地鐵車站蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組性能的試驗研究

鄧保順，喬小博

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

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地鐵車站蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組性能的試驗研究

鄧保順，喬小博

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

摘要：詳細分析有機填料、無機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速和淋水密度，并對地鐵車站蒸發(fā)冷卻空調(diào)機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)機組； 不銹鋼填料； 布置

地鐵通風與空調(diào)系統(tǒng)常見有制冷空調(diào)系統(tǒng)和機械通風系統(tǒng)兩種基本形式。地鐵設(shè)計規(guī)范主要從節(jié)省通風空調(diào)系統(tǒng)運行能耗角度出發(fā)，對設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)有著嚴格規(guī)定，在達不到設(shè)置空調(diào)標準的地區(qū)須采用機械通風系統(tǒng)[1]，但機械通風存在車站公共區(qū)域環(huán)境舒適性差、空氣品質(zhì)低、系統(tǒng)通風量大、運行能耗較高等問題[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空調(diào)系統(tǒng)形式“蒸發(fā)冷卻地鐵通風降溫系統(tǒng)”應(yīng)運而生[4]。目前專門針對蒸發(fā)冷卻地鐵通風降溫系統(tǒng)核心設(shè)備——蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的產(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組性能(蒸發(fā)冷卻效率、設(shè)備阻力等)的各因素進行實驗測試，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)機組進行分析研究。

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填料(如CELdek、CLASdek等植物纖維填料)和無機填料(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)負荷大，所有空調(diào)設(shè)備均須安裝于地下設(shè)備機房或土建風道內(nèi)，空調(diào)設(shè)備外形尺寸及布置數(shù)量受限，設(shè)備應(yīng)滿足處理風量大、外形尺寸小的特點。因此，在提高迎面風速的情況下如何保證機組蒸發(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)機組首要解決的問題。

根據(jù)相關(guān)文獻[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速；影響填料阻力的關(guān)鍵因素為迎面風速，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、維護保養(yǎng)和清洗方便、阻力小、安全可靠、經(jīng)濟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行測試分析，即不同迎面風速、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

為更準確地測出不銹鋼填料最佳迎面風速，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行實驗測試。結(jié)合風量調(diào)節(jié)因素，將填料迎風面劃分為兩個部分，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)不同的迎面風速。

對于不同風速的填料截面及設(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為進風干球溫度，℃；tg2為出風干球溫度，℃；νa為迎面風速，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準厚度(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)最佳迎面風速為2 m/s或3m/s時蒸發(fā)冷卻效率可達到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)最佳迎面風速為3 m/s時蒸發(fā)冷卻效率可達到90.5%左右。填料阻力隨著迎面風速、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速，在2 m/s迎面風速時填料阻力最小。

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)機組熱工性能測試[13]

2.1熱工性能測試機組結(jié)構(gòu)設(shè)計

受實驗平臺測試條件限制，對確定機型填料斷面進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)兩種方式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用填料頂部滴淋布水和填料迎風面?zhèn)炔捎脟娏懿妓娜S布水方式，避免迎面風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，在進風段設(shè)導流(均流)格柵、出風段設(shè)擋水板，熱工性能測試機組結(jié)構(gòu)設(shè)計示意如圖4、圖5所示。

圖4　1號機組結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

圖5　2號機組結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

2.2熱工性能測試機組實驗測試

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 ℃、迎面風速3 m/s，在國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心風管式焓差法試驗裝置上對熱工性能機的直接蒸發(fā)冷卻效率、阻力、淋水溫度及顯熱制冷量進行熱工性能測試。測試結(jié)果如表5所示。

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

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

以采用450 mm厚填料為例，結(jié)合本次熱工性能機組測試結(jié)果表明：將整塊450 mm厚填料進行分段布置，對被處理空氣進行多級串聯(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?？紤]到地鐵工程實際處理空氣量較大、機組規(guī)模龐大的情況，為使機組結(jié)構(gòu)緊湊、整體體積較小，地鐵工程用的定型機組采用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致機組效率降低的問題，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)機組內(nèi)部不考慮布設(shè)送風機(進行單獨選配)，避免風機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，造成機組體積龐大、占用地下空間更大、且檢修維護不便。

綜上所述，地鐵車站用蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組順氣流方向依次由進風段、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)在機組填料段結(jié)構(gòu)布置時，按照計算厚度的填料進行分段布置，對被處理空氣進行多級串聯(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)機組的風機建議進行單獨選配。

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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

文獻標識碼：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)于西南交通大學暖通專業(yè)，工學學士，E-mail：dbsxjy@126.com。

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

收稿日期：2015-11-16； 修回日期：2015-12-11