蒸發冷卻技術在軌道交通領域的應用形式探討

寇 凡 黃 翔 羅 絨 馬 健 喬小博

蒸發冷卻技術在軌道交通領域的應用形式探討

寇 凡1黃 翔1羅 絨1馬 健2喬小博3

（1.西安工程大學 西安 710600;2.重慶福琛興科技有限公司 重慶 400020;3.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710048）

介紹了蒸發冷卻空調技術在軌道交通領域的三種應用形式，并通過測試數據論述該技術在解決目前國內地鐵工程中存在的地鐵高架站候車區環境舒適性差、冷卻塔布置困難等問題中發揮的重要作用。

軌道交通；高架站；蒸發冷卻；蒸發冷凝；應用形式

0 引言

近年來，我國城市軌道交通發展速度不斷加快，已成為城市軌道交通建設里程最長、建設速度最快的國家。而在能源危機日益嚴峻的今天，軌道交通也在向智能、綠色的方向發展。蒸發冷卻作為一種低碳、節能、經濟、健康的環保空調技術[1]，在軌道交通行業節能進程中扮演著重要的角色，也衍生出不同的形式以適應不同場合的需求。

1 單元式蒸發冷卻空調

隨著地鐵建設的蓬勃發展，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基于降低造價和節省能源的目的考慮大多采用自然通風的方式。但是乘客候車區屬于半開放的建筑形式，夏季高峰時段人流密集，采用自然通風方式，其環境舒適性相對較差[2]。為緩解高架站臺的惡劣候車環境，各站臺均采取了一定的通風降溫措施，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缺點對比

續表1 高架站臺幾種常見降溫方式的優缺點對比

在眾多高架站臺降溫設備中，單元式蒸發冷卻空調以其移動靈活、初投資及運行費用低的特點成為越來越多地鐵高架站通風降溫以及地下車站消除局部熱點的的首選方式。圖1為單元式蒸發冷卻空調在地鐵車站的應用形式，一般貼壁放置，設備最大溫降能夠達到近12℃，出風射程最大能達到10米以上，給來往人群帶來陣陣清涼。

圖1 單元式蒸發冷卻空調在地鐵站的應用

隨著單元式蒸發冷卻空調在地鐵站的推廣應用，其形式也逐漸向美觀性、實用性靠攏，圖2為廣告牌式蒸發冷卻空調器在天津地鐵高架站臺的應用。機組風量9000m3/h，球形風口四面送風，機身上設置有廣告位，可設置導向牌或宣傳標語，將蒸發式冷氣機的實用性與媒體宣傳相結合，達到一機多用的效果。表2為廣告牌式蒸發冷卻空調的設備參數表。

圖2 廣告牌式蒸發冷卻空調在天津地鐵華山里高架站的應用

表2 廣告牌式蒸發冷卻空調設備參數

在大暑節氣對該單元式蒸發冷卻空調在極端工況的運行效果進行測試如圖3所示。

圖3 華山里高架站廣告牌式蒸發冷卻空調降溫性能

站臺環境平均干球溫度為39.46℃，設備出風口平均干球溫度為29.5℃，平均溫降可達9℃，蒸發冷卻效率為80%，較好的滿足乘客候車-乘車之間的“過渡性舒適”要求。

測試期間站臺環境的相對濕度平均為39.87，由于在填料段空氣與水發生等焓加濕降溫過程，設備出風口處平均相對濕度84.2%，設備送入環境中與周圍氣體混合后，送風區域內的相對濕度為66.7%＜70%，根據《地鐵設計規范》（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備表面溫度分布情況進行熱成像分析如圖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，但人員活動區仍然熱負荷顯著。對單元式蒸發冷卻空調整體進行紅外線熱成像分析顯示，設備出風均勻，無局部熱點存在。

圖4 頂棚及單元式蒸發冷卻空調溫度分布情況

由于蒸發冷卻空調降溫效果與室外的氣象參數的變化密切相關，為保證機組在高溫高濕工況下的降溫效果[3]，西安工程大學與重慶某公司聯合開發單元式蒸發冷卻設備與機械制冷相結合的制冷系統，并搭建試驗臺進行測試，試驗臺為風量9000m3/h的單元式蒸發冷卻空調配備一臺風冷冷水機組，單元式蒸發冷卻空調填料內側設置表冷器，冷水機組制取的冷凍水分兩路，一路直接對填料進行噴淋，另一路供給表冷器，冷水機組與蒸發冷卻空調之間設置保溫平衡水箱。圖5為試驗臺實物圖。對該系統在濕簾運行模式和表冷器運行模式下的性能進行測試結果如表3所示。

圖5 試驗臺實物圖

表3 不同模式下的運行參數分析

根據實測數據，在重慶這樣的高濕度地區，在進風干濕球溫差僅5℃左右時，采用濕簾噴淋冷凍水的運行模式，機組的溫降為9℃，比單表冷器運行的溫降略高，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，并且發生蒸發冷卻，降溫幅度更大。

2 直接蒸發冷卻空氣處理機組

在地下車站里，蒸發冷卻技術也發揮著重要的作用。新疆、甘肅等干燥地區，空氣干濕球溫差較大，干空氣能富足，直接蒸發冷卻有著得天獨厚的條件。在蘭州地鐵1號線、烏魯木齊1號線所采用的制冷設備就是直接蒸發冷卻空氣處理機組，如圖6所示。

圖6 直接蒸發冷卻空調機組在地鐵站的應用

根據《地鐵設計規范》（GB 50157-2013），地鐵通風與空調系統的確定應符合規定：在夏季當地最熱月的平均溫度超過25℃，且地鐵高峰時間內每小時的行車對數和列車車輛數的乘積小于180時，應采用空調系統；當夏季最熱月的平均溫度超過25℃，全年平均溫度超過15℃，且地鐵高峰時間內每小時的行車對數和每列車車輛數的乘積小于120時，應采用空調系統[5]。以蘭州為例，通過查閱《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》對蘭州市的全年氣象參數進行整理，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計圖

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,列車運行對數30對/小時，地鐵高峰時間內每小時的行車對數和每列車車輛數的乘積數為180。根據規范要求，不具備設置空調的標準。應貫徹國家能源政策，踐行運營節能原則，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，采用蒸發冷卻技術對室外新風降溫加濕達到人員的熱舒適要求，解決地下空間的通風降溫問題。蘭州地鐵1號線于2019年6月正式通車，這也成為了國內第一條正式通車的全線都采用直接蒸發冷卻系統降溫的地鐵線路。該直接蒸發冷卻系統，采用全新風直流的方式，通過直接蒸發冷卻對空氣進行降溫后，再由風管送入站廳內。蘭州大學站安裝2臺108000m3/h風量的直接蒸發冷卻空調機組，在室外空氣干球溫度為30.9℃時，機組出風溫度最低可達15.6℃，溫降可達15℃，蒸發冷卻效率96.3%，站廳環境溫度可達23℃，降溫效果顯著。

蒸發冷卻空調系統在西北等干燥地區還具有以下優勢：

（1）直接蒸發冷卻空調放置在土建風道內，減少了機房的占地面積，節約了土建成本投入。

（2）直接蒸發冷卻空調的填料能夠濕式過濾，在西北風沙較大區域，可起到凈化除塵的功效，有效改善地鐵環境的空氣品質。

（3）直接蒸發冷卻空調系統初投資雖與傳統機械制冷相比差別不大，但運行維護費用相對較低，具有較好的經濟效益[6,7]。

3 蒸發冷凝冷水/空調機組

一般地鐵車站多采用冷卻塔+水冷冷水機組的方案，存在選址難、征地難、布置難等問題，外加越來越重視節能環保等相關問題，基于對地鐵空調節約空間、節能、節水等因素的考慮，很多省市的地鐵開始將目光聚焦在蒸發式冷凝技術上，希望通過這項技術解決地鐵工程中的通風空調系統存在的問題[8,9]。

蒸發冷凝技術，利用蒸發冷卻原理對冷凝器進行散熱，將冷凝器與冷卻塔合二為一，省去了龐大復雜的冷卻水管路，解決了冷卻塔的占地問題。循環水量為傳統方式的50%～70%，整體裝配式結構使得安裝維護十分方便，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用了蒸發冷凝冷水機組。在廣州地鐵2號線三元里站，安裝了1臺冷量為230kW的板管型蒸發冷凝式螺桿冷水機組，如圖9所示，經過廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司檢測，當提供相等冷量的前提下，板管蒸發冷卻式空調冷源系統所需能耗為常規風冷空調冷源系統所需能耗的47.2%，節能量為后者能耗的52.8%，節能效果十分顯著。

圖9 廣州地鐵2號線三元里站板管型蒸發冷凝冷水機組

北京地鐵阜通站采用隧道嵌裝式直膨蒸發冷凝空調系統，蒸發式冷凝器采用多頁對開的形式設置在排風道內，在非空調季節及火災工況可旋轉關閉，滿足不同工況的運行需求，冷凝器管外側的噴淋水與風道內的低溫排風進行換熱溫度降低，帶走管內制冷劑的凝結熱，實現制冷劑蒸氣的冷凝[11,12]。

圖10 隧道嵌裝式蒸發冷凝機組布置示意圖

圖11 多頁對開蒸發式冷凝器

4 結論

（1）在地鐵高架站候車區域采用單元式直接蒸發冷卻空調具有耗能低、綠色環保的特點，可以為乘客營造一個較為舒適的乘車環境。高溫高濕地區可輔助機械制冷方式保證機組降溫效果。

（2）蒸發冷卻空調機組結合地鐵土建風道設置，在干空氣能富足的地區降溫效果顯著，在我國西北地區具有良好的節能效果和推廣應用價值。

（3）在地下車站利用蒸發冷凝冷水機組代替傳統水冷冷水機組加冷卻塔的制冷方式在技術上是可行的，其解決了地鐵工程室外冷卻塔布置協調困難的工程難題。因地制宜的在軌道交通行業發展應用蒸發冷卻技術，對建設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號線直接蒸發冷卻通風降溫系統運行實測研究（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，研究方向為蒸發冷卻技術與建筑可再生能源理論與應用，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2020-11-11