鐵路客站噴霧蒸發冷卻高效空調系統研究

張 謙 馬高峰

（中國鐵路北京局集團有限公司北京站，北京 100005）

0 引言

室內環境越來越受到人們的關注，但傳統空調系統大多采用機械制冷，隨著能源危機的出現和國家節能減排的號召，噴霧蒸發冷卻空調系統的研究與應用逐步得到重視。蒸發冷卻技術是一項利用水蒸發吸熱的制冷技術，具有節能、高效、環保的優點。相關研究均表明，噴霧蒸發技術可以提升空調性能，即在冷凝器周圍噴灑水霧可以使得空調系統能效比（COP）升高，原理在于水霧的蒸發吸熱使得冷凝器的周圍的溫度降低。

目前，很多國內外學者都對噴霧蒸發冷卻技術進行了深入的研究。例如，Leidenforst[1]結合前面大量學者關于蒸發式冷卻技術做的相關研究，進一步提升了蒸發式冷卻器的效率，并針對噴淋水流量進行實驗、比對和分析。在室外溫度過高時，空調室外機散熱能力降低，導致空調耗能增加，經濟性會降低。王曉陽[2]針對這種情況，采用CFD的方式，模擬了在不同條件下冷凝器噴水對周圍空氣溫度場的影響。結果表明：噴霧后冷凝器外環境溫度降低，隨著噴霧量的增加，溫度分布更均勻，冷凝器散熱能力更強。Teller發明了一種利用空調冷凝水的余冷進入冷凝器空氣的裝置，可降低新風的溫度，達到節能的目的。韓龍娜分析了在空調的室外機加設噴霧系統，可以起到降溫的作用，不僅可以使COP增加，而且還能夠減少空調的能耗。

基于國內外現有研究成果，結合站房工程中存在的問題，筆者所在單位組織進行科研攻關，研究出一種噴霧蒸發冷卻系統，并在某新建高鐵站房VRV空調室外機處安裝了該系統，進行了運行實驗，以研究噴霧蒸發技術對空調系統性能和能耗的影響。

1 噴霧蒸發冷卻系統

噴霧蒸發冷卻系統包括空氣壓縮機、閥門、氣體儲存罐、液體儲存罐、玻璃轉子流量計、壓力表、噴嘴、風筒、軸流風機等，共計14個部件。如圖1所示。

圖1 系統原理圖

實驗過程中以水作為液體介質，壓縮空氣作為氣體介質；噴嘴的入口壓力控制在0.4 MPa左右，液體流量的變化分別為2 L/h、3 L/h、4 L/h。在實驗過程中，噴霧方向定為與氣流方向相同為順噴，相反為逆噴。

2 噴霧蒸發冷卻系統在鐵路站中的應用

某高鐵站房站房總建筑面積為18.3萬m2，以站臺邊緣為基準，建筑檐口高度為36.6 m，站房屋面最高處為45.1 m。最高聚集人數為5000人，2025年高峰小時8137人，2035年高峰小時9315人，2025年日均73973人，2035年日均93151人。該站房的VRV空調系統室外機設于建筑物屋面，圖2為屋面安裝的噴霧蒸發冷卻系統。

圖2 屋面安裝的噴霧蒸發冷卻系統

當地的夏季室外計算參數：空調干球溫度為33.5 ℃，空調濕球溫度為26.4 ℃，空調日平均溫度為29.6 ℃，通風相對濕度為61%，夏季室外平均風速為2.1 m/s。

2.1 多聯機噴霧冷卻運行實驗系統

噴霧蒸發冷卻系統使用的噴嘴是由某高校自主研發的氣液兩相旋流霧化噴嘴。使用氣泡切割技術，將水霧化成微米大小的液滴。霧化的液滴粒徑小且分布均勻，可加速水分蒸發，達到快速降溫的效果。噴嘴的能耗較低，實際噴霧功率消耗僅約7.6 W/kg，在噴霧冷卻中節約了能源。

噴霧系統由氣路和水路組成，通過調節氣體流量計和液體流量計保持噴霧的穩定。空壓機功率為750W，儲氣罐容量為24L，額定排氣壓力為0.8 MPa。單噴嘴的水流量為3L/h~5L/h時霧化效果較好，采用4個噴頭對冷凝器進行噴霧，總流量為20 L/h。

該高鐵站房貴賓室、VIP室和售票室等房間均設置了VRV多聯機，多聯機風冷機組為總制冷量66 kW，采用3臺機組并聯，機外余壓為30 Pa。運行實驗過程中，根據設有多聯機房間的使用情況，分工況進行討論和研究。只開啟1組室外機組，系統的制冷量在20 kW左右。采用溫濕度傳感器采集環境參數，制冷量和耗功通過制冷機組監測系統得出[3-4]。

其中噴霧前的空調制冷性能系數如下。

式中：Q為空調的制冷量（kW），E為空調的耗功（kW）。

噴霧后的空調制冷性能系數如下。

式中：Q為空調的制冷量（kW），E'為空調與噴霧系統的總耗功（kW）。

2.2 環境溫度對噴霧前后COP增加大小的影響

如圖3所示，在環境相對濕度為32%~39%時，噴霧量為20 L/h時，空調在25℃時的COP增量為3.5%，在30 ℃時COP的增量為7.5%，在35 ℃時COP的增量為8.7%，40℃時COP的增量為9.1%。可以看出在30 ℃以上時系統COP的增量要大。原因是在溫度較高的環境條件下更容易被蒸發，有利于降低冷凝器溫度，提高空調系統COP，這與蒸發冷卻測試實驗結果相符。

圖3 COP增長量隨環境溫度變化

2.3 環境溫度對噴霧降溫效果的影響

在相同噴嘴位置、相同噴霧流量和相同環境濕度的情況下，筆者根據不同環境溫度下運行來分析環境溫度對噴霧降溫效果的影響。其中噴嘴噴霧工況1的氣體體積流量為0.232m3/h，氣體質量流量為0.2784 kg/h，水體積流量2 L/h，氣液比為0.1392，風機機量為600 m3/h，風速為1.71 m/s，壓力為0.4 MPa。噴嘴噴霧工況2的氣體體積流量為0.352 m3/h，水體積流量為2 L/h，氣液比為0.2112。噴嘴噴霧工況3氣體體積流量為0.256 m3/h，水體積流量為2 L/h，氣液比為0.1536。3種不同環境溫度下的溫度記錄如表1所示。

通過對比表1在不同環境溫度下的數據可以發現，工況1的開始溫度為30.85 ℃，結束溫度為26.95 ℃，平均降溫幅度為3.9 ℃，工況2的開始溫度為23.25 ℃，結束溫度為20.45 ℃，平均降溫幅度為2.8 ℃，工況3的開始溫度為29.075 ℃，結束溫度為25.325 ℃，平均降溫幅度為3.75 ℃，觀察3個工況下測量出來的平均溫差可以發現，工況1的平均降溫幅度要比工況2和工況3的情況下要高，工況3的平均降溫幅度也要比工況2的要高，這與初始環境溫度的高低順序一致，因此總結發現：在其他影響因素不變的情況下，隨著環境溫度的升高，由于噴霧蒸發吸熱效果的加劇，室外機降溫幅度也會越來越大，能效提升作用也會隨之加強。

表1 不同噴霧流量下的溫度記錄表

2.4 噴霧量對噴霧前后COP增加大小的影響

在相同的環境溫度下對多聯機系統的冷凝器進行不同水量的噴霧，在制冷量為20 kW左右時，分別以12 L/h、16 L/h和20 L/h的噴霧量對冷凝器進行噴淋，得到了對應噴霧水量多聯機系統COP的增加量。

如圖4所示，噴霧前后COP的增加量隨著水量的先增加后降低，20 L/h的噴水量對應的增長量最多。當噴水量由12 L/h變為為16 L/h時，COP增長量由6.2%增長到8.7%，當噴水量由16 L/h變為20 L/h時，COP增長量降為8.6%，此時增加水量并沒有帶來更大的COP增加量，這是因為當水流為20 L/h時，多余的水會聚在冷凝盤管上形成水膜，減少了冷凝盤管與周圍環境之間的傳熱，因此當空調的冷負荷較低時，要注意噴霧的流量，當水霧含量達到飽和時，降溫效果已經達到極限，噴霧水量過大時反而會造成浪費。

圖4 COP增長量隨噴水量變化

2.5 噴霧前后空調系統運行狀況

在室外溫度為33 ℃，相對濕度為32%時，10:00~12:00連續一段時間8個工況，其中平均制冷能力為22.2 kW，平均整機功率（包括噴霧所用功耗）為5.2 kW，平均COP為4.05，同一條件下未噴霧平均整機功率為5.7 kW，平均COP為3.68。噴霧蒸發冷卻系統可以將系統COP提升 9%左右，具體數據如圖5所示。

圖5 室外33 ℃ 時各工況COP變化

2.6 能耗分析

通過制冷季的數百小時運行實驗可知，室外溫度為33 ℃，平均制冷能力為22.2 kW，未噴霧時系統平均功率為5.7 kW，噴霧時平均功率為5.2 kW，單臺機組耗電功率降低了0.5 kW，相較未進行噴霧降溫的系統，可節約8.8%的耗電量。在炎熱夏季上午10:00~12:00車站站房的人流量達到高峰時，設計制冷量為66 kW的3臺制冷機組全部開啟，且房間室內機全部開啟。這種高峰工況下，系統未噴霧時，由于室外機群的集熱干擾作用，3臺室外機總耗電功率約為18.3kW，而運行噴霧蒸發冷卻系統進行降溫時，3臺室外機總耗電功率僅為16.1kW，相較未進行噴霧降溫的工況節約耗功2.2 kW，節電率達到12.0%。

3 結論

該文結合噴霧蒸發冷卻系統在某新建高鐵站房VRV空調室外機的應用，通過以上噴霧蒸發冷卻系統的運行實驗，可以得出以下結論：1）將該噴霧蒸發冷卻系統用于某高鐵站房多聯機系統對冷凝器進行噴霧時，通過實測證明噴霧可顯著降低能耗，提高空調系統的COP。2）提高環境溫度，可加大水的蒸發強度，有利于降低冷凝器溫度，提高空調系統COP值，但當環境溫度高于30℃后，COP的增量將不再明顯。此外，環境溫度的升高，會增大室外機降溫幅度，能效提升作用也會隨之加強。3）隨著噴霧水量的增加，COP會隨之先增加而后降低。實驗中，16 L/h的噴水量對應的COP增長量最多，因此，當空調的冷負荷較低時，要注意噴霧的流量，避免噴霧水量過大，造成水源浪費。4）在炎熱夏天車站內站房人流量最大，室內冷負荷最高的時間段，VRV室外機組全部開啟，但由于室外機群集熱干擾作用，相較單臺機組工況，噴霧蒸發冷卻系統節能效果更佳，節電率從8.8%提升至12%。可見，噴霧蒸發冷卻系統非常適用于人流量大的樞紐，如鐵路客站或地鐵站房。

該文論述了一種噴霧蒸發冷卻系統，并將其應用于高鐵站房VRV空調系統，可提高空調機組的工作效率，降低系統能耗，具有較高的社會和經濟效益，值得推廣應用。今后的工作將進一步對該噴霧蒸發冷卻空調系統進行改進、提升，為鐵路客站的智能、綠色運行提供新的技術選擇。