“化整為零”
——水冷式直膨系統(tǒng)在深圳地鐵的應(yīng)用

黃國(guó)良

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518000）

1 集中式空調(diào)系統(tǒng)的確定和不足

目前，我國(guó)地鐵車(chē)站大多采用柜式空調(diào)器和回排風(fēng)機(jī)組成的集中式空調(diào)系統(tǒng)，以保證公共區(qū)、設(shè)備區(qū)人員管理用房的溫濕度要求，制冷系統(tǒng)則普遍采用螺桿式水冷制冷機(jī)組。

但是該系統(tǒng)存在一定的缺點(diǎn)及不足，具體如下：

1）送、排風(fēng)管道斷面尺寸大，占用層高、空間大，對(duì)機(jī)房要求較高。如遇規(guī)模較大且層高不足的車(chē)站，會(huì)出現(xiàn)管線(xiàn)安裝困難、管線(xiàn)標(biāo)高不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)、在運(yùn)營(yíng)階段閥門(mén)及管線(xiàn)出現(xiàn)維護(hù)保養(yǎng)困難等情況。

2）因車(chē)站體量變大帶來(lái)的管路長(zhǎng)、阻力大等問(wèn)題，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)壓頭高，功率大，設(shè)備能耗高，不利于節(jié)能減排。

3）系統(tǒng)無(wú)法做到按需供冷，如公共區(qū)使用2臺(tái)空調(diào)器，無(wú)法針對(duì)局部區(qū)域的實(shí)際情況調(diào)整溫度，有可能在客流爆發(fā)期出現(xiàn)超溫的情況。

因軌道交通建設(shè)的時(shí)序性帶來(lái)的相關(guān)影響是，后續(xù)的車(chē)站建設(shè)條件將變得越發(fā)困難，各種換乘節(jié)點(diǎn)以及周邊地面條件的復(fù)雜性也制約著車(chē)站的布局，車(chē)站有時(shí)會(huì)無(wú)法像以往車(chē)站一樣具備在兩端設(shè)置較大的環(huán)控機(jī)房，以及在設(shè)備負(fù)荷大端設(shè)置單獨(dú)的冷水機(jī)房的條件，如果在這樣的特殊情況下堅(jiān)持使用傳統(tǒng)系統(tǒng)將會(huì)變得困難，甚至要付出較大的代價(jià)。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，在某些特殊站點(diǎn)（層高不足，地面條件復(fù)雜，制約因素較多），把機(jī)房化整為零，分散于車(chē)站各處，設(shè)置水冷式直膨機(jī)組，進(jìn)行分散式送風(fēng)，以解決機(jī)房空間不足的問(wèn)題。成為解決部分車(chē)站機(jī)房條件先天不足問(wèn)題的一個(gè)新思路，本文通過(guò)在深圳地鐵12號(hào)線(xiàn)上川站采用水冷式直膨式空調(diào)系統(tǒng)的情況，在應(yīng)用可行性、土建、設(shè)備投資費(fèi)用、運(yùn)行控制策略幾個(gè)方面進(jìn)行探討，對(duì)比其與傳統(tǒng)車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

2 工程簡(jiǎn)介

上川站為深圳市城市軌道交通12號(hào)線(xiàn)工程的第15個(gè)地下站。人防重點(diǎn)設(shè)防站。位于上川路與前進(jìn)一路交叉口的北側(cè)，沿前進(jìn)一路南北向敷設(shè)。本站為地下2層島式車(chē)站，車(chē)站總長(zhǎng)537 m。本站由車(chē)站部分和配線(xiàn)區(qū)及其上方自然形成空間部分組成。共設(shè)有11個(gè)出入口，10個(gè)緊急疏散口及2組風(fēng)亭。上川站位于寶安老城區(qū)。車(chē)站上方為綜合管廊，站址條件如下：（1）車(chē)站周邊多以居住小區(qū)為主，配有部分商業(yè)服務(wù)設(shè)施。（2）前進(jìn)一路寬26 m，上川一路道路寬16 m，道路狹窄且進(jìn)行渠化，車(chē)站兩側(cè)人行道寬度較窄，附屬布置困難。車(chē)站左端無(wú)法按常規(guī)布置新、排風(fēng)亭。

3 車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)

3.1 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)

車(chē)站公共區(qū)空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)備管理用房空調(diào)系統(tǒng)為共用冷源，由車(chē)站冷水系統(tǒng)提供冷水，通過(guò)組合式空調(diào)機(jī)組、柜式風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組對(duì)車(chē)站公共區(qū)、設(shè)備管理用房進(jìn)行通風(fēng)降溫，滿(mǎn)足乘客、工作人員以及各類(lèi)設(shè)備的溫濕度要求，空調(diào)水系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、空調(diào)水泵、冷卻塔等大型設(shè)備組成。

3.2 水冷式直膨式空調(diào)系統(tǒng)

水冷式直膨式空調(diào)系統(tǒng)取消了冷水機(jī)組、冷凍水泵，將空調(diào)機(jī)組內(nèi)的表冷器改為制冷劑直膨式蒸發(fā)冷凝器，由蒸發(fā)冷凝器內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)冷凝直接對(duì)空氣進(jìn)行處理。與傳統(tǒng)的車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)相比，減少了冷水循環(huán)系統(tǒng)。

3.3 水冷式直膨式系統(tǒng)應(yīng)用的可行性分析

上川站左端無(wú)法設(shè)置常規(guī)新風(fēng)亭，如果采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，則需要進(jìn)行單端送風(fēng)，風(fēng)管體量過(guò)大勢(shì)必會(huì)影響層高，同時(shí)影響單端的風(fēng)井面積。由于上川站周邊地面條件較為復(fù)雜，車(chē)站右端風(fēng)井如面積加大將無(wú)法滿(mǎn)足GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中風(fēng)亭與建筑物的距離要求。所以，根據(jù)上川站的實(shí)際情況，采用水冷式直膨系統(tǒng)。

上川站采用水冷式直膨系統(tǒng)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）機(jī)房分散布置：上川站公共區(qū)設(shè)置3個(gè)環(huán)控機(jī)房，站廳1個(gè)，站臺(tái)2個(gè)，設(shè)備小端新風(fēng)井與出入口合設(shè)，將機(jī)房分散布置，緩解了車(chē)站左端的機(jī)房布置壓力，不需要加大右端車(chē)站風(fēng)井，同時(shí)站臺(tái)和站廳分設(shè)機(jī)組，可做到獨(dú)立控制站廳與站臺(tái)的溫濕度，針對(duì)不同時(shí)段的客流壓力進(jìn)行調(diào)整。

2）與傳統(tǒng)車(chē)站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相比，水冷式直膨系統(tǒng)的換熱過(guò)程為室內(nèi)空氣與直膨式空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)器的換熱，蒸發(fā)器與冷凝器通過(guò)制冷劑進(jìn)行換熱，再通過(guò)冷凝器與冷卻塔通過(guò)冷卻水系統(tǒng)的換熱，以及冷卻水與外部空氣的換熱。取消了冷凍水系統(tǒng)，減少了一個(gè)換熱環(huán)節(jié)，從技術(shù)原理上降低了換熱帶來(lái)的損失，可提高整體系統(tǒng)的能效。

3）取消了冷水機(jī)組以及冷凍水泵等大型設(shè)備，可有效減少冷水機(jī)房面積，同時(shí)設(shè)備設(shè)置于靠近公共區(qū)與設(shè)備區(qū)，可有效減少風(fēng)管的安裝面積，降低安裝管線(xiàn)的成本及工時(shí)。

4 技術(shù)指標(biāo)分析

4.1 土建費(fèi)用分析

水冷式直膨式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)較傳統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，在冷水機(jī)房?jī)?nèi)減少了冷水機(jī)組、冷凍水泵以及相應(yīng)的冷水管路，水處理儀等設(shè)備，考慮到正常系統(tǒng)預(yù)留的設(shè)備安裝空間，冷水機(jī)組預(yù)留拔管檢修的空間，水冷式直膨系統(tǒng)的機(jī)房較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)房減少土建面積約75 m2，按深圳典型車(chē)站地下空間的土建概算費(fèi)用1.8萬(wàn)元/m2考慮，可節(jié)約土建費(fèi)用約135萬(wàn)元。

4.2 設(shè)備初投資費(fèi)用分析

相對(duì)傳統(tǒng)車(chē)站的空調(diào)系統(tǒng)，水冷式直膨機(jī)組主要是在公共區(qū)由組合式空調(diào)機(jī)組加出入口長(zhǎng)通道風(fēng)機(jī)盤(pán)管的組合變?yōu)槲迮_(tái)型號(hào)不一的水冷直膨系統(tǒng)，同時(shí)取消了冷水機(jī)組以及冷凍水泵，造價(jià)較原來(lái)的系統(tǒng)增加約155.4萬(wàn)元。

由數(shù)據(jù)分析可知：末端直膨系統(tǒng)較傳統(tǒng)組合式空調(diào)機(jī)組+水冷冷水機(jī)組+冷卻塔系統(tǒng)，年總節(jié)省費(fèi)用約為21.61萬(wàn)元。

5 水冷式直膨機(jī)組的控制要求

5.1 公共區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制

1）公共區(qū)水冷式直膨機(jī)組自帶智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)車(chē)站的實(shí)時(shí)冷量需求對(duì)機(jī)組壓縮機(jī)、EC風(fēng)機(jī)、冷卻水閥門(mén)等進(jìn)行自主控制，以達(dá)到節(jié)能效果。

2）公共區(qū)水冷式直膨系統(tǒng)具有以下的工作模式可切換，分別為：正常工況（包括小新風(fēng)工況、非空調(diào)季工況）、火災(zāi)工況。

小新風(fēng)工況：小新風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，新風(fēng)與回風(fēng)在混風(fēng)段混合后，經(jīng)直膨式蒸發(fā)冷凝器處理后送入公共區(qū)。

非空調(diào)季工況：送風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，水冷式直膨機(jī)組關(guān)閉，全新風(fēng)送入公共區(qū)。在非空調(diào)季以及特殊情況下（如疫情期）滿(mǎn)足車(chē)站公共區(qū)的通風(fēng)換氣需求。

火災(zāi)工況：關(guān)閉水冷式直膨機(jī)組、送風(fēng)機(jī)以及相關(guān)閥門(mén)，開(kāi)啟排煙風(fēng)機(jī)，按火災(zāi)模式要求運(yùn)行。

5.2 設(shè)備區(qū)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制

1）設(shè)備區(qū)水冷式直膨機(jī)組自然智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)所負(fù)擔(dān)的設(shè)備用房實(shí)時(shí)發(fā)熱量需求，對(duì)機(jī)組壓縮機(jī)、EC風(fēng)機(jī)及冷卻水閥進(jìn)行自主控制，以達(dá)到節(jié)能效果。

2）設(shè)備區(qū)水冷式直膨系統(tǒng)具有以下的工作模式可切換，分別為：正常工況（包括小新風(fēng)工況、非空調(diào)季工況）、火災(zāi)工況。

小新風(fēng)工況：通過(guò)控制新風(fēng)管閥門(mén)開(kāi)啟，新風(fēng)與回風(fēng)在混風(fēng)段混合后，經(jīng)直膨式蒸發(fā)冷凝器處理后送入設(shè)備區(qū)。

非空調(diào)季工況：回風(fēng)閥門(mén)關(guān)閉，水冷直膨機(jī)組關(guān)閉水閥，開(kāi)啟機(jī)組將新風(fēng)送入設(shè)備區(qū)，在非空調(diào)季滿(mǎn)足車(chē)站設(shè)備區(qū)的發(fā)熱量需求。

火災(zāi)工況：關(guān)閉水冷式直膨機(jī)組及相關(guān)閥門(mén)，按火災(zāi)模式要求運(yùn)行，配合氣體消防進(jìn)行排風(fēng)操作。

5.3 冷卻水系統(tǒng)控制

1）車(chē)站設(shè)備共用一套冷卻水設(shè)備，冷卻水系統(tǒng)包含冷卻水泵、定壓罐以及冷卻塔（閉式鼓風(fēng)式），系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)站水冷式直膨系統(tǒng)的冷卻水流量變化，調(diào)整變頻冷卻水泵，冷卻塔風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)和有關(guān)水閥，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

2）冷卻水系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口與控制中心相連，通過(guò)接收啟停指令執(zhí)行相關(guān)設(shè)備的調(diào)節(jié)控制操作。

6 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的難題及解決措施

6.1 與建筑結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的配合

1）水冷式直膨機(jī)組機(jī)房可依托車(chē)站出入口，附屬等空間設(shè)置機(jī)房，由于采用機(jī)組余壓回風(fēng)，不需單獨(dú)設(shè)置回排風(fēng)機(jī)，機(jī)房面積可以適當(dāng)減少，但是除了出入口處的水冷式直膨機(jī)組，其余機(jī)組均需考慮小新風(fēng)工況下的新風(fēng)接入，為解決小新風(fēng)工況下的新風(fēng)引入，上川站在站廳層與H出入口合設(shè)新風(fēng)亭，設(shè)置單獨(dú)的小新風(fēng)機(jī)，將新風(fēng)送至每一臺(tái)設(shè)備中，以滿(mǎn)足公共區(qū)的新風(fēng)需求，同時(shí)設(shè)置送風(fēng)機(jī)滿(mǎn)足全新風(fēng)工況下的通風(fēng)需求。

車(chē)站機(jī)房分散布置，需考慮排水溝及排水地漏的預(yù)留，水冷式直膨機(jī)組設(shè)備本體較高，在站臺(tái)層以及出入口處設(shè)置機(jī)房時(shí)需考慮因下翻梁或者土建因素導(dǎo)致的機(jī)房層高偏低，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備安裝要求的問(wèn)題。

2）站臺(tái)層的水冷設(shè)備機(jī)組需預(yù)留水管以及新風(fēng)管的孔洞，上川站全新風(fēng)模式送風(fēng)管是排煙風(fēng)管兼用，火災(zāi)模式下進(jìn)行切換的做法，如果日后的項(xiàng)目單設(shè)送風(fēng)管，則需注意預(yù)留相關(guān)管線(xiàn)孔洞。

6.2 與電氣專(zhuān)業(yè)的配合

水冷式直膨機(jī)組由于設(shè)備特性，將制冷模塊與空氣處理送風(fēng)模塊合而為一，所以，在提資電氣專(zhuān)業(yè)時(shí)需注意，將制冷模塊與空氣處理模塊的功率分開(kāi)，以防電氣專(zhuān)業(yè)誤以為是單一回路配電，同時(shí)如設(shè)備本身模塊負(fù)荷等級(jí)不一致（常規(guī)做法是制冷模塊按三級(jí)負(fù)荷，空氣處理模塊按二級(jí)負(fù)荷），需明確提醒電氣專(zhuān)業(yè)，以防提資有誤。

6.3 與給排水專(zhuān)業(yè)的配合

水冷式直膨機(jī)組由于分散布置，每個(gè)機(jī)房均需進(jìn)行排水，同時(shí)在水泵房?jī)?nèi)需預(yù)留補(bǔ)水點(diǎn)，機(jī)房排水點(diǎn)的設(shè)置需與給排水專(zhuān)業(yè)明確，以防附屬部分的機(jī)房未設(shè)置排水點(diǎn)。

7 水冷式直膨系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

水冷式直膨系統(tǒng)與傳統(tǒng)的地鐵空調(diào)系統(tǒng)相比來(lái)說(shuō)具有以下優(yōu)勢(shì)：無(wú)須載冷劑冷水的二次換熱，采用冷媒直接膨脹蒸發(fā)冷卻空氣來(lái)處理地鐵站臺(tái)公共區(qū)的熱濕負(fù)荷，可提高制冷壓縮機(jī)的蒸發(fā)溫度，省去空調(diào)冷水系統(tǒng)的設(shè)置，使得車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率大為提高。

蒸發(fā)式冷凝器主要是以水和空氣作為冷卻介質(zhì)，在使用中，熱的制冷劑蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器的頂部，將冷卻水通過(guò)水泵送至冷凝器頂部，經(jīng)噴頭均勻的噴灑冷凝器的外表，形成一層薄薄的水膜。高溫制冷劑再?gòu)睦淠魃喜窟M(jìn)入集管，經(jīng)過(guò)冷凝器外表釋放出熱量?？諝馔ㄟ^(guò)分級(jí)輸送至冷卻單元，冷凝管道中的高溫制冷劑將熱量傳遞給水膜，使其蒸發(fā)，當(dāng)水膜蒸發(fā)成為水蒸氣時(shí)，冷凝器在以潛熱的方式將其余熱量連通水蒸氣傳送給空氣，再通過(guò)風(fēng)機(jī)抽出，而沒(méi)有被蒸發(fā)的水蒸氣滴落至水箱內(nèi)，供水泵循環(huán)使用。

蒸發(fā)式冷凝器主要以潛熱傳熱為主、潛熱顯熱為輔，主要是通過(guò)水蒸發(fā)的原理帶走潛熱傳熱的熱量，實(shí)驗(yàn)表明：1 kg的冷卻水蒸發(fā)可以帶走2 450 kJ的潛熱傳熱。由此可見(jiàn)，蒸發(fā)式冷凝器具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)深圳地鐵12號(hào)線(xiàn)上川站所設(shè)置的水冷式直膨空調(diào)機(jī)組，結(jié)論如下：

1）水冷式直膨機(jī)組在技術(shù)原理上具有一定的先進(jìn)性，減少的換熱環(huán)節(jié)，可降低換熱損失，相對(duì)傳統(tǒng)車(chē)站空調(diào)系統(tǒng)可提高整機(jī)能耗比，節(jié)省后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

2）水冷式直膨機(jī)組可靈活設(shè)置機(jī)房位置，針對(duì)車(chē)站層高不足，風(fēng)亭、環(huán)控機(jī)房設(shè)置困難。

3）水冷式直膨機(jī)組可滿(mǎn)足車(chē)站正常運(yùn)行，火災(zāi)工況與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)無(wú)異。在運(yùn)行管理上可與其他常規(guī)車(chē)站保持一致，不存在差異性。

4）由于水冷式直膨系統(tǒng)仍需要設(shè)置冷卻塔，如遇冷卻塔布置有困難的車(chē)站，依然不建議采用該系統(tǒng)。