势

制冷剂直膨技术提高了制冷剂在蒸发器内的蒸发温度，在其余工况不变的情况下能有效提升压缩机的性能。另外，直膨系统采用多系统设计，车站“大系统”与“小系统”分离，从而在部分负荷运行时，节能效果更加显著。

1.4 “无塔冷却”直膨式空调系统的优势

一是环境友好。“无塔冷却”直膨式空调系统采用蒸发冷凝技术，彻底摈弃了地面放置的冷却塔，消除了其负面影响，有利于营造和谐绿色的人居环境和城市环境[2]。二是节省投资。“无塔冷却”直膨式空调系统无须冷却塔征地、无须冷冻机房，可有效降低土建初期投资。三是节能高效。“无塔冷却”直膨式空调系统相比传统系统取消了大功率冷却水泵和冷冻水泵，并由原来的“五次循环四次换热”优化为“三次循环两次换热”，消除无谓的能源消耗和换热损失，实现环控系统在整个运营期的节能高效[3-4]。四是整体解决。“无塔冷却”直膨式空调系统，采用“设备供货+安装调试+节能集控系统”一站式解决模式，其设备供货集成一家，接口单一，协调量少，交付质量更易控制，并能有效缩短车站机电设备安装调试工期。五是管理便捷。“无塔冷却”直膨式空调系统自带完备的智能节能集中控制系统，并可通过标准RS485接口与车站BAS和FAS系统连锁控制[5]。六是运维省心。“无塔冷却”直膨式空调系统简化了车站内管线特别是穿越公共区的管线[6]，并避免了传统水系统在冬季由于泄水不利导致的末端设备和水管被冻裂的风险。

2 全寿命周期技术经济分析

以某地铁站为例，该地铁站采用“无塔冷却”直膨式空调，分A、B两端单独供冷，大系统供冷量为688 kW，小系统供冷量为342 kW，总供冷量为1 030 kW。冷源空调系统，通过冷媒管将直膨式空调机组（压缩机内置）与蒸发冷凝器进行内外机连接，为车站公共区、人员房间、设备用房提供所需的冷量，其中大、小系统：A端5套，B端2套，系统之间各自独立，车站A、B两端的大小系统依据所设计车站负荷选择如下设备配置为车站进行供冷（表1）。

表1 “无塔冷却”直膨式空调设备参数表

根据A、B端的总冷量，选择所需对应的蒸发冷凝散热装置。A端总冷量为688 kW，B端冷量为342 kW。

2.1 设备投资对比分析

从表2可以看出，“无塔冷却”直膨空调系统相比传统的冷却塔系统设备初期投资较原方案会有所增加。

表2 设备初期投资对比分析

2.2 土建投资对比分析

传统冷水系统方案下的典型标准站需要设置约200 m2的制冷机房，分别放置2台冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、定压补水装置、分/集水器等；并在站外地面设置冷却塔，占地约150 m2（表3）。

表3 土建投资对比分析

2.3 运行费用对比分析

2.3.1 运行效率对比分析

无论采用传统水系统方式还是采用“无塔冷却”直膨空调系统，由于负荷及负荷变化情况一样，为便于不同系统进行比较，采用名义工况下冷源综合制冷性能系数SCOP进行对比分析（表4）。

表4 制冷季名义工况下SCOP

冷源综合制冷性能系数SCOP可按下列方法计算：

式中：Qc——名义工况下，冷源输出的冷量（kW）；Ee——名义工况下，冷源的耗电功率（kW），其中包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔及冷却风机等设备的耗电功率。

2.3.2 运行电费比较

根据表5可知，“无塔冷却”直膨空调系统相比传统空调系统，该站可以节省电费17．2万元/年。

表5 空调系统总耗电量计算表

2.4 全寿命周期技术经济分析

从表6中可以看出，“无塔冷却”直膨空调系统相比传统冷却塔空调系统，全寿命周期的年均综合费用减少27．7万/年，减少约21%，经济效益显著。

表6 全寿命周期技术经济分析表

3 结论

以南方某地铁车站“无塔冷却”直膨式空调系统为例，传统地铁车站空调的对比可以得出以下结论。

（1）“无塔冷却”直膨式空调系统无须冷却塔、冷却水及冷冻水系统，系统更简洁、运行更高效、运维更方便，同时减少了占地需求，消除了冷却塔噪音对周边环境的影响，社会效益、环境效益均十分显著。

（2）从全寿命周期成本综合考虑，地铁“无塔冷却”直膨式空调系统相比传统地铁车站空调系统年均综合费用降低约21%，经济效益明显。

（3）本研究受到所考察地铁车站的样本数量和运营模式的局限，未能覆盖全部地铁制式和不同空调季运营期，因而所得出的结论仅限于我国华东地区屏蔽门制式的地铁站。后续研究，需要考察全国多种制式、气候带各异的地铁站，以更多有代表性的样本为对象，进行更全面的分析研究，从而获得更加全面客观的全寿命周期节能数据。