水冷式空调系统在市域铁路中的应用方案分析
苏州中车建设工程有限公司  刘  亮*  刘  宇  秦久运  尚宪贵
摘  要  针对浙江某市域铁路项目地下车站，阐述了水冷式空调系统的具体实施方案，并与常规空调方案的能耗和土建投资进行了对比分析。通过工程案例对比，发现水冷式空调方案能耗高于常规空调方案，分析得出其能耗较高的直接原因是由于系统内设备累计制冷富裕量系数远高于常规空调方案。通过案例机房面积的对比，并依据项目的主体建筑概算指标，估算了较常规空调方案可节约的土建投资。根据工程案例对比得到的电功率比较结果估算了水冷空调方案较常规空调方案每年运行需增加的费用。综合土建、设备投资及运行增加费用的估算结果，计算了特许经营期内项目建设期起点节约的初投资。
关键词  市域铁路；空调系统；水冷空调；能耗；投资
Application Scheme of Water-Cooled Air Conditioning System in Municipal Railway
Liu Liang, Liu Yu, Qin Jiuyun and Shang Xiangui
Abstract  For the underground station of a municipal railway project in Zhejiang, the specific implement
ation plan of the water-cooled air-conditioning system is described, and the energy consumption and civil investment of the conventional air-conditioning plan are compared and analyzed. Through comparison of engineering cases, it is found that the energy consumption of water-cooled air-conditioning schemes is higher than that of conventional air-conditioning schemes. The direct reason for the higher energy consumption is that the accumulated refrigeration richness coefficient of equipment in the system is much higher than that of conventional air-conditioning schemes. Based on the comparison of the case room area and the estimated main building construction indicators, the civil construction investment that can be saved compared with the conventional air-conditioning scheme is estimated. Based on the comparison of the electric power obtained from the comparison of engineering cases, it is estimated that the annual cost of the water-cooled air-conditioning scheme compared with the conventional air-conditioning scheme will increase. Based on the estimation results of civil construction investment, equipment investment and operation increase costs, the initial investment saved during the construction period of the project during the concession period was calculated.
Keywords  Municipal Railway; Air conditioning system; Water-cooled air conditioner; Energy consumption; Investment
0  引言
市域铁路作为我国客运轨道交通体系的一种新兴形式，能够实现区域中心城市与周边新城、城镇地区及组团城市、各城镇地区间1h 交通的目标[1]。其与以地铁为代表的城市轨道交通相比，虽然在服务区域、设计速度、站间距及线路长度等方面有所不同[2]，但两者车站通风空调系统的组成和功能基本类似。通风空调系统是环控系统的重要组成部分，其能耗占地铁总能耗的30%以上，占地铁车站能耗的
70%以上[3]。同时，地下车站空调机房的面积和空间较大，占地下车站总面积的12%~13%[4]。因此，空调系统的设计方案与项目的运营费用及建设投资息息相关。本文主要对浙江某市域铁路项目地下车站中应用的水冷式空调系统方案进行阐述，并通过工程案例对其与常规空调系统在能耗和投资等方面进行对比分析。
1  车站空调系统模式
1.1 地下车站常规空调系统模式
地下车站通风空调通常划分为车站公共区通风空调及防排烟系统（简称大系统）、车站设备及管理用房通风空调及防排烟系统（简称小系统）和车站空
调水系统（简称水系统）三个部分[5]
。
常规大、小系统一般采用一次回风全空气系统，通常由空调末端设备（组合式空气处理机组、柜式空调器和风机盘管）、风机、风管路、风阀及风口组成；水系统分为冷冻水和冷却水循环，通常由冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、水处理设备、分集水器、水过滤器、膨胀水箱、水管路及阀门等组成。常规空调系统示意图如图1所示。
图1  常规空调系统示意图
冷冻水循环一般设计为一次泵定流量系统，冷水机组作为冷源，冷冻水通过循环为大、小系统空调末端设备提供冷量，空调末端设备通过送回风管路处理公共区及空调房间的余热余湿，冷却水则通过循环将冷水机组冷凝器散出的热量带到室外。
1.2 本项目水冷式空调系统 1.
2.1 空调冷源
空调冷源为放置于车站室外的闭式冷却塔，设集中冷却水系统全年供冷，供回水设计温差为5℃，各类水冷式空调机组的冷凝器向该系统排放热量。
1.2.2 空调水系统
集中冷却水系统采用一次泵变流量系统，主要由闭式冷却塔、冷却水泵、智能定压脱气综合水处理机组、电动阀门、水管路及各类传感器等组成。
1.2.3 空调风系统
（1）公共区。采用一次回风全空气系统，风系统
整体采用对称布置的方式。具体为站厅和站台层两端暖通机房内设置整体立柜式水冷空调机组，站厅层两
端暖通机房内设新风机、水冷吊顶式小新风处理机。空调系统气流组织为上送下回方式；新风及通风独立设置，并与排烟系统合用风管，气流组织为上送风。
（2）设备及管理用房。设置水冷多联机空调+
新风系统，新风系统采用整体吊顶式水冷型全新风处
理机。水冷式空调系统原理图如图2所示。
图2  水冷式空调系统原理图
1.2.4 空调运行工况
大系统工况分为小新风空调模式、全新风空调模式及全通风模式。运行工况转换采用温度控制，如表1所示。小系统过渡季节不开启水冷多联机空调，由新风系统送风。
表1  大系统运行工况模式表
1.3 与常规空调系统对比 水冷式空调方案（简称新方案）与常规空调方案（简称常规方案）对比如表2所示。
表2中对比结果：①新方案较常规方案减少了冷水机组和冷冻水泵的设置；②新方案采用整体立柜式水冷空调机组和水冷多联机替代了常规方案的组合式空气处理机组、柜式空调器和风机盘管，减少了回风机，但增加了水冷吊顶式新风处理机；③新方案省却了冷冻水管路，但冷却水管路增长；④新方
案减少了冷冻水换热循环，蒸发温度提高。
2  能耗分析
2.1 工程案例对比 2.1.1 车站概况
以本项目腾达路站为例，类比采用常规空调方案且设计冷负荷相近的重庆某地铁项目地下车站进行对比，车站概况对比如表3所示。
2.1.2 设备电功率比较
由表4、表5可知，腾达路站设备总电功率高出港城站176.72 kW ，即新方案能耗较高。这与李峰等[7]
的案例对比结果不同，分析其主要原因在于两个案例中所采用的冷水机组的制冷系数差异较大。
2.2 能耗分析
为分析新方案能耗较高的原因，将整个空调系统视作一台宏观的空调设备。定义宏观设备COP (A )值，表示这台宏观空调设备的制冷性能，则：
K
Q =
A COP N
（1）
式中：Q K 为空调设备制冷量；N 为各类设备电功率。
定义设计负荷条件下宏观设备COP (B )值，表示在满足设计冷负荷的条件下宏观设备的制冷效率，则：
= S B Q COP N            （2）
式中：Q S 为设计冷负荷；N 为各类设备电功率。
新方案与常规方案COP (A )与COP (B )如表6所
示。
表6  A 、B 及制冷富裕量系数比较
由表6可知，新方案COP (A )值低于常规方案10%，说明设备整体制冷性能新方案稍低于常规方案；而新方案COP (B )值低于常规方案54%，这说明新方案系统制冷效率远低于常规方案，即为达到相同的设计冷负荷目标，新方案将会做更多工，耗费更多电能。
2.2.1 设备制冷性能分析
由图3可知，水冷空调机组、水冷多联机及闭式冷却塔电耗占据总电功率的比例较大，分别为51.7%、17.7%、12.2%。
（）2kW 0.4%
冷却水泵（）44kW 9.0%  送风机（）
44kW 9.0%（）
12.2%）
17.7%
水冷空调机组
针对水冷空调机组，从热工性能角度分析，若提
高蒸发温度，可降低空调设备能耗[8-9]。然而，水冷空调机组耗能部件不仅为制冷压缩机，还有送风风
机。由表7可知，虽然新方案较常规方案提高了蒸发温度，但整机制冷效率其实并不高，属于3级能效等级[10]。  表7  某品牌整体立柜式水冷空调机组参数
图3  常规空调系统示意图
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对于水冷多联机，其主机的平均制冷系数COP = 4.48，虽达到了一级能耗等级[11]，但与对比案例中冷水机组设备的平均制冷系数COP = 5.53存在一定差距。
此外，闭式冷却塔设备较常规开式冷却塔增加了
循环水泵，增加了系统的电功率。以上为新方案COP (A )值低于常规方案的主要原因。
2.2.2 系统制冷效率分析
由图4可知，新方案较常规方案水系统设备电功
率降低，大、小系统设备电功率均升高。在常规空调
系统中，冷水机组电耗占据整个空调系统电耗的主要
部分[12]，然而，新方案较常规方案减少冷水机组和
冷冻水泵设备节省的电功率并不能弥补水冷空调机
组、水冷多联机设备带来的电功率增加。
电功率/k W
图4  各系统设备电功率对比图
新方案中水冷空调机组和水冷多联机设备分散布置，数量较多，而每台设备均存在一定的制冷富裕量，导致系统内所有空调设备累计制冷富裕量系数高达1.45（常规方案冷水机组设备制冷富裕量系数不超过1.1[13]），因此，达到相同冷负荷目标时富裕量系  数高的系统会消耗更多的电功率。这是新方案COP  (B )值较低原因，也是新方案较常规方案能耗高的直接原因。
3  投资分析 3.1 土建及设备投资分析 3.1.1 机房面积与设备投资比较
由于新方案较常规方案减少了冷水机组、冷冻水泵设备，大大节省了冷水机房面积。同时，新方案采用的水冷空调机组集成度较高，大、小系统空调设备与用冷部位就近分散布置，虽设置的机房数量较多，但整体占用的机房面积不大。同样将腾达路站与港城站的暖通机房面积及设备初投资进行对比，如表8所示，新方案较常规方案可节约暖通机房面积222 m 2，在设备初期投资上比常规方案高出46万元。
3.1.2 初期节约投资估算
本市域铁路项目共包含7座地下车站，其中，腾达路站主体建筑概算指标为1.53（万元/m 2）。依据节省的机房面积，可估算本项目节约的土建投资约为2377万元。设备投资方面，新方案7个车站共计增加322万。因此，初期投资可节省约2055万元。
3.2 运行费用增加估算
根据工程案例对比中得到的设备电功率比较结果，计算新方案较常规方案运行增加的费用。计算条
件：空调系统每日运行时间为18h （05:00~23:00）[14]
，
全年制冷运行150天，设计日逐时空调负荷系数平均为0.65，全年逐日空调负荷系数为0.6，电价按照平均电价0.6元/kWh 计算[15]，则整个项目新方案较常规方案空调年运行费用增加约78.2万元。

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