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 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，并通過測試數(shù)據(jù)論述該技術(shù)在解決目前國內(nèi)地鐵工程中存在的地鐵高架站候車區(qū)環(huán)境舒適性差、冷卻塔布置困難等問題中發(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，我國城市軌道交通發(fā)展速度不斷加快，已成為城市軌道交通建設(shè)里程最長、建設(shè)速度最快的國家。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)保空調(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，高架線路在地鐵工程中也越來越多，然而地鐵高架車站公共區(qū)基于降低造價和節(jié)省能源的目的考慮大多采用自然通風(fēng)的方式。但是乘客候車區(qū)屬于半開放的建筑形式，夏季高峰時段人流密集，采用自然通風(fēng)方式，其環(huán)境舒適性相對較差[2]。為緩解高架站臺的惡劣候車環(huán)境，各站臺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常用的幾種降溫方式。

表1 高架站臺幾種常見降溫方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比

續(xù)表1 高架站臺幾種常見降溫方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比

在眾多高架站臺降溫設(shè)備中，單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)以其移動靈活、初投資及運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)成為越來越多地鐵高架站通風(fēng)降溫以及地下車站消除局部熱點(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，給來往人群帶來陣陣清涼。

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，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%，較好的滿足乘客候車-乘車之間的“過渡性舒適”要求。

測試期間站臺環(huán)境的相對濕度平均為39.87，由于在填料段空氣與水發(fā)生等焓加濕降溫過程，設(shè)備出風(fēng)口處平均相對濕度84.2%，設(shè)備送入環(huán)境中與周圍氣體混合后，送風(fēng)區(qū)域內(nèi)的相對濕度為66.7%＜70%，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013），滿足人員的舒適性要求。

另外使用紅外熱成像儀對站臺頂棚及設(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輻射熱，但人員活動區(qū)仍然熱負(fù)荷顯著。對單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)整體進(jìn)行紅外線熱成像分析顯示，設(shè)備出風(fēng)均勻，無局部熱點(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)臺進(jìn)行測試，試驗(yàn)臺為風(fēng)量9000m3/h的單元式蒸發(fā)冷卻空調(diào)配備一臺風(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)臺實(shí)物圖。對該系統(tǒng)在濕簾運(yùn)行模式和表冷器運(yùn)行模式下的性能進(jìn)行測試結(jié)果如表3所示。

圖5 試驗(yàn)臺實(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，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號線、烏魯木齊1號線所采用的制冷設(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^25℃，且地鐵高峰時間內(nèi)每小時的行車對數(shù)和列車車輛數(shù)的乘積小于180時，應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)夏季最熱月的平均溫度超過25℃，全年平均溫度超過15℃，且地鐵高峰時間內(nèi)每小時的行車對數(shù)和每列車車輛數(shù)的乘積小于120時，應(yīng)采用空調(diào)系統(tǒng)[5]。以蘭州為例，通過查閱《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》對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號線采用A型車6輛編組,列車運(yùn)行對數(shù)30對/小時，地鐵高峰時間內(nèi)每小時的行車對數(shù)和每列車車輛數(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)貫徹國家能源政策，踐行運(yùn)營節(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)降溫問題。蘭州地鐵1號線于2019年6月正式通車，這也成為了國內(nèi)第一條正式通車的全線都采用直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)降溫的地鐵線路。該直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，采用全新風(fēng)直流的方式，通過直接蒸發(fā)冷卻對空氣進(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，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：

（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、布置難等問題，外加越來越重視節(jié)能環(huán)保等相關(guān)問題，基于對地鐵空調(diào)節(jié)約空間、節(jié)能、節(jié)水等因素的考慮，很多省市的地鐵開始將目光聚焦在蒸發(fā)式冷凝技術(shù)上，希望通過這項(xiàng)技術(shù)解決地鐵工程中的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題[8,9]。

蒸發(fā)冷凝技術(shù)，利用蒸發(fā)冷卻原理對冷凝器進(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號線三元里站、廈門地鐵1號線、青島地鐵4號線全線、西安地鐵3號線魚化寨站、杭州地鐵4號線聯(lián)莊站、武漢地鐵6號線江漢路站、重慶地鐵6號線國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號線三元里站，安裝了1臺冷量為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)過廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司檢測，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號線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)式冷凝器采用多頁對開的形式設(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 多頁對開蒸發(fā)式冷凝器

4 結(jié)論

（1）在地鐵高架站候車區(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)，可以為乘客營造一個較為舒適的乘車環(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，在我國西北地區(qū)具有良好的節(jié)能效果和推廣應(yīng)用價值。

（3）在地下車站利用蒸發(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號線直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)降溫系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測研究（編號：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