張 謙 馬高峰

（中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京站，北京 100005）

0 引言

室內(nèi)環(huán)境越來(lái)越受到人們的關(guān)注，但傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)大多采用機(jī)械制冷，隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)和國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，噴霧蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用逐步得到重視。蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一項(xiàng)利用水蒸發(fā)吸熱的制冷技術(shù)，具有節(jié)能、高效、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究均表明，噴霧蒸發(fā)技術(shù)可以提升空調(diào)性能，即在冷凝器周圍噴灑水霧可以使得空調(diào)系統(tǒng)能效比（COP）升高，原理在于水霧的蒸發(fā)吸熱使得冷凝器的周圍的溫度降低。

目前，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。例如，Leidenforst[1]結(jié)合前面大量學(xué)者關(guān)于蒸發(fā)式冷卻技術(shù)做的相關(guān)研究，進(jìn)一步提升了蒸發(fā)式冷卻器的效率，并針對(duì)噴淋水流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、比對(duì)和分析。在室外溫度過(guò)高時(shí)，空調(diào)室外機(jī)散熱能力降低，導(dǎo)致空調(diào)耗能增加，經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低。王曉陽(yáng)[2]針對(duì)這種情況，采用CFD的方式，模擬了在不同條件下冷凝器噴水對(duì)周圍空氣溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：噴霧后冷凝器外環(huán)境溫度降低，隨著噴霧量的增加，溫度分布更均勻，冷凝器散熱能力更強(qiáng)。Teller發(fā)明了一種利用空調(diào)冷凝水的余冷進(jìn)入冷凝器空氣的裝置，可降低新風(fēng)的溫度，達(dá)到節(jié)能的目的。韓龍娜分析了在空調(diào)的室外機(jī)加設(shè)噴霧系統(tǒng)，可以起到降溫的作用，不僅可以使COP增加，而且還能夠減少空調(diào)的能耗。

基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，結(jié)合站房工程中存在的問(wèn)題，筆者所在單位組織進(jìn)行科研攻關(guān)，研究出一種噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并在某新建高鐵站房VRV空調(diào)室外機(jī)處安裝了該系統(tǒng)，進(jìn)行了運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以研究噴霧蒸發(fā)技術(shù)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能和能耗的影響。

1 噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、閥門、氣體儲(chǔ)存罐、液體儲(chǔ)存罐、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓力表、噴嘴、風(fēng)筒、軸流風(fēng)機(jī)等，共計(jì)14個(gè)部件。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以水作為液體介質(zhì)，壓縮空氣作為氣體介質(zhì)；噴嘴的入口壓力控制在0.4 MPa左右，液體流量的變化分別為2 L/h、3 L/h、4 L/h。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，噴霧方向定為與氣流方向相同為順噴，相反為逆噴。

2 噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在鐵路站中的應(yīng)用

某高鐵站房站房總建筑面積為18.3萬(wàn)m2，以站臺(tái)邊緣為基準(zhǔn)，建筑檐口高度為36.6 m，站房屋面最高處為45.1 m。最高聚集人數(shù)為5000人，2025年高峰小時(shí)8137人，2035年高峰小時(shí)9315人，2025年日均73973人，2035年日均93151人。該站房的VRV空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)設(shè)于建筑物屋面，圖2為屋面安裝的噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。

圖2 屋面安裝的噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

當(dāng)?shù)氐南募臼彝庥?jì)算參數(shù)：空調(diào)干球溫度為33.5 ℃，空調(diào)濕球溫度為26.4 ℃，空調(diào)日平均溫度為29.6 ℃，通風(fēng)相對(duì)濕度為61%，夏季室外平均風(fēng)速為2.1 m/s。

2.1 多聯(lián)機(jī)噴霧冷卻運(yùn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)使用的噴嘴是由某高校自主研發(fā)的氣液兩相旋流霧化噴嘴。使用氣泡切割技術(shù)，將水霧化成微米大小的液滴。霧化的液滴粒徑小且分布均勻，可加速水分蒸發(fā)，達(dá)到快速降溫的效果。噴嘴的能耗較低，實(shí)際噴霧功率消耗僅約7.6 W/kg，在噴霧冷卻中節(jié)約了能源。

噴霧系統(tǒng)由氣路和水路組成，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)保持噴霧的穩(wěn)定。空壓機(jī)功率為750W，儲(chǔ)氣罐容量為24L，額定排氣壓力為0.8 MPa。單噴嘴的水流量為3L/h~5L/h時(shí)霧化效果較好，采用4個(gè)噴頭對(duì)冷凝器進(jìn)行噴霧，總流量為20 L/h。

該高鐵站房貴賓室、VIP室和售票室等房間均設(shè)置了VRV多聯(lián)機(jī)，多聯(lián)機(jī)風(fēng)冷機(jī)組為總制冷量66 kW，采用3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)，機(jī)外余壓為30 Pa。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)有多聯(lián)機(jī)房間的使用情況，分工況進(jìn)行討論和研究。只開啟1組室外機(jī)組，系統(tǒng)的制冷量在20 kW左右。采用溫濕度傳感器采集環(huán)境參數(shù)，制冷量和耗功通過(guò)制冷機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出[3-4]。

其中噴霧前的空調(diào)制冷性能系數(shù)如下。

式中：Q為空調(diào)的制冷量（kW），E為空調(diào)的耗功（kW）。

噴霧后的空調(diào)制冷性能系數(shù)如下。

式中：Q為空調(diào)的制冷量（kW），E'為空調(diào)與噴霧系統(tǒng)的總耗功（kW）。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)噴霧前后COP增加大小的影響

如圖3所示，在環(huán)境相對(duì)濕度為32%~39%時(shí)，噴霧量為20 L/h時(shí)，空調(diào)在25℃時(shí)的COP增量為3.5%，在30 ℃時(shí)COP的增量為7.5%，在35 ℃時(shí)COP的增量為8.7%，40℃時(shí)COP的增量為9.1%?？梢钥闯鲈?0 ℃以上時(shí)系統(tǒng)COP的增量要大。原因是在溫度較高的環(huán)境條件下更容易被蒸發(fā)，有利于降低冷凝器溫度，提高空調(diào)系統(tǒng)COP，這與蒸發(fā)冷卻測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖3 COP增長(zhǎng)量隨環(huán)境溫度變化

2.3 環(huán)境溫度對(duì)噴霧降溫效果的影響

在相同噴嘴位置、相同噴霧流量和相同環(huán)境濕度的情況下，筆者根據(jù)不同環(huán)境溫度下運(yùn)行來(lái)分析環(huán)境溫度對(duì)噴霧降溫效果的影響。其中噴嘴噴霧工況1的氣體體積流量為0.232m3/h，氣體質(zhì)量流量為0.2784 kg/h，水體積流量2 L/h，氣液比為0.1392，風(fēng)機(jī)機(jī)量為600 m3/h，風(fēng)速為1.71 m/s，壓力為0.4 MPa。噴嘴噴霧工況2的氣體體積流量為0.352 m3/h，水體積流量為2 L/h，氣液比為0.2112。噴嘴噴霧工況3氣體體積流量為0.256 m3/h，水體積流量為2 L/h，氣液比為0.1536。3種不同環(huán)境溫度下的溫度記錄如表1所示。

通過(guò)對(duì)比表1在不同環(huán)境溫度下的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，工況1的開始溫度為30.85 ℃，結(jié)束溫度為26.95 ℃，平均降溫幅度為3.9 ℃，工況2的開始溫度為23.25 ℃，結(jié)束溫度為20.45 ℃，平均降溫幅度為2.8 ℃，工況3的開始溫度為29.075 ℃，結(jié)束溫度為25.325 ℃，平均降溫幅度為3.75 ℃，觀察3個(gè)工況下測(cè)量出來(lái)的平均溫差可以發(fā)現(xiàn)，工況1的平均降溫幅度要比工況2和工況3的情況下要高，工況3的平均降溫幅度也要比工況2的要高，這與初始環(huán)境溫度的高低順序一致，因此總結(jié)發(fā)現(xiàn)：在其他影響因素不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，由于噴霧蒸發(fā)吸熱效果的加劇，室外機(jī)降溫幅度也會(huì)越來(lái)越大，能效提升作用也會(huì)隨之加強(qiáng)。

表1 不同噴霧流量下的溫度記錄表

2.4 噴霧量對(duì)噴霧前后COP增加大小的影響

在相同的環(huán)境溫度下對(duì)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的冷凝器進(jìn)行不同水量的噴霧，在制冷量為20 kW左右時(shí)，分別以12 L/h、16 L/h和20 L/h的噴霧量對(duì)冷凝器進(jìn)行噴淋，得到了對(duì)應(yīng)噴霧水量多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)COP的增加量。

如圖4所示，噴霧前后COP的增加量隨著水量的先增加后降低，20 L/h的噴水量對(duì)應(yīng)的增長(zhǎng)量最多。當(dāng)噴水量由12 L/h變?yōu)闉?6 L/h時(shí)，COP增長(zhǎng)量由6.2%增長(zhǎng)到8.7%，當(dāng)噴水量由16 L/h變?yōu)?0 L/h時(shí)，COP增長(zhǎng)量降為8.6%，此時(shí)增加水量并沒(méi)有帶來(lái)更大的COP增加量，這是因?yàn)楫?dāng)水流為20 L/h時(shí)，多余的水會(huì)聚在冷凝盤管上形成水膜，減少了冷凝盤管與周圍環(huán)境之間的傳熱，因此當(dāng)空調(diào)的冷負(fù)荷較低時(shí)，要注意噴霧的流量，當(dāng)水霧含量達(dá)到飽和時(shí)，降溫效果已經(jīng)達(dá)到極限，噴霧水量過(guò)大時(shí)反而會(huì)造成浪費(fèi)。

圖4 COP增長(zhǎng)量隨噴水量變化

2.5 噴霧前后空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況

在室外溫度為33 ℃，相對(duì)濕度為32%時(shí)，10:00~12:00連續(xù)一段時(shí)間8個(gè)工況，其中平均制冷能力為22.2 kW，平均整機(jī)功率（包括噴霧所用功耗）為5.2 kW，平均COP為4.05，同一條件下未噴霧平均整機(jī)功率為5.7 kW，平均COP為3.68。噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可以將系統(tǒng)COP提升 9%左右，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 室外33 ℃ 時(shí)各工況COP變化

2.6 能耗分析

通過(guò)制冷季的數(shù)百小時(shí)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)可知，室外溫度為33 ℃，平均制冷能力為22.2 kW，未噴霧時(shí)系統(tǒng)平均功率為5.7 kW，噴霧時(shí)平均功率為5.2 kW，單臺(tái)機(jī)組耗電功率降低了0.5 kW，相較未進(jìn)行噴霧降溫的系統(tǒng)，可節(jié)約8.8%的耗電量。在炎熱夏季上午10:00~12:00車站站房的人流量達(dá)到高峰時(shí)，設(shè)計(jì)制冷量為66 kW的3臺(tái)制冷機(jī)組全部開啟，且房間室內(nèi)機(jī)全部開啟。這種高峰工況下，系統(tǒng)未噴霧時(shí)，由于室外機(jī)群的集熱干擾作用，3臺(tái)室外機(jī)總耗電功率約為18.3kW，而運(yùn)行噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫時(shí)，3臺(tái)室外機(jī)總耗電功率僅為16.1kW，相較未進(jìn)行噴霧降溫的工況節(jié)約耗功2.2 kW，節(jié)電率達(dá)到12.0%。

3 結(jié)論

該文結(jié)合噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在某新建高鐵站房VRV空調(diào)室外機(jī)的應(yīng)用，通過(guò)以上噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：1）將該噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)用于某高鐵站房多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)對(duì)冷凝器進(jìn)行噴霧時(shí)，通過(guò)實(shí)測(cè)證明噴霧可顯著降低能耗，提高空調(diào)系統(tǒng)的COP。2）提高環(huán)境溫度，可加大水的蒸發(fā)強(qiáng)度，有利于降低冷凝器溫度，提高空調(diào)系統(tǒng)COP值，但當(dāng)環(huán)境溫度高于30℃后，COP的增量將不再明顯。此外，環(huán)境溫度的升高，會(huì)增大室外機(jī)降溫幅度，能效提升作用也會(huì)隨之加強(qiáng)。3）隨著噴霧水量的增加，COP會(huì)隨之先增加而后降低。實(shí)驗(yàn)中，16 L/h的噴水量對(duì)應(yīng)的COP增長(zhǎng)量最多，因此，當(dāng)空調(diào)的冷負(fù)荷較低時(shí)，要注意噴霧的流量，避免噴霧水量過(guò)大，造成水源浪費(fèi)。4）在炎熱夏天車站內(nèi)站房人流量最大，室內(nèi)冷負(fù)荷最高的時(shí)間段，VRV室外機(jī)組全部開啟，但由于室外機(jī)群集熱干擾作用，相較單臺(tái)機(jī)組工況，噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)節(jié)能效果更佳，節(jié)電率從8.8%提升至12%?？梢?，噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)非常適用于人流量大的樞紐，如鐵路客站或地鐵站房。

該文論述了一種噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于高鐵站房VRV空調(diào)系統(tǒng)，可提高空調(diào)機(jī)組的工作效率，降低系統(tǒng)能耗，具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。今后的工作將進(jìn)一步對(duì)該噴霧蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、提升，為鐵路客站的智能、綠色運(yùn)行提供新的技術(shù)選擇。