鄧保順，喬小博

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司城市軌道與建筑設(shè)計院，西安　710043)

?

地鐵車站蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組性能的試驗研究

鄧保順，喬小博

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司城市軌道與建筑設(shè)計院，西安710043)

摘要：詳細(xì)分析有機(jī)填料、無機(jī)填料和金屬填料的各項物理性能，比選得出不銹鋼金屬填料更適合地鐵工程項目使用。通過實驗測試確定出地鐵用不銹鋼填料的最佳迎面風(fēng)速和淋水密度，并對地鐵車站蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組熱工性能檢測測試，結(jié)果表明:相同厚度的填料層采用分段布置熱工性能明顯優(yōu)于填料層整體布置的結(jié)構(gòu)布置方式。

關(guān)鍵詞：地鐵； 蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組； 不銹鋼填料； 布置

地鐵通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)常見有制冷空調(diào)系統(tǒng)和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)兩種基本形式。地鐵設(shè)計規(guī)范主要從節(jié)省通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗角度出發(fā)，對設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)有著嚴(yán)格規(guī)定，在達(dá)不到設(shè)置空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)須采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)[1]，但機(jī)械通風(fēng)存在車站公共區(qū)域環(huán)境舒適性差、空氣品質(zhì)低、系統(tǒng)通風(fēng)量大、運(yùn)行能耗較高等問題[2]。隨著蘭州、烏魯木齊等西北干旱及半干旱地區(qū)[3]的地鐵項目開始建設(shè)，一種適合的新型地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式“蒸發(fā)冷卻地鐵通風(fēng)降溫系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生[4]。目前專門針對蒸發(fā)冷卻地鐵通風(fēng)降溫系統(tǒng)核心設(shè)備——蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布置形式、性能等研究少之又少。本文將圍繞著影響機(jī)組性能(蒸發(fā)冷卻效率、設(shè)備阻力等)的各因素進(jìn)行實驗測試，從填料選擇、功能段確定、結(jié)構(gòu)布置方式定型設(shè)計等方面對地鐵車站用蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行分析研究。

1蒸發(fā)冷卻填料實驗測試

1.1地鐵蒸發(fā)冷卻填料選擇

目前應(yīng)用于蒸發(fā)冷卻的填料除了有機(jī)填料(如CELdek、CLASdek等植物纖維填料)和無機(jī)填料(如GLASdek玻璃纖維填料等)外，不銹鋼填料、鋁箔填料等金屬填料也越來越多的被廣泛采用。各種常見填料在熱工性能(填充方式、比表面積、吸濕性能)、阻力、物理性能、防腐和阻燃性能等各方面對比如表1所示[5]。

地鐵車站空調(diào)負(fù)荷大，所有空調(diào)設(shè)備均須安裝于地下設(shè)備機(jī)房或土建風(fēng)道內(nèi)，空調(diào)設(shè)備外形尺寸及布置數(shù)量受限，設(shè)備應(yīng)滿足處理風(fēng)量大、外形尺寸小的特點。因此，在提高迎面風(fēng)速的情況下如何保證機(jī)組蒸發(fā)冷卻效率、降低設(shè)備阻力是地鐵車站用蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組首要解決的問題。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6-12]對常見幾種填料的實驗測試研究結(jié)論匯總得出：對于填料蒸發(fā)冷卻效率的影響，CELdek植物纖維填料和GLASdek玻璃纖維填料受迎面風(fēng)速變化影響明顯高于淋水密度，鋁箔或不銹鋼金屬填料受淋水密度變化的影響明顯高于迎面風(fēng)速；影響填料阻力的關(guān)鍵因素為迎面風(fēng)速，其次是填料厚度和淋水密度，填料表面水膜層對填料阻力影響最小。

表1　各種填料的性能對比

綜上分析，結(jié)合地鐵工程使用環(huán)境特殊、檢修維護(hù)不便、要求設(shè)備壽命長等因素，從影響填料蒸發(fā)冷卻效率的各方面因素以及填料自身的物理性能(濕挺度)、阻燃性、防腐性和使用壽命長、維護(hù)保養(yǎng)和清洗方便、阻力小、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實用等方面綜合考慮，不銹鋼填料為地鐵工程使用的蒸發(fā)冷卻填料之最佳選擇。

1.2不銹鋼填料性能測試

(1)測試方案及儀器

在實驗室模擬入口空氣溫度28～33 ℃、相對濕度20%～35%、噴淋循環(huán)水溫度16～20 ℃工況下，對影響蒸發(fā)冷卻效率各主要因素進(jìn)行測試分析，即不同迎面風(fēng)速、淋水密度對不銹鋼填料蒸發(fā)冷卻效率和阻力的影響。

實驗測試的測點布置如圖1所示，具體為：

①入口A處，根據(jù)室外空氣溫、濕度變化來調(diào)節(jié)加熱量和噴水量，以保證填料入口空氣參數(shù)；

②噴霧段后B處，用于觀測填料段入口空氣參數(shù)是否符合入口條件，并獲取填料段迎面風(fēng)速；

③擋水板后C處，獲取直接填料段處理后空氣參數(shù)，并在B和C處測量填料段前后壓差，獲取填料阻力；

④水箱內(nèi)D處，測循環(huán)水溫，防止水溫過高或過低影響機(jī)組中填料蒸發(fā)冷卻效率。

圖1　實驗測試方案測點布置示意

根據(jù)測試內(nèi)容所需要的測試儀器以及測量精度見表2。

表2　測量儀器及測量精度

(2)測試邊界條件

為更準(zhǔn)確地測出不銹鋼填料最佳迎面風(fēng)速，本次實驗測試考慮分別在2、3、4、5 m/s等4檔不同空氣流速條件下進(jìn)行實驗測試。結(jié)合風(fēng)量調(diào)節(jié)因素，將填料迎風(fēng)面劃分為兩個部分，一部分填料寬×高為500 mm×830 mm，另一部分填料寬×高為300 mm×830 mm，以實現(xiàn)不同的迎面風(fēng)速。

對于不同風(fēng)速的填料截面及設(shè)備控制模式見表3。

表3　測試設(shè)備運(yùn)行控制

由蒸發(fā)冷卻效率

計算不同比表面積的填料厚度L如表4所示。式中：tg1為進(jìn)風(fēng)干球溫度，℃；tg2為出風(fēng)干球溫度，℃；νa為迎面風(fēng)速，m/s；ξ為填料的比表面積，m2/m3；L為填料厚度，m。

表4　不同比表面積下的填料厚度

L在不同風(fēng)速取平均值，則有L1=209 mm，L2=508 mm。結(jié)合目前市場填料模塊的標(biāo)準(zhǔn)厚度(一般為150 mm的倍數(shù))，本次測試不銹鋼填料厚度按300、450 mm考慮。

(3)不銹鋼填料迎面風(fēng)速、淋水密度對蒸發(fā)冷卻效率和阻力的影響測試

圖2、圖3測試結(jié)果表明：不銹鋼金屬填料蒸發(fā)冷卻效率受淋水密度變化的影響明顯高于迎面風(fēng)速。300 mm厚度的不銹鋼填料最佳淋水密度為7 200 kg/(m2·h)、對應(yīng)最佳迎面風(fēng)速為2 m/s或3m/s時蒸發(fā)冷卻效率可達(dá)到87.6%。450 mm厚度的不銹鋼填料最佳淋水密度為5 400 kg/(m2·h)、對應(yīng)最佳迎面風(fēng)速為3 m/s時蒸發(fā)冷卻效率可達(dá)到90.5%左右。填料阻力隨著迎面風(fēng)速、淋水密度的增加而增大，影響填料阻力的主要因素為迎面風(fēng)速，在2 m/s迎面風(fēng)速時填料阻力最小。

圖2　300 mm厚不銹鋼填料冷卻效率、阻力測試結(jié)果

圖3　450 mm厚不銹鋼填料冷卻效率、阻力測試結(jié)果

2蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組熱工性能測試[13]

2.1熱工性能測試機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計

受實驗平臺測試條件限制，對確定機(jī)型填料斷面進(jìn)行等比例縮放至最小單模塊尺寸，結(jié)合前述對不銹鋼填料蒸發(fā)冷卻效率和阻力測試分析，確定熱工性能測試機(jī)組的測試填料規(guī)格尺寸為高×寬×厚=1 400 mm×500 mm×450 mm和高×寬×厚=1 400 mm×500 mm×(150 mm+150 mm+150 mm)兩種方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用填料頂部滴淋布水和填料迎風(fēng)面?zhèn)炔捎脟娏懿妓娜S布水方式，避免迎面風(fēng)速過大使水分隨氣流方向移至填料后側(cè)，造成填料前側(cè)未潤濕而存在“干點”的問題[14]。另外，在進(jìn)風(fēng)段設(shè)導(dǎo)流(均流)格柵、出風(fēng)段設(shè)擋水板，熱工性能測試機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計示意如圖4、圖5所示。

圖4　1號機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

圖5　2號機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

2.2熱工性能測試機(jī)組實驗測試

依據(jù)JG/T21《空氣冷卻器與空氣加熱器性能試驗方法》規(guī)定的方法[15]，測試模擬干燥地區(qū)室外參數(shù)干球溫度30.1 ℃、濕球溫度18 ℃、迎面風(fēng)速3 m/s，在國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心風(fēng)管式焓差法試驗裝置上對熱工性能機(jī)的直接蒸發(fā)冷卻效率、阻力、淋水溫度及顯熱制冷量進(jìn)行熱工性能測試。測試結(jié)果如表5所示。

由表5可知，機(jī)組蒸發(fā)冷卻效率均超過了預(yù)期的85%以上，且2號機(jī)組填料結(jié)構(gòu)布置方式測試的各項性能指標(biāo)均明顯優(yōu)于1號機(jī)組。

3地鐵蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計

以采用450 mm厚填料為例，結(jié)合本次熱工性能機(jī)組測試結(jié)果表明：將整塊450 mm厚填料進(jìn)行分段布置，對被處理空氣進(jìn)行多級串聯(lián)處理的填料結(jié)構(gòu)布置方式為綜合較優(yōu)的一種方式。考慮到地鐵工程實際處理空氣量較大、機(jī)組規(guī)模龐大的情況，為使機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、整體體積較小，地鐵工程用的定型機(jī)組采用300 mm+150 mm厚兩組填料段兩級串聯(lián)處理空氣的布置方式。另外，避免大斷面尺寸填料表面水膜受重力因素影響而出現(xiàn)由填料頂部至底部厚度不均導(dǎo)致機(jī)組效率降低的問題，將填料分為上、下兩個模塊單元，各單元設(shè)置獨立的布水系統(tǒng)。斷面按3 m/s左右的迎面風(fēng)速、淋水密度宜控制在6 500～7 200 kg/(m2·h)范圍內(nèi)。

表5　熱工性能測試機(jī)組相關(guān)配置及測試結(jié)果

結(jié)合地鐵工程設(shè)備采購特點及蒸發(fā)冷卻處理工藝的特殊情況，地鐵用蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組內(nèi)部不考慮布設(shè)送風(fēng)機(jī)(進(jìn)行單獨選配)，避免風(fēng)機(jī)與填料段之間的間距過小(一般不宜小于2.5 m)，造成填料斷面氣流分布不均，影響機(jī)組蒸發(fā)冷卻效率和空氣大量攜帶水氣的問題，若間距過大，造成機(jī)組體積龐大、占用地下空間更大、且檢修維護(hù)不便。

綜上所述，地鐵車站用蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組順氣流方向依次由進(jìn)風(fēng)段、檢修空段、填料+噴淋水段(含檢修段)、擋水段等功能段組成，一種可行的機(jī)組設(shè)計結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6　蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

4結(jié)論

(1)結(jié)合地鐵特點綜合分析，不銹鋼填料為地鐵工程使用的蒸發(fā)冷卻填料之最佳選擇。

(2)在機(jī)組填料段結(jié)構(gòu)布置時，按照計算厚度的填料進(jìn)行分段布置，對被處理空氣進(jìn)行多級串聯(lián)處理的填料結(jié)構(gòu)布置方式為綜合較優(yōu)的一種方式。

(3)結(jié)合地鐵工程設(shè)備采購特點及蒸發(fā)冷卻處理工藝的特殊情況，地鐵用蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)建議進(jìn)行單獨選配。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]喬小博.直接蒸發(fā)冷卻地鐵通風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計探討[J].暖通空調(diào)，2012，42(S2):87-90.

[3]國家氣象科學(xué)研究院.干濕氣候區(qū)劃分(征求意見稿)[S].北京：國家氣象科學(xué)研究院，2010.

[4]盛曉文，黃翔，屈元.淺談直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)在地鐵的適用性[J].制冷技術(shù)，2013(4):59-62.

[5]劉小文，黃翔，吳志湘.直接蒸發(fā)冷卻器填料性能的研究[J].流體機(jī)械，2010，38(4):53-57.

[6]宣永梅，黃翔，武俊梅.直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)用填料的性能評價[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2005(1):6-8.

[7]魏征，耿世彬.有機(jī)填料直接蒸發(fā)冷卻試驗研究[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2009(1):22-26.

[8]黃翔，武俊梅，宣永梅.兩種填料直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)性能的實驗研究[J].制冷學(xué)報，2003(3):33-40.

[9]李鑫，黃翔，盛曉文.鋁箔填料在直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組中的性能分析[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2014(2):182-186.

[10]霍海紅，黃翔，殷清海，等.直接蒸發(fā)冷卻器填料性能測試分析[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2012，26(2):232-235.

[11]盛曉文，黃翔，屈元.直接蒸發(fā)冷卻填料的性能參數(shù)分析[C]∥2013年全國通風(fēng)技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集，2013.

[12]李鑫，黃翔，盛曉文，等.干燥地區(qū)直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫機(jī)組用不銹鋼填料的性能研究[C]∥第十九屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會論文集，2014.

[13]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安工程大學(xué).蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)在地鐵工程的應(yīng)用研究[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安工程大學(xué)，2015.

[14]黃翔，李鑫，鄧保順，等.干燥地區(qū)地鐵蒸發(fā)冷卻降溫系統(tǒng)關(guān)鍵問題的研究[C]∥2014年全國鐵路暖通年會論文集，2014.

[15]中華人民共和國建設(shè)部.JG/T21—1999空氣冷卻器與空氣加熱器性能試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

Experimental Study on Performances of Evaporative Cooling Air Handling Unit in Metro Station

DENG Bao-shun， QIAO Xiao-bo

(Institute of Urban Rail Transit and Architectural Design， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：After intensive analysis and comparison of the physical properties of organic， inorganic and metal fillers， stainless steel is proved to be the most suitable one for metro project. The optimum air velocity and spray intensity of stainless steel are determined by tests and the thermal performance of the evaporative cooling air handling unit is also tested. The results show that the filler layer of same thickness arranged in sections has better thermal performance than that arranged in whole．

Key words：Metro; Evaporative cooling air handling unit; Stainless steel filler; Layout

中圖分類號：U231+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.032

文章編號：1004-2954(2016)04-0134-04

作者簡介：鄧保順(1970—)，男，教授級高級工程師，1992年畢業(yè)于西南交通大學(xué)暖通專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：dbsxjy@126.com。

基金項目：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科研項目(院科11-51)

收稿日期：2015-11-16； 修回日期：2015-12-11