蒸发式冷凝机组在地铁中的应用研究

【摘要】 本文分析了蒸发式冷凝技术的基本原理，探讨了蒸发式冷凝机组在地铁中的具体应用，采用 “组合式空调机组 + 蒸发式冷凝机组”新技术方式代替传统地铁中的“组合式空调机组 + 螺杆式水冷冷水机组 + 冷却塔”方式，测量冷却塔周边环境噪声和制冷系统耗能（含冷水机组、冷冻循环水泵和冷却循环水泵等制冷系统设备），并统计、计算各站点空调制冷系统的土建成本和运营成本。计算并分析系统能耗、各项成本，并与传统方式进行对比，结果表明，蒸发式冷凝机组应用于地铁工程的可行性优良。

【关键词】 蒸发式冷凝机组；地铁；经济效益；比较

前言

传统地铁通风空调系统，采用 “组合式空调机组 + 螺杆式水冷冷水机组 + 冷却塔”的形式。随着城市地铁工程的建设以及沿线部分车站与周边用地条件的限制， 冷却塔的布置与城市景观不协调的现象日益凸显；冷却塔塔体的震动、散热、飘水、军团菌污染、噪声等对周边建筑及人流干扰也越来越明显。为了减少地铁建设中与环境保护、规划等的协调工作，同时地铁运营期间减少对市民生活的干扰， 在地铁建设的前期方案中应根据环境评价要求，以人为本针对地铁车站的规模、形式采取适当的冷却塔布置形式及对应的措施。建议采用新技术、新工艺应用于地铁空调系统的冷却技术来一劳永逸的解决上述问题。基于以上，本文简要探讨了蒸发式冷凝机组在地铁站中应用的相关问题。

1 蒸发式冷凝技术概述

1.1 工作原理

蒸发式冷凝器的冷却介质为空气和水，水蒸发吸热，带走制冷剂冷凝热。工作的过程中，水泵将冷却水输送到冷凝管组上部喷嘴，喷嘴将冷凝水均匀地喷淋在冷凝排管表明，形成水膜， 从冷凝排管组上部进入的制冷剂会被冷却水吸收热量变为液态， 吸收热量的水分部分蒸发， 剩余部分存在于集水盘中，循环使用。在风机的作用下，空气会以 3-5m/s 的速度掠过冷凝排管，从而促进水膜的蒸发作用，冷凝管外放热得到强化，吸热蒸发的水蒸气由风机排出，剩余下落的水滴被空气冷却 [1] 。从结构上来看， 蒸发式冷凝技术能够将冷却塔与冷凝器合二为一，水从冷凝器到冷却塔的传递阶段被省略，能够对水的蒸发吸热作用充分利用，从而冷却工艺流体，相较于传统的水冷式冷凝器来说，其能够节约用水量 50~65% 。

1.2 蒸发式冷凝机组的优点

（ 1 ）蒸发式冷凝机组不需要进行冷却水塔的设置，从城市景观及环境保护方面来看， 解决了传统方式下冷却水塔外安装影响市容的问题，同时避免了噪声及“飞水”等对周边城市居民正常生活的影响 [2] 。

（ 2 ）蒸发式冷凝机组在标准工况下的系统能效要比传统冷水机组能效更高，相较于冷水机组来说，节能≥ 15% ，相较于风冷机组来说，节能≥ 35% 。

2 蒸发式冷凝机组在地铁中的应用 :

2.1 项目概况

根据南昌市城市轨道交通第二期建设规划（ 2015 ～ 2021 年）， 至 2021 年南昌市需建设完 1 号线东延线、 2 号线东延线、 2 号线西延线、 3 号线一期工程和 4 号线一期工程（共计 82.3km ），以及正在建设的 2 号线一期工程（共计 23.8km ）。南昌地铁即将进入快速建设期， 为了不影响工程建设进度和避免后期运营维护中因冷却塔引起的各方投诉。通过对南昌地铁 1 号线冷却塔运营实测数据及国内其他城市轨道交通的考察，从减少土建建设成本、运营维护成本及解决冷却塔用地等方面分析、总结出适合南昌地区的空调冷却系统。

2.2 方案设计

以南昌 1 号线某车站为例， 原设计方案采用 2 台制冷量为 620kW 的螺杆式冷水机组和两台对应型号的圆形逆流式冷却塔，冷水机组设置于地下一层的环控机房内，冷却塔设置在地铁沿线商业开发小地块屋顶。原方案水系统主要有螺杆式冷水机组 2 台、冷却塔 2 台、冷冻水泵 2 台、冷却水泵 2 台、水处理仪 2 台。

通风空调水系统采用 “组合式空调机组 + 蒸发式冷凝机组”的方式，以 2 台蒸发式冷凝机组作为集中供冷设备，单台机组制冷量为 610kW ，在地下一层环控机房内布置。水系统设备简化为 2 台蒸发式冷凝机组 +2 台冷冻水泵 +2 两台水处理仪。在地下空间布置冷凝设备，需要保证通风环境良好，将 2 台排风机设置在冷水机房内， 并在机房与风道隔墙上开设补风口， 协助通风， 排除热量。这种强制通风措施会增加 79000m3/h 左右的新风量和排风量，为了避免风井内风速造成过大噪声，适当增加了排风井及新风井面积，同时在压缩机增设消声罩，并将消声器设置在风道之内，以此来将噪声控制在规范要求之内 [3] 。

对于机组的整体吊装及运输通道来说， 该站为地下二层车站，地下一层为站厅层，蒸发式冷凝机组置于该层环控机房内， 地下二层为站台层， 难以利用轨道运输方式解决运输问题，因此拟通过排风亭来进行设备运输。

3 比较分析

3.1 经济效益比较

从运行费用上来看， 水冷式冷水系统与蒸发式冷水系统的运行能耗比较如表 1 所示，按照每天运行时间为 18h ，每年运行天数为 210d ，运行 20 年等进行计算，电费计费标准为 1 元 /kW ， 使用系数取值为 0.6 ， 最终计算得到蒸发式冷水系统 20 年运行节省费用为：（ 345-294 ）× 18 × 210 × 20 × 0.6 × 1=231.34 万元。根据厂家提供的参数，在同样的工况下，对两种不同技术方式下的设备耗水量进行比较，比较结果如表 2 所示。

由表 2 可知，同样工况下，蒸发式冷凝水系统耗水量比水冷式冷水系统耗水量能够节约 3.3m3/h ，节水达到了 63% 。按照每天运行时间为 18h ，每年运行天数为 210d ，运行 20 年进行计算，水费计费标准为 3 元 /m3 ，最终计算得到蒸发式冷水系统 20 年运行节省费用为： 3.3 × 18 × 210 × 20 × 3=74.8 万元。故蒸发式冷水系统 20 年运行节省总费用为： 231.34 ＋ 74.8=306.14 万元。

通过计算土建投资、设备投资，得出蒸发式冷水系统初投资为 308.25 万元， 水冷式冷水系统初投资为 156.35 万元。 306.14 ＞ 308.25-156.35=151.9 万元。由此可见，采用“组合式空调机组 + 蒸发式冷凝机组”新技术方式虽然初投资增加，但从长远来看，能够更好的节约运行成本，经济效益良好。

3.2 节能比较

采用 “组合式空调机组 + 蒸发式冷凝机组”新技术方式将冷水机组、冷却塔及冷却水泵合而为一，减少了冷却水管理系统，这部分设备能耗和管路能量损耗得以节约，因此，理论上来讲，相较于传统水冷式技术方式来说，本项目采用的新技术方式节能效果更佳优良，表 1 也印证了这一点。在《公共建筑节能设计标准（ 2015 ）》中引入了空调系统电冷源综合制冷性能系数，即 SCOP 值，该参数能够更好的衡量两种技术方式的节能效果，冷源系统总耗电量以冷却水泵耗电量、冷水机组耗电量及冷却塔耗电量之和为计算依据。为了进一步对比节能情况，本文进行了两种技术方式的 SCOP 值对比（表 3 ），由表 3 可知，采用蒸发式冷凝机组后整体节能情况更加优良。

3.3 占地面积及环境影响比较

采用传统水冷式冷水系统，冷水机房面积为 135m2 ，新风井面积为 12m2 ，排风井面积为 16.5m2 ，地面冷却塔、膨胀水箱及设备围挡占地面积为 96m2 ，总计为 259.5m2 ，采用蒸发式冷凝水系统，冷水机房面积为 127m2 ，新风井面积为 19m2 ，排风井面积为 25m2 ，地面冷却塔、膨胀水箱及设备围挡占地面积为 10m2 ，总计为 181m2 。由此可见，蒸发式冷凝机组在该站中的应用能够有效节约占地面积 259.5-181=78.5m2 。此外，传统风冷式水冷系统还有着景观差、噪声大、飞水污染等环境问题，而蒸发冷凝水系统中，有效解决了上述问题。

4 结论  

综上所述， 本文简要分析了蒸发式冷凝技术的原理和优势， 探讨了蒸发式冷凝机组在南昌地铁 1 号线冷却塔的应用方案，实测表明，相较于传统的技术方式来说，采用“组合式空调机组 + 蒸发式冷凝机组”新技术方式在节能、成本、环境保护及节水等方面都更具优势， 蒸发式冷凝机组在地铁站中的应用可行性优良，值得进一步推广和应用。

来源：暖通空调在线论坛

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