蒸發(fā)冷卻（凝）技術在國內(nèi)外地鐵站的應用研究

吳 磊 黃 翔 常若新 寇 凡 喬小博

蒸發(fā)冷卻（凝）技術在國內(nèi)外地鐵站的應用研究

吳 磊1黃 翔1常若新1寇 凡1喬小博2

（1.西安工程大學城市規(guī)劃與市政工程學院 西安 710048;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院 西安 710048）

根據(jù)目前國內(nèi)軌道交通運營入不敷出的實際情況，介紹了節(jié)能環(huán)保的蒸發(fā)冷卻（凝）技術以及蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)的應用形式，并對國內(nèi)外不同地鐵站使用的蒸發(fā)冷卻（凝）空調(diào)系統(tǒng)實際工程進行了詳細介紹，對不同地區(qū)地鐵站應采取怎樣的空調(diào)系統(tǒng)才能更好地節(jié)能進行了分析說明?？偨Y出最大限度的利用自然冷源，在不同地區(qū)因地制宜的采用不同形式的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，才能達到節(jié)能的目的，降低地鐵站運營成本，這也將是未來地鐵站節(jié)能的發(fā)展方向。

軌道交通；直接蒸發(fā)冷卻；間接蒸發(fā)冷卻；干通道；濕通道；蒸發(fā)冷凝

0 引言

近年來，我國的各大城市正在大力建設地鐵，隨著城市地鐵的飛速發(fā)展，高能耗顯得尤為突出。許多資料表明，大多數(shù)的地鐵站能耗分布如圖1所示，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到40％。巨大的運行能耗，給地鐵運營公司帶來巨大壓力，而通風空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)達到地鐵站總能耗的40%左右；地鐵站空調(diào)系統(tǒng)只要減少耗能30%，就能減少整個地鐵系統(tǒng)12%的運行成本[1]。在列車牽引設備無法升級的情況下，地鐵站想要減少碳排放、降低耗電量和運行費用，必須選擇更加節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。在地鐵非牽引的能耗中，通風空調(diào)設備的能耗占據(jù)了絕大部分的比例。據(jù)不完全統(tǒng)計（31個城市），2019年，全國平均運營收支比為72.7%，其中，運營收支比超過100%的城市僅有杭州、深圳、北京、青島4市，均為資源經(jīng)營收入高的城市；其余城市運營收支比均低于100%。整體來看，城軌交通運營成本入不敷出依然是普遍狀況，需要政府補貼。整體來看，城市軌道交通運營普遍存在著入不敷出的現(xiàn)象[2]。因此，地鐵站節(jié)能勢在必行也刻不容緩，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是地鐵站節(jié)能的重中之重，也是地鐵站降低能耗的重要途徑?？梢哉f空調(diào)系統(tǒng)的能耗決定了地鐵站是否可以扭虧轉盈。

盛曉文[3]、李鑫[4]通過對蘭州地區(qū)的的氣象參數(shù)進行分析，從理論上分析了在蘭州地區(qū)地鐵站采用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的可行性，并對在應用過程中的關鍵問題進行了剖析。黃翔[5]、高源基[6]結合蘭州的氣候特性，采用理論與測試相結合的方法對應用于蘭州地鐵站的直接蒸發(fā)冷卻通風降溫試驗樣機進行了研究，提出了實際應用的技術方案。筆者將對蒸發(fā)冷卻（凝）在國內(nèi)外地鐵站的應用進行詳細介紹，旨在推動蒸發(fā)冷卻（凝）技術在地鐵站更多的應用，為地鐵站節(jié)能運行做出應有的貢獻。

圖1 地鐵站能耗分布

Fig.1 Energy consumption distribution of subway station

1 蒸發(fā)冷卻技術

蒸發(fā)冷卻技術是一項利用水蒸發(fā)吸熱制冷的綠色節(jié)能技術[7]，蒸發(fā)冷卻技術是利用空氣與水的直接接觸，由于兩者間的水蒸氣分壓力差以及溫差利用水的蒸發(fā)潛熱進行制冷，其本身以水作為制冷劑而替代了傳統(tǒng)制冷劑，節(jié)能、環(huán)保、無污染。按照被處理空氣與水的接觸方式不同，蒸發(fā)冷卻一般可分為直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻、蒸發(fā)冷凝[8]。

表1 機械制冷與蒸發(fā)冷卻的費用對比

1.1 直接蒸發(fā)冷卻技術

當流動的空氣與水發(fā)生直接接觸時，空氣會源源不斷給水傳遞顯熱，以降低自己的溫度，同時，由于水吸收熱量而釋放汽化潛熱，也降低自身的溫度。這種以顯熱換潛熱的技術稱為直接蒸發(fā)冷卻技術[9]。應用該技術的蒸發(fā)冷卻空調(diào)按照形式來分主要有冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)和冷風式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)。

1.2 間接蒸發(fā)冷卻技術

產(chǎn)出介質(zhì)（空氣或水）與工作介質(zhì)（空氣或水）間接接觸，僅進行顯熱交換，產(chǎn)出介質(zhì)與工作介之間不存在質(zhì)的交換，以獲取冷風或冷水的技術。這種依靠顯熱傳遞熱量的技術稱為間接蒸發(fā)冷卻技術[10]。應用該技術的主要有間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組和間接蒸發(fā)冷卻冷水機組。

1.3 蒸發(fā)冷凝技術

蒸發(fā)冷凝技術的核心是蒸發(fā)式冷凝器，工作時，啟動水泵和風機，此時水箱中的水經(jīng)過水泵的抽吸作用通過噴嘴噴出，淋在換熱盤管表面，形成均勻的水膜；空氣由進風口進入，由于風機作用，強迫掠過盤管表面后排出?？諝庠诒P管表面與水膜接觸，水膜和空氣在溫度差和水蒸氣分壓力差的共同作用下進行熱質(zhì)交換，發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻過程，水膜表面溫度被降低，然后通過換熱盤管的導熱作用，冷卻管內(nèi)介質(zhì)，使高溫高壓的制冷劑蒸汽冷凝成低溫的制冷劑液體，冷凝熱被管外側空氣通過風機排到外界[11]。

2 蒸發(fā)冷卻技術應用于地鐵站的形式

2.1 直接蒸發(fā)冷卻

2.1.1 冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組主要利用高壓柱塞泵將水壓提高至7MPa，然后將加壓后的水經(jīng)耐高壓管線送至專業(yè)噴嘴將其霧化，產(chǎn)生直徑為3～15μm的微霧顆粒，使其能夠迅速從空氣中吸收熱量完成汽化并擴散，從而達到對空氣既加濕又降溫的目的[12]，如圖2所示。

圖2 冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

Fig.2 Cold fog direct evaporative cooling air conditioning unit

2.1.2 冷風式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

冷風式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)主要當站外空氣經(jīng)過填料時，與填料表面的水膜接觸，空氣與水發(fā)生熱濕交換，得到等焓降溫加濕的空氣，如圖3所示。

圖3 冷風式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

Fig.3 Cold air direct evaporative cooling air conditioning unit

2.2 間接蒸發(fā)冷卻

2.2.1 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

一般有兩股互不接觸的空氣，二次空氣在二次風送風機的作用下進入到間接蒸發(fā)冷卻器濕通道中，與附著在濕通道表面上的水膜進行熱濕交換，使得局部被降溫，進而來冷卻干通道內(nèi)的一次空氣，使得一次空氣被等濕冷卻，如圖4所示。

圖4 間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

Fig.4 Indirect evaporative cooling air conditioning unit

2.2.2 間接預冷式蒸發(fā)冷卻冷水機組

間接預冷式蒸發(fā)冷卻冷水機組，其主要由表冷器與淋水填料等換熱系統(tǒng)、風機與水泵等動力系統(tǒng)以及電氣自控系統(tǒng)組成，如圖5所示。

圖5 間接預冷式蒸發(fā)冷卻冷水機組

Fig.5 Indirect pre cooling evaporative cooling chiller

2.3 多級蒸發(fā)冷卻

2.3.1 二級蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

二級蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組，其主要由一個間接蒸發(fā)冷卻段和一個直接蒸發(fā)冷卻段串聯(lián)組成，使得空氣先等濕降溫，然后再等焓降溫，如圖6所示。

圖6 間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

Fig.6 Indirect direct evaporative cooling air conditioning unit

2.3.2 三級蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

三級蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組，其主要由兩個間接蒸發(fā)冷卻段和一個直接蒸發(fā)冷卻段串聯(lián)組成，使得空氣經(jīng)過兩次等濕降溫后，再等焓降溫，如圖7所示。

圖7 間接—間接—直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組

Fig.7 Two stage indirect direct evaporative cooling air conditioning unit

2.4 蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合

蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合空調(diào)機組，其主要是由一個間接蒸發(fā)冷卻段、機械制冷段、直接蒸發(fā)冷卻段組成，通過間接蒸發(fā)冷卻段的二次排風來給機械制冷冷凝器散熱，如圖8所示。

圖8 蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合空調(diào)機組

Fig.8 Evaporative cooling and mechanical refrigeration combined air conditioning unit

2.5 蒸發(fā)冷凝

蒸發(fā)冷凝的核心是蒸發(fā)式冷凝器，它將冷卻塔和冷凝器“合二為一”，以空氣和水作為冷卻介質(zhì)，其原理如圖9所示。蒸發(fā)式冷凝器主要由噴淋裝置、風機、換熱盤管、水箱、循環(huán)水泵、擋水板等組成。工作時，啟動水泵和風機，此時水箱中的水經(jīng)過水泵的抽吸作用通過噴嘴噴出，淋在換熱盤管表面，形成均勻的水膜；空氣由進風口進入，由于風機作用，強迫掠過盤管表面后排出?？諝庠诒P管表面與水膜接觸，水膜和空氣在溫度差和水蒸氣分壓力差的共同作用下進行熱質(zhì)交換，發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻過程，水膜表面溫度被降低，然后通過換熱盤管的導熱作用，冷卻管內(nèi)介質(zhì)，使高溫高壓的制冷劑蒸汽冷凝成低溫的制冷劑液體。冷凝熱被管外側空氣通過風機排到外界[11]。

圖9 蒸發(fā)式冷凝器原理圖

Fig.9 Schematic diagram of evaporative condenser

3 蒸發(fā)冷卻技術在地鐵站的應用

3.1 冷霧式直接蒸發(fā)冷卻技術在地鐵站的應用

西班牙馬德里Penagrande地鐵站和Illuatracion 地鐵站采用了冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，如圖10所示。首先，站內(nèi)水箱中的水通過高壓柱塞泵加壓后，經(jīng)過專業(yè)噴嘴使其霧化后噴出，彌漫在整個公共區(qū)環(huán)境中，接下來站外空氣經(jīng)過送風機送到站內(nèi)公共區(qū)，空氣與小水霧發(fā)生熱濕交換，使得空氣的溫度降低，以消除站內(nèi)的熱負荷。

圖10 馬德里地鐵站實際工程

Fig.10 Actual project of Madrid Metro Station

英國倫敦在2008到2012年新建成的三條線地鐵線路中，其中一條線的地鐵站也采用了冷霧式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，對站內(nèi)的空氣進行降溫。

3.2 冷風式直接蒸發(fā)冷卻技術在地鐵站的應用

3.2.1 集中式直接蒸發(fā)冷卻技術在地鐵站的應用

在國內(nèi)，蘭州地鐵1號線采用了集中式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，如圖11所示。站外空氣通過送風道進入到機組內(nèi)，與不銹鋼填料表面的水膜發(fā)生熱濕交換，空氣被等焓加濕降溫，再通過送風機送入到地鐵站內(nèi)公共區(qū)，以消除站內(nèi)的熱量。

圖11 蘭州地鐵1號線地鐵站實際工程

Fig.11 Actual project of Lanzhou Metro Line 1

烏魯木齊地鐵1號線也采用了集中式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，如圖12所示。

圖12 烏魯木齊地鐵1號線地鐵站實際工程

Fig.12 Actual project of Urumqi Metro Line 1

在國外，英國倫敦在2008到2012年新建成的三條線地鐵線路中，其中一條線的地鐵站也采用了集中式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，以達到地鐵站要求的制冷需求，對站內(nèi)的空氣進行降溫。伊朗首都德黑蘭的部分地鐵站也采用集中式直接蒸發(fā)冷卻通風降溫系統(tǒng)來滿足站廳站臺人員舒適性要求。

3.2.2 單元式直接蒸發(fā)冷卻技術在地鐵站的應用

在國內(nèi)，天津地鐵1號線高架站采用了單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，如圖13所示。由于地鐵高架站屬于半開放空間，傳統(tǒng)的空調(diào)方式不能高效節(jié)能的降低站內(nèi)公共區(qū)的溫度，因此，采用可移動的單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組來進行車站的降溫是最佳的選擇。

圖13 天津地鐵1號線地鐵站實際工程

Fig.13 The actual project of Tianjin Metro Line 1

同時，國內(nèi)香港紅磡地鐵站、西安地鐵3號線、廈門地鐵1號線、廣州地鐵5號線也都能看到單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組的身影，為地鐵站提供降溫服務，如圖14所示。

圖14 國內(nèi)地鐵站應用單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)實際工程

Fig.14 Application of unit type direct evaporative cooling air conditioning in domestic subway station

在國外，日本連接橫濱市與埼玉市的京濱東北線地鐵站也廣泛的采用了單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，如圖15。該單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，不僅有效的給乘客提供一定的降溫服務，而且還有一定的廣告宣傳，提高地鐵站的運營收入。

圖15 日本地鐵站實際工程

Fig.15 Practical engineering of Japanese subway station

英國倫敦在2008到2012年新建成的三條線地鐵線路中，其中有一條線的地鐵站也采用了單元式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，消除站內(nèi)的局部熱點。

3.3 蒸發(fā)冷卻（凝）技術在地鐵站的應用

在國內(nèi)，北京、上海、廣州、重慶、武漢、杭州、西安等地的地鐵站都采用了蒸發(fā)冷凝的地鐵站空調(diào)系統(tǒng)，來消除站內(nèi)的余熱余濕。在結構上將冷卻塔與冷凝器設置成一體，不單獨設置冷卻塔，應用該系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)機械制冷空調(diào)冷卻塔占地面積較大的問題，同時蒸發(fā)冷凝是通過水蒸發(fā)的潛熱進行傳熱的，是效率最高的冷凝方式，可以最大限度上降低冷凝器的壓力，降低壓縮機的功率，提高制冷能力，擁有巨大的節(jié)能潛力，如圖16所示。

圖16 國內(nèi)地鐵站應用蒸發(fā)冷凝實際工程

Fig.16 Application of evaporative condensation in domestic subway station

4 地鐵站各種空調(diào)系統(tǒng)對比

地鐵站各種空調(diào)系統(tǒng)的對比如表2所示[13]，單級蒸發(fā)冷卻適合在非常干燥的地區(qū)，兩級蒸發(fā)冷卻、三級蒸發(fā)冷卻適合在濕度較小的地區(qū)使用，而蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合的機組適合在中等濕度地區(qū)應用，以減少機械制冷開啟的時間，節(jié)省運行費用。在高濕度地區(qū)采用蒸發(fā)冷凝最大限度的為冷凝器進行散熱，減小冷凝壓力，降低壓縮機功率。

表2 地鐵站空調(diào)系統(tǒng)特點

5 結論

由于地鐵站人員密集，散熱設備多，降溫的同時還需要一定的新風量來保證乘客和工作人員的健康需求。蒸發(fā)冷卻技術是憑借著水蒸發(fā)吸收潛熱來進行降溫。在干燥地區(qū)地鐵站采用直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)機械制冷空調(diào)系統(tǒng)的空氣品質(zhì)更佳，比機械通風降溫方式大大減小了土建風道的尺寸，降低了占地面積，并且空氣采用了全新風直流的方式，可以將站內(nèi)的細菌、病毒排出站外，防止細菌、病毒進一步在站內(nèi)擴散，交叉感染。同時，設備的結構簡單，初投資和運行費用低，具有明顯的經(jīng)濟效益。在中等濕度地區(qū)地鐵站采用蒸發(fā)冷卻和機械制冷復合形式的地鐵站空調(diào)系統(tǒng)，能減少機械制冷的開啟時間，節(jié)約運營成本。在高濕度地區(qū)采用蒸發(fā)冷凝空調(diào)系統(tǒng)能給冷凝器更好的散熱，相比傳統(tǒng)的風冷和水冷，蒸發(fā)冷是效率最高的冷卻方式，使得機械制冷的效率大大提高。因此，對于地鐵站空調(diào)系統(tǒng)的選擇，應結合當?shù)貧夂蛱卣?，選擇最佳的空調(diào)形式，降低空調(diào)能耗，減小運營成本。

[1] 趙超峰.蒸發(fā)冷凝技術在地鐵通風空調(diào)中的應用淺析[J].城市建設理論研究(電子版),2011,(17).

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Application Research of Evaporative Cooling(Condensation) Technology in Metro Stations at Home and Abroad

Wu Lei1Huang Xiang1Chang Ruoxin1Kou Fan1Qiao Xiaobo2

( 1.School of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an, 710048;2.Urban Construction Institute, China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Xi'an, 710048 )

According to the actual situation of domestic rail transit operation, this paper introduces the energy-saving and environmental protection evaporative cooling technology and the application form of evaporative cooling air-conditioning, and introduces in detail the actual engineering of evaporative cooling air-conditioning system used in different subway stations at home and abroad, and analyzes and explains what kind of air-conditioning system should be adopted for different subway stations in order to better save energy. In order to achieve the purpose of energy saving and reduce the operation cost of subway station, it is concluded that the maximum use of natural cold source and the adoption of different forms of evaporative cooling air conditioning system in different regions according to local conditions can achieve the purpose of energy saving and reduce the operation cost of subway station, which will also be the development direction of energy saving of subway station in the future.

Rail transit; Direct evaporative cooling; Indirect evaporative cooling; Trunk passage; Wet passage; Evaporation condensation

1671-6612（2021）03-461-06

TU831.6

A

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，研究方向為蒸發(fā)冷卻技術與建筑可再生能源理論與應用，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2020-09-29