蘭州某地鐵站蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)測試與應用研究

吳 磊 黃 翔 金洋帆 常健佩 劉振宇 李朝陽 喬小博 鄧保順 李德輝 侯衛(wèi)華 王志濤 牛永勝

蘭州某地鐵站蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)測試與應用研究

吳 磊1黃 翔1金洋帆1常健佩1劉振宇1李朝陽1喬小博2鄧保順2李德輝2侯衛(wèi)華2王志濤2牛永勝2

（1.西安工程大學 西安 710048；2.鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710048）

介紹了蘭州某地鐵站蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)中機組進出風溫度、站廳站臺公共區(qū)環(huán)境溫濕度、空氣品質的實際測試，分析出該系統(tǒng)在實際運行過程中的情況。同時，對該系統(tǒng)中現存的一些問題，進行了分析說明，并提出了后期的優(yōu)化改進措施。最終的測試結果表明，該蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)的運行情況較好，車站內公共區(qū)的降溫效果良好，為以后蒸發(fā)冷卻技術在軌道交通上的應用提供借鑒。

城市軌道交通；蒸發(fā)冷卻；站廳站臺公共區(qū)；空氣品質

0 引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，化石燃料大量不充分燃燒，環(huán)境的問題日益嚴重，冰川融化，海平面上升，以及造成含硫含氮氧化物的大量排放形成酸雨，霧霾問題等嚴重破壞大自然中建筑物結構以及動植物的生存。能源危機和環(huán)保壓力日益加大，人類的生存面臨極大的威脅，我們有責任從現在做起，從身邊做起，減少這些污染物的排放，還一個可持續(xù)發(fā)展的地球?，F如今，節(jié)能減排的號角已經吹響，各行各業(yè)已經將節(jié)能減排提上日程，努力的在利用一些清潔的能源來滿足自己在生產過程的需求。在交通行業(yè)中，全國各大城市大力興建軌道交通，以快速、便捷、不堵車等優(yōu)點成為人們出行的首要選擇[1,2]。減少了人們采用小轎車的出行方式，降低了碳排放量，緩解了城市道路的交通壓力，提高了人民的出行滿意度，使得人民的出行效率、工作效率的提高，加快了社會的發(fā)展[3]。據官方統(tǒng)計，截止2019年底，我國（不含港澳臺）共有40個城市開通城市軌道交通運營線路208條，運營線路總長6736.2公里[4]。地鐵站不同于一般的建筑，它存在于地下，屬于地下空間。這也就造成了在地鐵運營的過程中，列車、設備、人員將產生大量的熱濕負荷，難以消除。而用傳統(tǒng)的機械制冷來消除站內的熱濕負荷，其能耗高，并且氟利昂的泄漏還會污染環(huán)境，這時就需要一個節(jié)能環(huán)保的空調來代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械制冷消除站內的余熱余濕。而在我國廣大西北干燥地區(qū)，大自然中存在著豐富的干空氣能，利用可再生的干空氣能來對地鐵站進行通風降溫已成為節(jié)能減排的關鍵[5]。并且，蒸發(fā)冷卻技術在我國西北干燥區(qū)的應用，已經有了多年的研究，其作為低碳、節(jié)能、經濟、健康的綠色空調技術，將在軌道交通中扮演著重要的角色[6,7]。

本文通過對甘肅蘭州某地鐵站蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)在運行期間的相關測試與分析，探討直接蒸發(fā)冷卻技術在蘭州地區(qū)地鐵站中的應用效果，為系統(tǒng)后期的優(yōu)化以及為西北地區(qū)其他城市軌道交通建設提供一定的借鑒。

1 工程概述

1.1 工程概況

該地鐵站位于甘肅蘭州，車站采用島式雙柱三跨箱型框架結構，共兩層，全部為地下建筑，地下一層為站廳公共區(qū)和車站設備管理用房區(qū)，地下二層站臺公共區(qū)。車站遠期高峰客流量為9000人/h，車站總長220.4m，標準段內徑寬度為17.3m，總高19.49m，結構底板埋深22.654m，頂板覆土3.164m，有效站臺長度140m，站臺寬度12.5m，總建筑面積24526.00m2。車站共設置4個出入口及2組風亭；A、B號出入口位于規(guī)劃道路北側，C、D號出入口位于規(guī)劃道路南側，2組風亭均位于車站北 側。[8]

本次測試的蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)位于地下一層站廳公共區(qū)和地下二層站臺公共區(qū)，該系統(tǒng)由位于車站兩端土建風道中的直接蒸發(fā)冷卻空調機組提供冷量，通過送風機、送風管的輸送，到達站廳站臺公共區(qū)，消除站廳站臺公共區(qū)的熱濕負荷。該系統(tǒng)在站廳站臺公共區(qū)的位置如圖1、圖2所示。

圖1 站廳公共區(qū)系統(tǒng)平面圖

圖2 站臺公共區(qū)系統(tǒng)平面圖

該系統(tǒng)采用少送多排的運行方式有效的解決了站內濕度大的問題。

1.2 設計參數

該蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)設計站廳公共區(qū)空氣干球溫度29℃，站臺公共區(qū)空氣干球溫度28℃，相對濕度為50%~70%。

2 蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)的工作原理及特點

2.1 蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)的工作原理

該蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)采用直接蒸發(fā)冷卻空調機組產出的空氣，在送風機的作用下，通過風管的輸送，到達被調節(jié)的區(qū)域，消除該區(qū)域的余熱余濕。而此空氣通過風管的輸送時會有一定的溫升，使得送風狀態(tài)點O點的空氣干球溫度高于機組出風L點的空氣干球溫度?？諝馓幚磉^程如圖3所示。

圖3 空氣處理過程焓濕圖

2.2 蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)的特點

（1）站內空氣含塵量低。

空氣中的可吸入固體顆粒經過蒸發(fā)冷卻機組填料時，被水膜阻留下來，達到降塵的效果，使得送入站內的空氣固體顆粒物含量較低。

（2）站內空氣氧氣含量高。

由于此蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)采用的是全新風模式，所以，站內空間有充足的氧氣。

（3）站內空氣二氧化碳含量低。

在站內的工作人員以及乘客，會產生大量的二氧化碳，通過此系統(tǒng)，可將二氧化碳排至站外。

3 蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)的運行測試與分析

3.1 蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)的運行模式

在不同的時間條件下，蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)具有不同的運行模式[9]：

（1）當早高峰前（5:30~7:30）、晚高峰后（20:30~23:30）時，系統(tǒng)中直接蒸發(fā)冷卻機組干工況運行（循環(huán)水泵關閉，送風機開啟）；

（2）當早高峰（7:30~9:30）、晚高峰（16:30~ 20:30）時，系統(tǒng)中直接蒸發(fā)冷卻機組濕工況運行（循環(huán)水泵開啟，送風機全速運行）；

（3）當平峰（9:30~16:30）時，系統(tǒng)中直接蒸發(fā)冷卻機組濕工況運行（循環(huán)水泵開啟，送風機變頻運行）。

3.2 測試方法及內容

3.2.1 直接蒸發(fā)冷卻機組進、出風溫濕度的測量

采用testo溫濕度自計儀測試機組進、出風截面不同位置的溫濕度值。將機組進、出風截面平均分為9個等面積的小矩形，在各小矩形中心布置溫濕度測點來進行測量，最后取其平均值。機組進、出風截面的測點布置如圖4所示，機組進、出風平均溫度按下式進行計算[10]：

式中：為機組平均進風溫度，℃；為第一個記錄機組溫度數據，℃；為第n個記錄機組溫度數據，℃；為記錄機組溫度數據的數量。

3.2.2 站廳站臺公共區(qū)環(huán)境溫濕度的測量

在站廳站臺公共區(qū)的人流密集區(qū)和人流非密集區(qū)各選取兩個測點位置，如表1所示。分別采用testo溫濕度自記儀，將其用尼龍繩掛在天花板上的粘貼掛鉤上，豎向每隔0.5m，布置一個測點，使其最低的一個測點落在距站廳站臺地面1.5m處（人體熱感區(qū)）區(qū)域。

表1 站廳站臺公共區(qū)測點位置情況

3.2.3 站廳站臺公共區(qū)空氣品質的測量

在站廳站臺公共區(qū)的人流密集區(qū)和人流非密集區(qū)各選取兩個測點位置，如表1所示。分別用尼龍繩將空氣質量檢測儀、CO2檢測儀，掛在天花板上的粘貼掛鉤上，使其位置在距站廳站臺地面1.7m處（人活動區(qū)域）區(qū)域。

3.3 測試結果分析

3.3.1 機組進、出風溫度測試結果分析

從圖5中可以得出，機組進風的干球溫度隨著時間的推移逐漸升高，由最初的22.4℃逐漸上升為30.9℃，變化較為明顯。而進風濕球溫度由最初的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℃，而機組的出風干球溫度由18.6℃降低為15.3℃，說明隨著進風干濕球溫度差的增大，蒸發(fā)冷卻的效果越好。同時，從圖中可以看出在機組進風干球溫度30.9℃的情況下，機組出風干球溫度能達到15.3℃，溫降15.6℃，降溫非常明顯。這也保證了在站外溫度高的情況下，直接蒸發(fā)冷卻機組可以給站廳站臺公共區(qū)提供充足的冷量，保證站內溫度不隨站外空氣溫度的升高而升高，滿足站內人員和設備的需求。

圖5 機組進、出風溫度隨時間變化曲線

3.3.2 站廳站臺公共區(qū)環(huán)境溫濕度測量結果分析

如圖6所示，站廳公共區(qū)的平均溫度保持在23.48℃，相對濕度保持在50.70%；站臺公共區(qū)的平均溫度保持在22.25℃，相對濕度保持在53.57%，站廳公共區(qū)環(huán)境溫度比站臺公共區(qū)高1℃左右，兩者的相對濕度相差不大。站廳公共區(qū)人流非密集區(qū)ZTL7測點位置的溫度遠低于其他幾個測點位置的溫度，在實際測試過程中該區(qū)域幾乎沒有乘客經過，沒有人員負荷，所以造成了局部溫度過低。站臺公共區(qū)人流非密集區(qū)TL5測點位置的溫度遠低于其他幾個測點位置的溫度，在實際測試過程中該區(qū)域距離扶梯口較遠，沒有乘客到此區(qū)域排隊候車，因此沒有人員負荷，所以造成了局部溫度過低?？傮w的測試結果表明站廳站臺公共區(qū)的環(huán)境溫度均低于設計值，相對濕度在設計范圍內，滿足設計要求。

3.3.3 站廳站臺公共區(qū)空氣品質的測量結果分析

如圖7所示，站廳公共區(qū)平均PM2.5含量為44.75μg/m3，CO2含量為651.75ppm，站臺公共區(qū)平均PM2.5含量為51.75μg/m3，CO2含量為615ppm，站臺公共區(qū)的PM2.5含量比站廳公共區(qū)高，這是因為此地鐵站采用的是安全門系統(tǒng)，在門的頂部有一排百葉風口與軌行區(qū)相連，在列車進站的過程中，在活塞風的作用下，軌行區(qū)一部分風通過軌頂風道排至站外，而另一部分空氣將軌行區(qū)的塵土通過百葉風口送入站臺公共區(qū)，造成PM2.5含量過高。而站臺公共區(qū)的CO2含量比站廳公共區(qū)低，這是因為在列車駛離車站的時候，在活塞風的作用下，會將站臺公共區(qū)的空氣通過百葉風口吸入軌行區(qū)，進而排出至站外。站廳公共區(qū)ZTC3測點位置的CO2含量較低的原因是選擇該入口處進站的乘客數量較少，而站臺公共區(qū)TC7測點位置的CO2含量較高，這是由于乘客在下了扶梯后，就近選擇了該區(qū)域停留，等候列車的到來。

圖7 站廳站臺公共區(qū)空氣品質曲線

4 存在問題及解決措施

（1）根據測試結果顯示，站廳站臺公共區(qū)的環(huán)境溫度、濕度都能滿足設計標準。但存在局部溫度過低情況，建議給人員停留較少的非公共區(qū)減少送風量，可以將此區(qū)域的送風口減小或在此風口加裝電動風閥，以調節(jié)送風量的大小，進而來控制該區(qū)域的環(huán)境溫度。

（2）在測試現場發(fā)現站廳站臺公共區(qū)的百葉風口在送風量較大的情況下，產生振動，噪音大，易給乘客造成心理恐慌。對此，可將百葉風口的葉片加厚或將百葉風口的葉片均分為四個，縮短其長度，以增強其堅挺度。

（3）站臺公共區(qū)人流密集區(qū)的空氣品質相對較差。建議在剛下扶梯位置，地面上做出明顯的導流標識，將乘客向車站中部區(qū)域進行引導，以改善局部問題。

5 結論

（1）根據實測結果顯示，該地鐵站蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)中機組的制冷效果非常好，降溫效果明顯，產生的冷量可以滿足該地鐵站的冷負荷要求。

（2）風量是冷量的攜帶者，只有保證充足的送風量，才能確保在站廳站臺公共區(qū)的環(huán)境溫度滿足設計要求。

（3）實測結果表明，站廳站臺公共區(qū)環(huán)境的PM2.5含量過高，其原因是直接蒸發(fā)冷卻機組將水進行了霧化送到站內公共區(qū)環(huán)境中，并不是站外環(huán)境中的固體顆粒物導致PM2.5上升。

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[2] 高源基.直接蒸發(fā)冷卻通風空調系統(tǒng)方案在蘭州地鐵的實驗研究[J].制冷與空調,2016,30(3):340-344.

[3] 鄭程升.蒸發(fā)冷卻技術在烏魯木齊地鐵的應用分析[J].制冷與空調,2015,15(8):60-64,38.

[4] 中國城市軌道交通協(xié)會.城市軌道交通2019年度統(tǒng)計和分析報告[EB/OL].2020.

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[10] 張學助等.空調試調[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

Test and Application of Evaporative Cooling Ventilation Cooling System in a Subway Station in Lanzhou in a Metro Station

Wu Lei1Huang Xiang1Jin Yangfan1Chang Jianpei1Liu Zhenyu1Li Zhaoyang1Qiao Xiaobo2Deng Baoshun2Li Dehui2Hou Weihua2Wang Zhitao2Niu 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 evaporative cooling ventilation and cooling system of a subway station in Lanzhou. Through the actual test of the air temperature in and out of the unit, the ambient temperature and humidity in the public area of the station hall and platform, and the air quality in the system, the actual operation of the system is analyzed. At the same time, some existing problems in the system are analyzed and explained, and the optimization and improvement measures in the later stage are put forward. The final test results show that the operation of the evaporative cooling ventilation cooling system is good, and the cooling effect of the public area in the station is good, which meets the design requirements, and provides reference for the later application of evaporative cooling technology in rail transit.

urban rail transit; evaporative cooling; Public area of station hall and platform; Air quality

TU831.6

A

1671-6612（2021）01-101-05

蘭州地鐵1號線直接蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)運行實測研究（編號：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

2020-09-03