蘭州某地鐵站直接蒸發冷卻設備實測與分析

吳 磊 黃 翔 金洋帆 喬小博 牛永勝

蘭州某地鐵站直接蒸發冷卻設備實測與分析

吳 磊1黃 翔1金洋帆1喬小博2牛永勝2

（1.西安工程大學城市規劃與市政工程學院 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）

介紹了蘭州某地鐵站直接蒸發冷卻設備的工程應用實例，通過對地鐵站內直接蒸發冷卻設備進、出口空氣溫濕度、送風量、機組耗水量的實際測試，分析出該蒸發冷卻設備的蒸發冷卻效率、機組制冷量。同時，還對機組蒸發冷卻填料存在的干點問題和循環水泵運行能耗高等問題提出了后期的優化措施。通過分析表明，該直接蒸發冷卻空調機組的出風效果良好，能滿足該地鐵站對冷量的需求，為后期直接蒸發冷卻技術在軌道交通上的應用提供了現實的參考依據。

城市軌道交通；直接蒸發冷卻；驅動勢；制冷量；蒸發效率

0 引言

近年來，我國各個地區的城市軌道交通的相繼運營，地鐵已逐漸成為城市交通的骨干，發揮中流砥柱的作用。據官方統計，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[1]。目前我國地鐵交通系統運行能耗巨大，給地鐵運營公司帶來巨大壓力，而通風空調系統的能耗已經達到了地鐵總能耗的40%左右；地鐵站空調系統只要減少耗能的30%，就能減少整個地鐵系統12%的運行成本[2]。采用什么樣的方式消除地鐵運營過程中列車、設備、人員產生大量的熱負荷，已經成為降低地鐵站運行能耗的重要問題。而在我國西北干燥地區，大自然中存在著豐富的干空氣能，利用蒸發冷卻技術進行降溫具有一定的經濟性。蒸發冷卻技術在我國西北干燥區地鐵站的應用，已經有了多年的研究，其中李德輝從蒸發冷卻技術的發展與應用角度對該項技術在地鐵中的應用進行了詳細的探討，表明蒸發冷卻空調系統在我國西北干燥地區應用具有很好的應用前景[3]。黃翔等通過研究蒸發冷卻技術在國內外地鐵車站的應用，得出該技術不僅適用于干燥地區車站大系統,同時可應用于全國范圍內具有高顯熱特點的部分環控小系統設備用房[4]，李鑫等通過研究蒸發冷卻技術在干燥地區地鐵中的應用，得出在西北干燥地區地鐵中采用蒸發冷卻技術是可行的，并且具有顯著的經濟效益[5]，鄭程升針對烏魯木齊氣候的特殊性，分析了烏魯木齊地鐵采用直接蒸發冷卻技術的優勢，并從技術可行性、經濟性、社會效益三方面對蒸發冷卻通風降溫系統在烏魯木齊地鐵工程中的應用，結果表明蒸發冷卻技術在烏魯木齊地鐵通風空調系統中使用具有適宜性，并解決地面冷卻塔設置困難問題。其在城市軌道交通中的應用得到越來越多的業內人士關注[6]。

通過對蘭州某地鐵站直接蒸發冷卻設備在運行期間的相關測試與分析，探討直接蒸發冷卻技術在蘭州地區地鐵站中實際應用的情況，為西北干燥地區的城市軌道交通建設提供一定的參考。

1 工程概述

1.1 工程概況

該地鐵站位于甘肅蘭州，車站共兩層，全部為地下建筑，地下一層為站廳公共區和車站設備管理用房區，地下二層站臺公共區。車站有效站臺長度140m，站臺寬度12.5m，總高19.49m，總建筑面積24526.00m2。車站共設置4個出入口及2組風亭；A、B號出入口位于規劃道路北側，C、D號出入口位于規劃道路南側，2組風亭均位于規劃道路北側[7]。該地鐵站設計于2012年，在2019年啟動運行。

測試的直接蒸發冷卻空調機組位于地下一層車站設備管理用房區，在車站兩端各有一個，該機組結合地鐵站的實際情況將不同的功能段分布于土建風道中[8]，合理的利用了地下空間，提高了地下空間的使用效率。機組在土建風道內的排放平面圖如圖1所示。

圖1 機組平面圖

該機組采用先進的過濾及靜電殺菌凈化裝置、防火不銹鋼填料、水質凈化設備、防火防爆變頻送風機，機組送風量可從0~108000m3/h自由調節。

1.2 設計參數

該直接蒸發冷卻空調機組的設計進風干球溫度為30.1℃，進風濕球溫度為18.2℃，設計相對濕度為34%[9]。

2 填料式直接蒸發冷卻空調機組的原理及特點

2.1 填料式直接蒸發冷卻空調機組的原理[7]

填料式直接蒸發冷卻空調機組的產出介質為空氣，其過程為產出介質（冷風）和工作介質（冷卻水）直接接觸發生熱濕交換，通過水的蒸發而使產出介質溫度下降，產出介質的含濕量增加，被降溫的極限溫度為室外空氣的濕球溫度。在工作的過程中，循環水泵將循環水輸送到布水器上部噴嘴，噴嘴將循環水均勻地噴淋在填料表面，形成水膜，從填料底部下落的循環水將匯聚于集水箱中，循環使用。與此同時，在風機的作用下，經過濾的新風會以1~5m/s的速度掠過蒸發冷卻填料，進而促進水膜表面水分的蒸發，帶走空氣中的顯熱熱量，將空氣進行降溫，然后通過送風機送出。其原理如圖2所示，空氣處理過程如圖3所示。

圖2 填料式直接蒸發冷卻空調機組原理圖

圖3 空氣處理過程焓濕圖

2.2 填料式直接蒸發冷卻空調機組的特點[7]

（1）降溫效果好。

由于被降溫空氣與水直接接觸，換熱效率高，而水的蒸發潛熱巨大，所以能將空氣的溫度最大降低到其濕球溫度。

（2）加濕效果好。

直接蒸發冷卻空調不僅可以使空氣的溫度得以降低，而且還具有加濕的作用，這在我國干燥地區使用是非常有益的，可減少加濕設備成本。

（3）過濾效果好。

空氣中的含塵顆粒經過表面附有水膜的填料時，被水膜阻留下來，達到降塵的效果，使得送入站內的空氣品質更佳。

（4）安裝、維護方便，占地面積小，運行費用低。

填料式蒸發冷卻空調機組利用了水蒸發時吸收大量的潛熱，機組降溫效果好[10]。相比傳統的機械通風降溫機組，該機組結構更加緊湊，占地面積小，這樣給設備的安裝、運輸和維護提供了較大的方便，同時，還減少了運行成本。正是因為這些獨特的優點，直接蒸發冷卻空調機組在我國得到了廣泛的應用，以彌補傳統機械通風降溫機組尺寸大、運行能耗高的缺點。

3 填料式直接蒸發冷卻空調機組運行測試與分析

3.1 填料式直接蒸發冷卻空調機組的運行模式

在不同的時間條件下，蒸發冷卻空調機組具有不同的運行模式[11]：

（1）當早高峰前（5:30—7:30）、晚高峰后（20:30—23:30）時，機組干工況運行（循環水泵關閉，送風機開啟）；

（3）當平峰（9:30—16:30）時，機組濕工況運行（循環水泵開啟，送風機變頻運行）。

3.2 測試方法及內容

3.2.1 直接蒸發冷卻機組進風溫度的測量

采用testo溫濕度自計儀測試機組進風截面不同位置的溫濕度值。將機組進風截面平均分為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，機組進風平均溫度按下式進行計算[12]：

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 直接蒸發冷卻機組出風溫度的測量

由于機組出風截面不同位置的溫濕度測量方法與機組進風的溫濕度測量方法相同，這里就不再一一贅述。

植物的生長和動物的生活都離不開水的滋養，在林木種苗培育的過程中更是如此。隨著我國相關技術的不斷進步，對于林木種苗培育過程中的澆灌技術也在不斷完善，目前應用較多的是滴灌技術，通過滴灌可以更加科學的按比例給水，充分滿足林木種苗生長過程中的需要。

3.2.3 機組出風截面風速、風量以及制冷量的測量

采用testo風速儀測試機組進風截面不同位置的風速。將機組出風截面平均分為9個等面積的小矩形，在各小矩形中心布置風速測點來進行測量，最后取其平均值。機組出風截面的測點布置如圖4所示，按照公式（2）求出機組出風截面風速v、按照公式（3）計算出機組的送風量q、按照公式（4）計算出機組的制冷量[7]：

直接蒸發冷卻機組風速的計算公式：

v=(1+2+…+v)/（2）

式中：v為斷面平均風速，m/s；1，2，v為各個測點風速，m/s；為測點數。

直接蒸發冷卻機組風量的計算公式為：

q=v·（3）

式中：q為風量，m3/s；v為斷面平均風速，m/s；為測定斷面的面積，m2。

直接蒸發冷卻機組制冷量的計算公式為：

式中：z為直接蒸發制冷量，kW；ρ為噴嘴處空氣密度，kg/m3；L為機組風量，m3/h；c為空氣比熱，kJ/（kg·K）；1為機組進風口空氣干球溫度，℃；2為機組出風口空氣干球溫度，℃。

3.2.4 機組性能[7]

（1）對于直接蒸發冷卻設備來說，對其性能評價最重要的指標就是設備的蒸發效率。填料式直接蒸發冷卻設備的蒸發效率可由下式（5）計算：

（2）機組耗水量：主要是由蒸發損失、排污損失、滴漏損失和風吹損失組成的。其中蒸發損失和排污損失占據一大部分。填料式直接蒸發冷卻設備的蒸發損失可由下式（6）計算：

3.3 測試結果分析

3.3.1 機組進風溫度測試結果分析

表1 機組進風溫度測試結果

表1給出了不同時間機組進風溫度的測試結果。從表1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℃，這表明直接蒸發冷卻的驅動勢逐漸變大，空氣被冷卻的程度將越充分。

3.3.2 機組出風溫度測試結果分析

表2給出了不同時間機組出風溫度測試結果。從中可以得出，機組出風的干、濕球溫度隨著時間的推移都在逐漸降低，出風干球溫度由最初的18.6℃逐漸降低為15.3℃，出風濕球溫度由最初的16.3℃逐漸降低為14.6℃，兩者的變化較為明顯。出口空氣的相對濕度平均保持在90%以上，對站廳站臺公共區相對濕度過低問題，具有一定的改善效果。最大溫降可以達到15.6℃，在站內負荷最大的時候，可以提供最大的制冷量，來滿足負荷要求。

表2 機組出風溫度測試結果

3.3.3 機組出風截面風速、風量以及制冷量的測試結果分析

圖5 機組出風截面風速、風量以及制冷量隨時間變化曲線

圖5給出了不同時間機組出風截面風速、風量以及制冷量隨時間的變化曲線。從中我們可以得出隨著時間的推移，風量及制冷量同趨勢增加。機組的風量從43200m3/h上升為108000m3/h的過程中機組的制冷量也從54kW提高到518kW，兩者差值較大，說明在測試范圍內隨著的風速的逐漸增大，機組的制冷效果越來越好，也證明了送風量的大小對蒸發冷卻的影響很大。

3.3.4 機組性能的測試結果分析

表3給出了不同時間蒸發冷卻機組的性能測試結果，從表中我們可以得到在機組斷面風速為1.05m/s時，機組蒸發效率只有56.7%，造成效率低的原因是機組的送風量較小使得填料表面水膜沒有充分蒸發。而當機組斷面風速為1.43m/s~2.38m/s，機組的蒸發效率均達到90%以上，說明機組斷面風速在此區間，填料表面的水膜與空氣的接觸比較充分，機組充分的利用了空氣中的干空氣能，與填料表面水膜充分熱濕交換。隨著風速與蒸發冷卻效率的提高，使得蒸發冷卻進行的越充分，源源不斷的為空氣進行降溫。與此同時，蒸發冷卻的耗水量也隨之增大。

表3 機組性能測試結果

4 存在問題及解決措施

（1）雖然該直接蒸發冷卻機組的蒸發冷卻效率較高，但在實測中發現，填料上還是存在小部分干點，這將直接影響機組的制冷能力，故后期的改造可以將布水方式由原來的頂部布水改為立體三維布水，以此來消除局部干點，提高機組的制冷能力。

（2）在實測中發現，循環水泵是不間斷持續運行的，這樣是不節能的。在后期的優化中可以將循環水泵間歇運行，采用間歇布水的方式，來降低機組的運行能耗，以此來提高機組的節能性。

5 結論

（1）根據實測結果顯示，當機組進風平均干球溫度30.0℃時，機組的出風平均干球溫度能到達15.6℃，溫降14.4℃，降溫效果非常明顯。說明在蘭州某地鐵站應用直接蒸發冷卻技術是非常適合的，以后在干燥地區地鐵站空調都可采用蒸發冷卻空調。

（2）在蒸發冷卻空調中，風量與冷量的變化趨勢相同，說明風是制冷量的載體，只有確保充足的空氣量，才能保證正常制冷量的產出。

（3）當機組截面風速在1.43m/s～2.38m/s時，機組的蒸發冷卻效率均可達到90%以上，說明該地鐵站用填料式直接蒸發冷卻空調機組的最佳風速應保持在1.43m/s～2.38m/s之間，才能保證機組高效運行。

[1] 中國城市軌道交通協會.城市軌道交通2019年度統計和分析報告[EB/OL].2020.

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

[3] 李德輝.蒸發冷卻技術在地鐵工程中的應用探討[J].城市軌道交通,2012,(5):106-110.

[4] 蘇曉青,黃翔,李鑫.蒸發冷卻技術在地鐵環控系統中研究現狀及應用形式探討[J].制冷與空調,2015,29(6): 616-620.

[5] 李鑫.淺談蒸發冷卻技術在干燥地區地鐵應用中的關鍵性問題[J].潔凈與空調技術,2013,9(3):92-95.

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

[7] 黃翔.蒸發冷卻空調原理與設備[M].北京:機械工業出版社,2019.

[8] 鄧保順.地鐵車站蒸發冷卻空調機組性能的試驗研究[J].鐵道標準設計,2016,60(4):134-137.

[9] 黃翔,盛曉文,李鑫,等.地鐵直接蒸發冷卻通風降溫系統室外空氣計算參數的選擇[J].暖通空調,2014,44(5): 75-78.

[10] 黃翔.空調工程（第三版）[M].北京:機械工業出版社,2017.

[11] 劉超宇.基于AFC系統數據的地鐵客流分析及乘客出行特征研究[D].北京:中國地質大學,2016.

[12] 張學助,王天富,楊忠德,等.空調試調[M].北京:中國建筑工業出版社,2012.

Test and Analysis of Application of Direct Evaporative Cooling Equipment in a Metro Station in Lanzhou, Gansu

Wu Lei1Huang Xiang1Jin Yangfan1Qiao Xiaobo2Niu 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 engineering application example of direct evaporative cooling equipment in a subway station in Lanzhou. Through the actual test of inlet and outlet air temperature and humidity, air supply volume and unit water consumption of the direct evaporative cooling equipment in the subway station, the evaporative cooling efficiency and cooling capacity of the unit are analyzed. At the same time, the dry point problem of evaporative cooling packing and high energy consumption of circulating water pump are put forward. The analysis shows that the air outlet effect of the direct evaporative cooling air conditioning unit is good, which can meet the demand of cooling capacity of the subway station, and provides a practical reference for the application of direct evaporative cooling technology in rail transit in the later stage.

urban rail transit; directevaporative cooling; driving potential; refrigerating capacity; evaporation efficiency

TU831.6

A

1671-6612（2021）02-249-05

蘭州地鐵1號線直接蒸發冷卻通風降溫系統運行實測研究（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

2020-10-14