吳 磊 黃 翔 金洋帆 喬小博 牛永勝

蘭州某地鐵站直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備實(shí)測(cè)與分析

吳 磊1黃 翔1金洋帆1喬小博2牛永勝2

（1.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院 西安 710048）

介紹了蘭州某地鐵站直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的工程應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)對(duì)地鐵站內(nèi)直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備進(jìn)、出口空氣溫濕度、送風(fēng)量、機(jī)組耗水量的實(shí)際測(cè)試，分析出該蒸發(fā)冷卻設(shè)備的蒸發(fā)冷卻效率、機(jī)組制冷量。同時(shí)，還對(duì)機(jī)組蒸發(fā)冷卻填料存在的干點(diǎn)問(wèn)題和循環(huán)水泵運(yùn)行能耗高等問(wèn)題提出了后期的優(yōu)化措施。通過(guò)分析表明，該直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的出風(fēng)效果良好，能滿足該地鐵站對(duì)冷量的需求，為后期直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在軌道交通上的應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)的參考依據(jù)。

城市軌道交通；直接蒸發(fā)冷卻；驅(qū)動(dòng)勢(shì)；制冷量；蒸發(fā)效率

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)各個(gè)地區(qū)的城市軌道交通的相繼運(yùn)營(yíng)，地鐵已逐漸成為城市交通的骨干，發(fā)揮中流砥柱的作用。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，截止2019年底，我國(guó)（不含港澳臺(tái)）共有40個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路208條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)6736.2公里[1]。目前我國(guó)地鐵交通系統(tǒng)運(yùn)行能耗巨大，給地鐵運(yùn)營(yíng)公司帶來(lái)巨大壓力，而通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)達(dá)到了地鐵總能耗的40%左右；地鐵站空調(diào)系統(tǒng)只要減少耗能的30%，就能減少整個(gè)地鐵系統(tǒng)12%的運(yùn)行成本[2]。采用什么樣的方式消除地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中列車(chē)、設(shè)備、人員產(chǎn)生大量的熱負(fù)荷，已經(jīng)成為降低地鐵站運(yùn)行能耗的重要問(wèn)題。而在我國(guó)西北干燥地區(qū)，大自然中存在著豐富的干空氣能，利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)進(jìn)行降溫具有一定的經(jīng)濟(jì)性。蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國(guó)西北干燥區(qū)地鐵站的應(yīng)用，已經(jīng)有了多年的研究，其中李德輝從蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用角度對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的探討，表明蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)西北干燥地區(qū)應(yīng)用具有很好的應(yīng)用前景[3]。黃翔等通過(guò)研究蒸發(fā)冷卻技術(shù)在國(guó)內(nèi)外地鐵車(chē)站的應(yīng)用，得出該技術(shù)不僅適用于干燥地區(qū)車(chē)站大系統(tǒng),同時(shí)可應(yīng)用于全國(guó)范圍內(nèi)具有高顯熱特點(diǎn)的部分環(huán)控小系統(tǒng)設(shè)備用房[4]，李鑫等通過(guò)研究蒸發(fā)冷卻技術(shù)在干燥地區(qū)地鐵中的應(yīng)用，得出在西北干燥地區(qū)地鐵中采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)是可行的，并且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[5]，鄭程升針對(duì)烏魯木齊氣候的特殊性，分析了烏魯木齊地鐵采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)效益三方面對(duì)蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)在烏魯木齊地鐵工程中的應(yīng)用，結(jié)果表明蒸發(fā)冷卻技術(shù)在烏魯木齊地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中使用具有適宜性，并解決地面冷卻塔設(shè)置困難問(wèn)題。其在城市軌道交通中的應(yīng)用得到越來(lái)越多的業(yè)內(nèi)人士關(guān)注[6]。

通過(guò)對(duì)蘭州某地鐵站直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在運(yùn)行期間的相關(guān)測(cè)試與分析，探討直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在蘭州地區(qū)地鐵站中實(shí)際應(yīng)用的情況，為西北干燥地區(qū)的城市軌道交通建設(shè)提供一定的參考。

1 工程概述

1.1 工程概況

該地鐵站位于甘肅蘭州，車(chē)站共兩層，全部為地下建筑，地下一層為站廳公共區(qū)和車(chē)站設(shè)備管理用房區(qū)，地下二層站臺(tái)公共區(qū)。車(chē)站有效站臺(tái)長(zhǎng)度140m，站臺(tái)寬度12.5m，總高19.49m，總建筑面積24526.00m2。車(chē)站共設(shè)置4個(gè)出入口及2組風(fēng)亭；A、B號(hào)出入口位于規(guī)劃道路北側(cè)，C、D號(hào)出入口位于規(guī)劃道路南側(cè)，2組風(fēng)亭均位于規(guī)劃道路北側(cè)[7]。該地鐵站設(shè)計(jì)于2012年，在2019年啟動(dòng)運(yùn)行。

測(cè)試的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組位于地下一層車(chē)站設(shè)備管理用房區(qū)，在車(chē)站兩端各有一個(gè)，該機(jī)組結(jié)合地鐵站的實(shí)際情況將不同的功能段分布于土建風(fēng)道中[8]，合理的利用了地下空間，提高了地下空間的使用效率。機(jī)組在土建風(fēng)道內(nèi)的排放平面圖如圖1所示。

圖1 機(jī)組平面圖

該機(jī)組采用先進(jìn)的過(guò)濾及靜電殺菌凈化裝置、防火不銹鋼填料、水質(zhì)凈化設(shè)備、防火防爆變頻送風(fēng)機(jī)，機(jī)組送風(fēng)量可從0~108000m3/h自由調(diào)節(jié)。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

該直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)干球溫度為30.1℃，進(jìn)風(fēng)濕球溫度為18.2℃，設(shè)計(jì)相對(duì)濕度為34%[9]。

2 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的原理及特點(diǎn)

2.1 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的原理[7]

填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的產(chǎn)出介質(zhì)為空氣，其過(guò)程為產(chǎn)出介質(zhì)（冷風(fēng)）和工作介質(zhì)（冷卻水）直接接觸發(fā)生熱濕交換，通過(guò)水的蒸發(fā)而使產(chǎn)出介質(zhì)溫度下降，產(chǎn)出介質(zhì)的含濕量增加，被降溫的極限溫度為室外空氣的濕球溫度。在工作的過(guò)程中，循環(huán)水泵將循環(huán)水輸送到布水器上部噴嘴，噴嘴將循環(huán)水均勻地噴淋在填料表面，形成水膜，從填料底部下落的循環(huán)水將匯聚于集水箱中，循環(huán)使用。與此同時(shí)，在風(fēng)機(jī)的作用下，經(jīng)過(guò)濾的新風(fēng)會(huì)以1~5m/s的速度掠過(guò)蒸發(fā)冷卻填料，進(jìn)而促進(jìn)水膜表面水分的蒸發(fā)，帶走空氣中的顯熱熱量，將空氣進(jìn)行降溫，然后通過(guò)送風(fēng)機(jī)送出。其原理如圖2所示，空氣處理過(guò)程如圖3所示。

圖2 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組原理圖

圖3 空氣處理過(guò)程焓濕圖

2.2 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的特點(diǎn)[7]

（1）降溫效果好。

由于被降溫空氣與水直接接觸，換熱效率高，而水的蒸發(fā)潛熱巨大，所以能將空氣的溫度最大降低到其濕球溫度。

（2）加濕效果好。

直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)不僅可以使空氣的溫度得以降低，而且還具有加濕的作用，這在我國(guó)干燥地區(qū)使用是非常有益的，可減少加濕設(shè)備成本。

（3）過(guò)濾效果好。

空氣中的含塵顆粒經(jīng)過(guò)表面附有水膜的填料時(shí)，被水膜阻留下來(lái)，達(dá)到降塵的效果，使得送入站內(nèi)的空氣品質(zhì)更佳。

（4）安裝、維護(hù)方便，占地面積小，運(yùn)行費(fèi)用低。

填料式蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組利用了水蒸發(fā)時(shí)吸收大量的潛熱，機(jī)組降溫效果好[10]。相比傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)降溫機(jī)組，該機(jī)組結(jié)構(gòu)更加緊湊，占地面積小，這樣給設(shè)備的安裝、運(yùn)輸和維護(hù)提供了較大的方便，同時(shí)，還減少了運(yùn)行成本。正是因?yàn)檫@些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)降溫機(jī)組尺寸大、運(yùn)行能耗高的缺點(diǎn)。

3 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組運(yùn)行測(cè)試與分析

3.1 填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行模式

在不同的時(shí)間條件下，蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組具有不同的運(yùn)行模式[11]：

（1）當(dāng)早高峰前（5:30—7:30）、晚高峰后（20:30—23:30）時(shí)，機(jī)組干工況運(yùn)行（循環(huán)水泵關(guān)閉，送風(fēng)機(jī)開(kāi)啟）；

（3）當(dāng)平峰（9:30—16:30）時(shí)，機(jī)組濕工況運(yùn)行（循環(huán)水泵開(kāi)啟，送風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行）。

3.2 測(cè)試方法及內(nèi)容

3.2.1 直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度的測(cè)量

采用testo溫濕度自計(jì)儀測(cè)試機(jī)組進(jìn)風(fēng)截面不同位置的溫濕度值。將機(jī)組進(jìn)風(fēng)截面平均分為9個(gè)等面積的小矩形，在各小矩形中心布置溫濕度測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，最后取其平均值。機(jī)組進(jìn)、出風(fēng)截面的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，機(jī)組進(jìn)風(fēng)平均溫度按下式進(jìn)行計(jì)算[12]：

式中：為機(jī)組平均進(jìn)風(fēng)溫度，℃；為第一個(gè)記錄機(jī)組溫度數(shù)據(jù)，℃；為第n個(gè)記錄機(jī)組溫度數(shù)據(jù)，℃；為記錄機(jī)組溫度數(shù)據(jù)的數(shù)量。

3.2.2 直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組出風(fēng)溫度的測(cè)量

由于機(jī)組出風(fēng)截面不同位置的溫濕度測(cè)量方法與機(jī)組進(jìn)風(fēng)的溫濕度測(cè)量方法相同，這里就不再一一贅述。

植物的生長(zhǎng)和動(dòng)物的生活都離不開(kāi)水的滋養(yǎng)，在林木種苗培育的過(guò)程中更是如此。隨著我國(guó)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于林木種苗培育過(guò)程中的澆灌技術(shù)也在不斷完善，目前應(yīng)用較多的是滴灌技術(shù)，通過(guò)滴灌可以更加科學(xué)的按比例給水，充分滿足林木種苗生長(zhǎng)過(guò)程中的需要。

3.2.3 機(jī)組出風(fēng)截面風(fēng)速、風(fēng)量以及制冷量的測(cè)量

采用testo風(fēng)速儀測(cè)試機(jī)組進(jìn)風(fēng)截面不同位置的風(fēng)速。將機(jī)組出風(fēng)截面平均分為9個(gè)等面積的小矩形，在各小矩形中心布置風(fēng)速測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，最后取其平均值。機(jī)組出風(fēng)截面的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，按照公式（2）求出機(jī)組出風(fēng)截面風(fēng)速v、按照公式（3）計(jì)算出機(jī)組的送風(fēng)量q、按照公式（4）計(jì)算出機(jī)組的制冷量[7]：

直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組風(fēng)速的計(jì)算公式：

v=(1+2+…+v)/（2）

式中：v為斷面平均風(fēng)速，m/s；1，2，v為各個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，m/s；為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組風(fēng)量的計(jì)算公式為：

q=v·（3）

式中：q為風(fēng)量，m3/s；v為斷面平均風(fēng)速，m/s；為測(cè)定斷面的面積，m2。

直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組制冷量的計(jì)算公式為：

式中：z為直接蒸發(fā)制冷量，kW；ρ為噴嘴處空氣密度，kg/m3；L為機(jī)組風(fēng)量，m3/h；c為空氣比熱，kJ/（kg·K）；1為機(jī)組進(jìn)風(fēng)口空氣干球溫度，℃；2為機(jī)組出風(fēng)口空氣干球溫度，℃。

3.2.4 機(jī)組性能[7]

（1）對(duì)于直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備來(lái)說(shuō)，對(duì)其性能評(píng)價(jià)最重要的指標(biāo)就是設(shè)備的蒸發(fā)效率。填料式直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的蒸發(fā)效率可由下式（5）計(jì)算：

（2）機(jī)組耗水量：主要是由蒸發(fā)損失、排污損失、滴漏損失和風(fēng)吹損失組成的。其中蒸發(fā)損失和排污損失占據(jù)一大部分。填料式直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的蒸發(fā)損失可由下式（6）計(jì)算：

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

3.3.1 機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果分析

表1 機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果

表1給出了不同時(shí)間機(jī)組進(jìn)風(fēng)溫度的測(cè)試結(jié)果。從表1中可以得出，機(jī)組進(jìn)風(fēng)的干球溫度隨著時(shí)間的推移逐漸升高，由最初的22.4℃逐漸上升為30.9℃，變化較為明顯。而進(jìn)風(fēng)濕球溫度由最初的15.7℃逐漸下降為14.7℃，變化不大。干濕球溫度差由最初的6.7℃逐漸增大到16.2℃，這表明直接蒸發(fā)冷卻的驅(qū)動(dòng)勢(shì)逐漸變大，空氣被冷卻的程度將越充分。

3.3.2 機(jī)組出風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果分析

表2給出了不同時(shí)間機(jī)組出風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果。從中可以得出，機(jī)組出風(fēng)的干、濕球溫度隨著時(shí)間的推移都在逐漸降低，出風(fēng)干球溫度由最初的18.6℃逐漸降低為15.3℃，出風(fēng)濕球溫度由最初的16.3℃逐漸降低為14.6℃，兩者的變化較為明顯。出口空氣的相對(duì)濕度平均保持在90%以上，對(duì)站廳站臺(tái)公共區(qū)相對(duì)濕度過(guò)低問(wèn)題，具有一定的改善效果。最大溫降可以達(dá)到15.6℃，在站內(nèi)負(fù)荷最大的時(shí)候，可以提供最大的制冷量，來(lái)滿足負(fù)荷要求。

表2 機(jī)組出風(fēng)溫度測(cè)試結(jié)果

3.3.3 機(jī)組出風(fēng)截面風(fēng)速、風(fēng)量以及制冷量的測(cè)試結(jié)果分析

圖5 機(jī)組出風(fēng)截面風(fēng)速、風(fēng)量以及制冷量隨時(shí)間變化曲線

圖5給出了不同時(shí)間機(jī)組出風(fēng)截面風(fēng)速、風(fēng)量以及制冷量隨時(shí)間的變化曲線。從中我們可以得出隨著時(shí)間的推移，風(fēng)量及制冷量同趨勢(shì)增加。機(jī)組的風(fēng)量從43200m3/h上升為108000m3/h的過(guò)程中機(jī)組的制冷量也從54kW提高到518kW，兩者差值較大，說(shuō)明在測(cè)試范圍內(nèi)隨著的風(fēng)速的逐漸增大，機(jī)組的制冷效果越來(lái)越好，也證明了送風(fēng)量的大小對(duì)蒸發(fā)冷卻的影響很大。

3.3.4 機(jī)組性能的測(cè)試結(jié)果分析

表3給出了不同時(shí)間蒸發(fā)冷卻機(jī)組的性能測(cè)試結(jié)果，從表中我們可以得到在機(jī)組斷面風(fēng)速為1.05m/s時(shí)，機(jī)組蒸發(fā)效率只有56.7%，造成效率低的原因是機(jī)組的送風(fēng)量較小使得填料表面水膜沒(méi)有充分蒸發(fā)。而當(dāng)機(jī)組斷面風(fēng)速為1.43m/s~2.38m/s，機(jī)組的蒸發(fā)效率均達(dá)到90%以上，說(shuō)明機(jī)組斷面風(fēng)速在此區(qū)間，填料表面的水膜與空氣的接觸比較充分，機(jī)組充分的利用了空氣中的干空氣能，與填料表面水膜充分熱濕交換。隨著風(fēng)速與蒸發(fā)冷卻效率的提高，使得蒸發(fā)冷卻進(jìn)行的越充分，源源不斷的為空氣進(jìn)行降溫。與此同時(shí)，蒸發(fā)冷卻的耗水量也隨之增大。

表3 機(jī)組性能測(cè)試結(jié)果

4 存在問(wèn)題及解決措施

（1）雖然該直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組的蒸發(fā)冷卻效率較高，但在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，填料上還是存在小部分干點(diǎn)，這將直接影響機(jī)組的制冷能力，故后期的改造可以將布水方式由原來(lái)的頂部布水改為立體三維布水，以此來(lái)消除局部干點(diǎn)，提高機(jī)組的制冷能力。

（2）在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水泵是不間斷持續(xù)運(yùn)行的，這樣是不節(jié)能的。在后期的優(yōu)化中可以將循環(huán)水泵間歇運(yùn)行，采用間歇布水的方式，來(lái)降低機(jī)組的運(yùn)行能耗，以此來(lái)提高機(jī)組的節(jié)能性。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)機(jī)組進(jìn)風(fēng)平均干球溫度30.0℃時(shí)，機(jī)組的出風(fēng)平均干球溫度能到達(dá)15.6℃，溫降14.4℃，降溫效果非常明顯。說(shuō)明在蘭州某地鐵站應(yīng)用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是非常適合的，以后在干燥地區(qū)地鐵站空調(diào)都可采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)。

（2）在蒸發(fā)冷卻空調(diào)中，風(fēng)量與冷量的變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明風(fēng)是制冷量的載體，只有確保充足的空氣量，才能保證正常制冷量的產(chǎn)出。

（3）當(dāng)機(jī)組截面風(fēng)速在1.43m/s～2.38m/s時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)冷卻效率均可達(dá)到90%以上，說(shuō)明該地鐵站用填料式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的最佳風(fēng)速應(yīng)保持在1.43m/s～2.38m/s之間，才能保證機(jī)組高效運(yùn)行。

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Test and Analysis of Application of Direct Evaporative Cooling Equipment in a Metro Station in Lanzhou, Gansu

Wu Lei1Huang Xiang1Jin Yangfan1Qiao Xiaobo2Niu Yongsheng2

( 1.Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048;2.China Railway First Survey And Design Institute Group Co., Ltd, Xi’an, 710048 )

This paper introduces the engineering application example of direct evaporative cooling equipment in a subway station in Lanzhou. Through the actual test of inlet and outlet air temperature and humidity, air supply volume and unit water consumption of the direct evaporative cooling equipment in the subway station, the evaporative cooling efficiency and cooling capacity of the unit are analyzed. At the same time, the dry point problem of evaporative cooling packing and high energy consumption of circulating water pump are put forward. The analysis shows that the air outlet effect of the direct evaporative cooling air conditioning unit is good, which can meet the demand of cooling capacity of the subway station, and provides a practical reference for the application of direct evaporative cooling technology in rail transit in the later stage.

urban rail transit; directevaporative cooling; driving potential; refrigerating capacity; evaporation efficiency

TU831.6

A

1671-6612（2021）02-249-05

蘭州地鐵1號(hào)線直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測(cè)研究（編號(hào)：19-53-01）

吳 磊（1994.6-），男，在讀研究生，E-mail：635944561@qq.com

黃 翔（1962.7-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2020-10-14