寇 凡 黃 翔 羅 絨 馬 健 喬小博

蒸發(fā)冷卻技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用形式探討

寇 凡1黃 翔1羅 絨1馬 健2喬小博3

（1.西安工程大學(xué) 西安 710600;2.重慶福琛興科技有限公司 重慶 400020;3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710048）

介紹了蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的三種應(yīng)用形式，并通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)論述該技術(shù)在解決目前國(guó)內(nèi)地鐵工程中存在的地鐵高架站候車(chē)區(qū)環(huán)境舒適性差、冷卻塔布置困難等問(wèn)題中發(fā)揮的重要作用。

軌道交通；高架站；蒸發(fā)冷卻；蒸發(fā)冷凝；應(yīng)用形式

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通發(fā)展速度不斷加快，已成為城市軌道交通建設(shè)里程最長(zhǎng)、建設(shè)速度最快的國(guó)家。而在能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的今天，軌道交通也在向智能、綠色的方向發(fā)展。蒸發(fā)冷卻作為一種低碳、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、健康的環(huán)?？照{(diào)技術(shù)[1]，在軌道交通行業(yè)節(jié)能進(jìn)程中扮演著重要的角色，也衍生出不同的形式以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需求。

1 單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)

隨著地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，高架線(xiàn)路在地鐵工程中也越來(lái)越多，然而地鐵高架車(chē)站公共區(qū)基于降低造價(jià)和節(jié)省能源的目的考慮大多采用自然通風(fēng)的方式。但是乘客候車(chē)區(qū)屬于半開(kāi)放的建筑形式，夏季高峰時(shí)段人流密集，采用自然通風(fēng)方式，其環(huán)境舒適性相對(duì)較差[2]。為緩解高架站臺(tái)的惡劣候車(chē)環(huán)境，各站臺(tái)均采取了一定的通風(fēng)降溫措施，表1列舉了目前高架站臺(tái)常用的幾種降溫方式。

表1 高架站臺(tái)幾種常見(jiàn)降溫方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

續(xù)表1 高架站臺(tái)幾種常見(jiàn)降溫方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

在眾多高架站臺(tái)降溫設(shè)備中，單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)以其移動(dòng)靈活、初投資及運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)成為越來(lái)越多地鐵高架站通風(fēng)降溫以及地下車(chē)站消除局部熱點(diǎn)的的首選方式。圖1為單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)在地鐵車(chē)站的應(yīng)用形式，一般貼壁放置，設(shè)備最大溫降能夠達(dá)到近12℃，出風(fēng)射程最大能達(dá)到10米以上，給來(lái)往人群帶來(lái)陣陣清涼。

圖1 單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)在地鐵站的應(yīng)用

隨著單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)在地鐵站的推廣應(yīng)用，其形式也逐漸向美觀性、實(shí)用性靠攏，圖2為廣告牌式蒸發(fā)冷卻空調(diào)器在天津地鐵高架站臺(tái)的應(yīng)用。機(jī)組風(fēng)量9000m3/h，球形風(fēng)口四面送風(fēng)，機(jī)身上設(shè)置有廣告位，可設(shè)置導(dǎo)向牌或宣傳標(biāo)語(yǔ)，將蒸發(fā)式冷氣機(jī)的實(shí)用性與媒體宣傳相結(jié)合，達(dá)到一機(jī)多用的效果。表2為廣告牌式蒸發(fā)冷卻空調(diào)的設(shè)備參數(shù)表。

圖2 廣告牌式蒸發(fā)冷卻空調(diào)在天津地鐵華山里高架站的應(yīng)用

表2 廣告牌式蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備參數(shù)

在大暑節(jié)氣對(duì)該單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)在極端工況的運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試如圖3所示。

圖3 華山里高架站廣告牌式蒸發(fā)冷卻空調(diào)降溫性能

站臺(tái)環(huán)境平均干球溫度為39.46℃，設(shè)備出風(fēng)口平均干球溫度為29.5℃，平均溫降可達(dá)9℃，蒸發(fā)冷卻效率為80%，較好的滿(mǎn)足乘客候車(chē)-乘車(chē)之間的“過(guò)渡性舒適”要求。

測(cè)試期間站臺(tái)環(huán)境的相對(duì)濕度平均為39.87，由于在填料段空氣與水發(fā)生等焓加濕降溫過(guò)程，設(shè)備出風(fēng)口處平均相對(duì)濕度84.2%，設(shè)備送入環(huán)境中與周?chē)鷼怏w混合后，送風(fēng)區(qū)域內(nèi)的相對(duì)濕度為66.7%＜70%，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013），滿(mǎn)足人員的舒適性要求。

另外使用紅外熱成像儀對(duì)站臺(tái)頂棚及設(shè)備表面溫度分布情況進(jìn)行熱成像分析如圖4所示，華山里高架站玻璃頂棚最高溫度接近70℃，盡管玻璃可折射大部分太陽(yáng)輻射熱，但人員活動(dòng)區(qū)仍然熱負(fù)荷顯著。對(duì)單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)整體進(jìn)行紅外線(xiàn)熱成像分析顯示，設(shè)備出風(fēng)均勻，無(wú)局部熱點(diǎn)存在。

圖4 頂棚及單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)溫度分布情況

由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)降溫效果與室外的氣象參數(shù)的變化密切相關(guān)，為保證機(jī)組在高溫高濕工況下的降溫效果[3]，西安工程大學(xué)與重慶某公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)單元式蒸發(fā)冷卻設(shè)備與機(jī)械制冷相結(jié)合的制冷系統(tǒng)，并搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)為風(fēng)量9000m3/h的單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)配備一臺(tái)風(fēng)冷冷水機(jī)組，單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)填料內(nèi)側(cè)設(shè)置表冷器，冷水機(jī)組制取的冷凍水分兩路，一路直接對(duì)填料進(jìn)行噴淋，另一路供給表冷器，冷水機(jī)組與蒸發(fā)冷卻空調(diào)之間設(shè)置保溫平衡水箱。圖5為試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖。對(duì)該系統(tǒng)在濕簾運(yùn)行模式和表冷器運(yùn)行模式下的性能進(jìn)行測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

表3 不同模式下的運(yùn)行參數(shù)分析

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在重慶這樣的高濕度地區(qū)，在進(jìn)風(fēng)干濕球溫差僅5℃左右時(shí)，采用濕簾噴淋冷凍水的運(yùn)行模式，機(jī)組的溫降為9℃，比單表冷器運(yùn)行的溫降略高，原因是表冷模式被處理空氣與冷凍水之間是間接換熱，濕簾噴淋冷凍水模式被處理空氣與冷凍水直接接觸，并且發(fā)生蒸發(fā)冷卻，降溫幅度更大。

2 直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組

在地下車(chē)站里，蒸發(fā)冷卻技術(shù)也發(fā)揮著重要的作用。新疆、甘肅等干燥地區(qū)，空氣干濕球溫差較大，干空氣能富足，直接蒸發(fā)冷卻有著得天獨(dú)厚的條件。在蘭州地鐵1號(hào)線(xiàn)、烏魯木齊1號(hào)線(xiàn)所采用的制冷設(shè)備就是直接蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組，如圖6所示。

圖6 直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在地鐵站的應(yīng)用

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013），地鐵通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的確定應(yīng)符合規(guī)定：在夏季當(dāng)?shù)刈顭嵩碌钠骄鶞囟瘸^(guò)25℃，且地鐵高峰時(shí)間內(nèi)每小時(shí)的行車(chē)對(duì)數(shù)和列車(chē)車(chē)輛數(shù)的乘積小于180時(shí)，應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)夏季最熱月的平均溫度超過(guò)25℃，全年平均溫度超過(guò)15℃，且地鐵高峰時(shí)間內(nèi)每小時(shí)的行車(chē)對(duì)數(shù)和每列車(chē)車(chē)輛數(shù)的乘積小于120時(shí)，應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng)[5]。以蘭州為例，通過(guò)查閱《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》對(duì)蘭州市的全年氣象參數(shù)進(jìn)行整理，其最熱月平均溫度及日平均溫度如圖7、圖8所示。

圖7 蘭州市最熱月干球溫度變化圖

圖8 蘭州市日平均溫度統(tǒng)計(jì)圖

由上圖可知，蘭州最熱月平均溫度22.4℃（＜小于25℃），全年平均溫度為10.2℃（＜15℃），1號(hào)線(xiàn)采用A型車(chē)6輛編組,列車(chē)運(yùn)行對(duì)數(shù)30對(duì)/小時(shí)，地鐵高峰時(shí)間內(nèi)每小時(shí)的行車(chē)對(duì)數(shù)和每列車(chē)車(chē)輛數(shù)的乘積數(shù)為180。根據(jù)規(guī)范要求，不具備設(shè)置空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)貫徹國(guó)家能源政策，踐行運(yùn)營(yíng)節(jié)能原則，并宜利用自然冷源。

由于蘭州特有的氣候條件資源，可直接利用豐富的干空氣能，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)對(duì)室外新風(fēng)降溫加濕達(dá)到人員的熱舒適要求，解決地下空間的通風(fēng)降溫問(wèn)題。蘭州地鐵1號(hào)線(xiàn)于2019年6月正式通車(chē)，這也成為了國(guó)內(nèi)第一條正式通車(chē)的全線(xiàn)都采用直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)降溫的地鐵線(xiàn)路。該直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，采用全新風(fēng)直流的方式，通過(guò)直接蒸發(fā)冷卻對(duì)空氣進(jìn)行降溫后，再由風(fēng)管送入站廳內(nèi)。蘭州大學(xué)站安裝2臺(tái)108000m3/h風(fēng)量的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組，在室外空氣干球溫度為30.9℃時(shí)，機(jī)組出風(fēng)溫度最低可達(dá)15.6℃，溫降可達(dá)15℃，蒸發(fā)冷卻效率96.3%，站廳環(huán)境溫度可達(dá)23℃，降溫效果顯著。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在西北等干燥地區(qū)還具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)放置在土建風(fēng)道內(nèi)，減少了機(jī)房的占地面積，節(jié)約了土建成本投入。

（2）直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的填料能夠濕式過(guò)濾，在西北風(fēng)沙較大區(qū)域，可起到凈化除塵的功效，有效改善地鐵環(huán)境的空氣品質(zhì)。

（3）直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)初投資雖與傳統(tǒng)機(jī)械制冷相比差別不大，但運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[6,7]。

3 蒸發(fā)冷凝冷水/空調(diào)機(jī)組

一般地鐵車(chē)站多采用冷卻塔+水冷冷水機(jī)組的方案，存在選址難、征地難、布置難等問(wèn)題，外加越來(lái)越重視節(jié)能環(huán)保等相關(guān)問(wèn)題，基于對(duì)地鐵空調(diào)節(jié)約空間、節(jié)能、節(jié)水等因素的考慮，很多省市的地鐵開(kāi)始將目光聚焦在蒸發(fā)式冷凝技術(shù)上，希望通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)解決地鐵工程中的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題[8,9]。

蒸發(fā)冷凝技術(shù)，利用蒸發(fā)冷卻原理對(duì)冷凝器進(jìn)行散熱，將冷凝器與冷卻塔合二為一，省去了龐大復(fù)雜的冷卻水管路，解決了冷卻塔的占地問(wèn)題。循環(huán)水量為傳統(tǒng)方式的50%～70%，整體裝配式結(jié)構(gòu)使得安裝維護(hù)十分方便，可安裝在地下室，有效消除噪聲污染，避免室外景觀影響[10]。

在廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)三元里站、廈門(mén)地鐵1號(hào)線(xiàn)、青島地鐵4號(hào)線(xiàn)全線(xiàn)、西安地鐵3號(hào)線(xiàn)魚(yú)化寨站、杭州地鐵4號(hào)線(xiàn)聯(lián)莊站、武漢地鐵6號(hào)線(xiàn)江漢路站、重慶地鐵6號(hào)線(xiàn)國(guó)博中心站等地鐵站都應(yīng)用了蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組。在廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)三元里站，安裝了1臺(tái)冷量為230kW的板管型蒸發(fā)冷凝式螺桿冷水機(jī)組，如圖9所示，經(jīng)過(guò)廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心有限公司檢測(cè)，當(dāng)提供相等冷量的前提下，板管蒸發(fā)冷卻式空調(diào)冷源系統(tǒng)所需能耗為常規(guī)風(fēng)冷空調(diào)冷源系統(tǒng)所需能耗的47.2%，節(jié)能量為后者能耗的52.8%，節(jié)能效果十分顯著。

圖9 廣州地鐵2號(hào)線(xiàn)三元里站板管型蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組

北京地鐵阜通站采用隧道嵌裝式直膨蒸發(fā)冷凝空調(diào)系統(tǒng)，蒸發(fā)式冷凝器采用多頁(yè)對(duì)開(kāi)的形式設(shè)置在排風(fēng)道內(nèi)，在非空調(diào)季節(jié)及火災(zāi)工況可旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，滿(mǎn)足不同工況的運(yùn)行需求，冷凝器管外側(cè)的噴淋水與風(fēng)道內(nèi)的低溫排風(fēng)進(jìn)行換熱溫度降低，帶走管內(nèi)制冷劑的凝結(jié)熱，實(shí)現(xiàn)制冷劑蒸氣的冷凝[11,12]。

圖10 隧道嵌裝式蒸發(fā)冷凝機(jī)組布置示意圖

圖11 多頁(yè)對(duì)開(kāi)蒸發(fā)式冷凝器

4 結(jié)論

（1）在地鐵高架站候車(chē)區(qū)域采用單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)具有耗能低、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，可以為乘客營(yíng)造一個(gè)較為舒適的乘車(chē)環(huán)境。高溫高濕地區(qū)可輔助機(jī)械制冷方式保證機(jī)組降溫效果。

（2）蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)合地鐵土建風(fēng)道設(shè)置，在干空氣能富足的地區(qū)降溫效果顯著，在我國(guó)西北地區(qū)具有良好的節(jié)能效果和推廣應(yīng)用價(jià)值。

（3）在地下車(chē)站利用蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組代替?zhèn)鹘y(tǒng)水冷冷水機(jī)組加冷卻塔的制冷方式在技術(shù)上是可行的，其解決了地鐵工程室外冷卻塔布置協(xié)調(diào)困難的工程難題。因地制宜的在軌道交通行業(yè)發(fā)展應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，對(duì)建設(shè)綠色軌道交通具有重要意義。

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Discussion on the Application Form of Evaporative Cooling Technology in Rail Transit

Kou Fan1Huang Xiang1Luo Rong1Ma Jian2Qiao Xiaobo3

( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710600; 2.Chongqing Fu Chenxing Technology Co., Ltd, Chongqing, 400020;3.China Railway First Survey And Design Institute Group Co., Ltd, Xi’an, 710048 )

This paper introduces three application forms of evaporative cooling air conditioning technology in the field of rail transit, and discusses the important role of this technology in solving the problems of waiting area environment comfort and cooling tower layout difficulty existing in domestic metro engineering through the test data.

rail transit; Elevated station; Evaporative cooling; Evaporation condensation; forms of application

1671-6612（2021）03-401-06

TU831.5

A

蘭州地鐵1號(hào)線(xiàn)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）

寇 凡（1996-），女，在讀碩士研究生，E-mail：1227627172@qq.com

黃 翔（1962-），男，教授，研究方向?yàn)檎舭l(fā)冷卻技術(shù)與建筑可再生能源理論與應(yīng)用，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2020-11-11