王歆悅明崗*臧皓楊國偉胡曉嘉

1同濟(jì)大學(xué)機械與能源工程學(xué)院

2上海申通地鐵集團(tuán)

0 引言

在地鐵站空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置中，冷卻塔的布置一直是一個棘手的問題。冷卻塔地上布置影響城市景觀及地鐵沿線居民生活環(huán)境，地下布置又受到地鐵空間的種種限制。為了解決地鐵車站冷卻塔的問題，一些工程設(shè)計中嘗試采用蒸發(fā)冷凝式空調(diào)機組。

蒸發(fā)冷凝式空調(diào)將水噴淋在冷凝器表面，利用了水-空氣間的熱濕交換完成冷凝排熱過程，從而省去冷卻塔設(shè)置。目前我國如北京、西安、杭州、成都、蘭州等多地地鐵線路中采用了蒸發(fā)冷凝技術(shù)，但大多在設(shè)計建造階段[1-2]。本文以已經(jīng)投入使用兩年的上海地鐵某車站為例，考察蒸發(fā)冷凝空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵車站的實際運行情況，并與普通冷水機組對比分析節(jié)能情況，利用實際運行中的數(shù)據(jù)，對影響蒸發(fā)冷凝式空調(diào)機組運行效果的因素進(jìn)行初步探討。

1 測試基本情況

1.1 工程項目信息

該站為地下三層島式車站，全長202.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬21.6 m。主體建筑面積14228m2，附屬建筑面積3624m2，站廳層公共區(qū)建筑面積3084m2?，F(xiàn)制冷主機設(shè)置三臺整體蒸發(fā)冷凝冷水機組，每臺額定制冷量751 kW。地下一層設(shè)兩臺，采用室外新風(fēng)作為蒸發(fā)冷凝換熱器的冷卻風(fēng)源，兩臺冷機各配備一臺額定風(fēng)量125000m3/h的風(fēng)機。地下二層設(shè)一臺，采用車站軌行區(qū)排風(fēng)，可利用車站排熱風(fēng)機強制排風(fēng)，另增設(shè)一臺額定風(fēng)量125000m3/h的補風(fēng)機。

1.2 測試內(nèi)容

測試日選在夏季空調(diào)實際運行時段，測試內(nèi)容包括蒸發(fā)冷凝機組的運行熱工參數(shù)，主機及系統(tǒng)能耗參數(shù)。測試的主要參數(shù)有：冷凍水流量，冷凍水供回水溫差，冷凝器進(jìn)風(fēng)溫濕度及風(fēng)量，冷水機組主機耗電量，風(fēng)機水泵耗電量，耗水量以及風(fēng)井噪聲。

溫濕度類參數(shù)通過機組自帶溫度傳感器，輔助增設(shè)5個溫濕度自動計量儀進(jìn)行測試，每個測點記錄至少24 h數(shù)據(jù)。水系統(tǒng)采用了定流量系統(tǒng)，流量類的參數(shù)不隨時間和環(huán)境變化，故每個測試日只需測量一次。冷機及設(shè)備電耗則根據(jù)一天內(nèi)氣溫和人流量的變化分時段多次測量。

測試中用到的儀器有：VAISALA數(shù)字溫濕度計，量程范圍0～100%℃，儀器不準(zhǔn)確度±2%。KLDL-150電磁流量傳感器，量程范圍0.2～10m/s，儀器精度0.5級。GM8930熱線風(fēng)速儀，量程范圍0～30m/s，儀器不準(zhǔn)確度±3%。WB919電流變送器，量程范圍0～100 A，儀器精度0.5級。

測試根據(jù)冷水機組運行臺數(shù)和平均加載率分為如表1三個工況。各工況均連續(xù)測試2天，每天的測試時間為7:00-19:00。

表1 測試工況

2 測試結(jié)果分析

2.1 蒸發(fā)冷凝機組運行情況

三個測試工況機組實際運行參數(shù)如表2至表3所示。表中所列數(shù)據(jù)為在穩(wěn)定運行時段（9:00-19:00）中所有運行冷機參數(shù)的平均值。

表2 蒸發(fā)冷凝式冷水機組運行參數(shù)

表3 冷凝器風(fēng)量

三個典型工況冷機能效系數(shù)分別4.12，4.33，4.41。表中可以看出冷機實際運行中，供回水溫差較穩(wěn)定為5℃左右，但冷凍水出水溫度和回水溫度均偏高，三個工況最低平均出水溫度為8.6%℃。造成冷凍水溫度偏高的原因是實際運行中冷凍水流量大于額定流量，系統(tǒng)回水溫度偏高，在溫差的控制下冷凍水出水的溫度升高。

運行時還發(fā)現(xiàn)機組冷凝溫度較高，平均冷凝溫度41.5℃，高于一般蒸發(fā)冷凝式機組36～38℃的蒸發(fā)溫度。冷凝溫度過高的原因之一是冷凝器風(fēng)量偏小。冷機的實際出力大于額定值的情況下，冷凝器的冷卻風(fēng)量卻低于額定風(fēng)量。尤其是安裝在排風(fēng)道中的3號冷機，實際風(fēng)量只有額定風(fēng)量的80%。風(fēng)量不足造成冷凝器出風(fēng)溫度較高，空氣狀態(tài)接近飽和，單位體積空氣帶走的潛熱量受到抑制，會使冷卻空氣與冷凝器換熱效率下降[3]，冷凝器工作環(huán)境溫度升高。另外一個原因是冷凝器通風(fēng)環(huán)境較差。圖1是地下一層機房布置圖，冷機2#過于貼近墻壁，冷凝器通風(fēng)過道狹小，導(dǎo)致部分空間氣流分布不均。因此對于蒸發(fā)冷凝式機組來說，保證冷凝器有充足、良好的通風(fēng)對機組高效運轉(zhuǎn)行關(guān)重要。

圖1 地下一層機房布置圖

2.2 冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度對機組運行能效影響

在蒸發(fā)式冷凝器中推動總熱交換的動力是空氣與換熱器表面水膜周圍飽和空氣之間的焓差，而不是溫差。濕球溫度越低，推動熱交換的焓差大，冷凝器換熱能力強。因此冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度是影響機組性能的關(guān)鍵參數(shù)之一[4]。在測試中發(fā)現(xiàn)一天穩(wěn)定運行時間段內(nèi)，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度，冷凍水進(jìn)出口溫度以及機組運行電流都較為穩(wěn)定，而冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度隨著室外氣象變化有較明顯的波動。選取各個測試日蒸發(fā)溫度穩(wěn)定不變的時段，考察冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度對機組效率的影響。

圖2和圖3給出了1#冷機三個典型測試日中，冷機的壓縮機功率和能效系數(shù)（COP）與冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度的對應(yīng)情況。三條曲線對應(yīng)的蒸發(fā)溫度分別為3.8%℃、5.3℃、7.2℃，進(jìn)風(fēng)濕球溫度的范圍為 16.5～24.3℃。圖中可以看出，在相同的蒸發(fā)溫度下，蒸發(fā)冷凝機組的功率總體上都隨冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度的升高而增大，機組能效則隨濕球溫度升高而降低。蒸發(fā)溫度不同時，蒸發(fā)溫度越高，濕球溫度對機組功率和能效系數(shù)的影響越明顯。蒸發(fā)溫度7.2℃時，濕球溫度上升2.3℃，壓縮機功率增大18.2%，冷機能效系數(shù)減小20%。

圖2 冷凝器不同進(jìn)風(fēng)濕球溫度下壓縮機功率

圖3 冷凝器不同進(jìn)風(fēng)濕球溫度下冷機COP

圖4給出了地鐵車站5個測試日中新風(fēng)和排風(fēng)的濕球溫度變化情況實測值。圖中可以看出，室外新風(fēng)的濕球溫度一般在7:00-11:00上升，約12:00-15:00時之間達(dá)到峰值，隨后波動降低。地鐵隧道排風(fēng)濕球溫度則一般在早上高于新風(fēng)，其余大部分時段內(nèi)都低于新風(fēng)。中午12:00以后新風(fēng)濕球溫度與排風(fēng)濕球溫度平均溫差1.31%℃，最大溫差在9月5日15:00達(dá)3.09%℃。因此從濕球溫度角度，地鐵排風(fēng)有更大的利用價值，尤其是在正午過后排風(fēng)濕球溫度明顯低于新風(fēng)，可以預(yù)見使用排風(fēng)冷卻能夠有效提高蒸發(fā)冷凝式機組工作效率。

圖4 地鐵站測試日新風(fēng)及排風(fēng)濕球溫度變化

3 蒸發(fā)冷凝式冷水機組與普通冷水機組運行對比

為了考察蒸發(fā)冷凝冷水機組的節(jié)能效果，將該車站（記為甲）空調(diào)系統(tǒng)與相鄰另一個地鐵車站乙對比。乙站采用2臺螺桿式冷水機組，每臺額定制冷量均為781 kW。測試時保證兩站冷機蒸發(fā)溫度、供水平均溫度基本相同，在相同時間以相同測量方案測得冷凍水流量，溫度，補水量及空調(diào)系統(tǒng)各部分的耗電量等參數(shù)，比較兩個車站空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。

3.1 兩系統(tǒng)運行能效對比

兩個地鐵站在建筑面積、空調(diào)負(fù)荷等方面有較大差異，能耗總量不具有比較意義，因此以一個測試日為評價單元，計算測試日中空調(diào)系統(tǒng)各部分的平均功率，比較空調(diào)系統(tǒng)能效系數(shù)。其中，甲站蒸發(fā)冷凝空調(diào)系統(tǒng)總能耗為主機功率，冷凍泵功率，冷凝器排熱風(fēng)機功率及補水泵功率之和，乙站普通冷水機空調(diào)系統(tǒng)總能耗為主機功率，冷凍水泵功率，冷卻水泵，冷卻塔風(fēng)機功率及補水泵功率之和。對三個不同工況計算情況如表4所示。

由表4可以看出，甲站蒸發(fā)冷凝機組在工況2和工況3時具有較明顯的節(jié)能優(yōu)勢，單機組能效和系統(tǒng)能效都顯著高于普通冷水機組，工況3空調(diào)系統(tǒng)能效優(yōu)于普通冷水機組13.5%。但在工況1甲站開啟三臺機組時，空調(diào)系統(tǒng)的能效系數(shù)相對較低。甲站三臺蒸發(fā)冷凝冷機中，冷機1#和冷機2#的工作環(huán)境基本相同，冷機3#和冷機1#、2#冷凝側(cè)熱工參數(shù)有明顯差異，在兩個測試日平均冷凝溫度分別高出冷機1#2.2℃和1.8%℃。冷凝溫度高的原因主要是冷機3#冷凝風(fēng)量嚴(yán)重不足。此外由于原有排熱風(fēng)機風(fēng)量和軌道排熱需求的限制，冷機3#開啟時同時運行排熱風(fēng)機和補風(fēng)機，風(fēng)機總能耗增加顯著，但對冷卻效果無明顯作用，風(fēng)機散熱還對機房熱環(huán)境造成不利影響。

表4 兩空調(diào)系統(tǒng)能耗對比

3.2 兩種空調(diào)系統(tǒng)運行水耗對比

蒸發(fā)冷凝式空調(diào)系統(tǒng)冷凝器中噴淋水與空氣進(jìn)行熱濕交換，一部分水變?yōu)樗魵獗豢諝鈳ё?，還有一部分飄逸損失，因此需要一定的水量補充。常規(guī)冷卻塔系統(tǒng)同樣存在蒸發(fā)損失和飄逸損失。比較兩系統(tǒng)的日補水總量和日單位冷量補水量（表5），甲站單位冷量補水量在0.00210～0.00311m3/kW，乙站單位冷量補水量在0.00185～0.00235m3/kW，從補水量比較，蒸發(fā)冷凝機組的實際耗水量稍大。實際上經(jīng)計算分析，蒸發(fā)冷凝機組的飄逸和排污損失要大于常規(guī)的冷卻塔而導(dǎo)致其耗水量更大[5]。

表5 兩空調(diào)系統(tǒng)水耗比較

4 結(jié)論

通過對上海某地鐵站蒸發(fā)冷凝冷水空調(diào)系統(tǒng)與普通冷水系統(tǒng)對比測試發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)冷凝式冷水機組主要節(jié)能優(yōu)勢是運行中有較高的能效系數(shù)，空調(diào)系統(tǒng)能效系數(shù)可以高出普通冷水機組13.5%，但水耗量稍大。該車站運行中存在冷凝溫度偏高的問題，究其主要原因是冷凝機通風(fēng)量不足和通風(fēng)環(huán)境較差。因此為了進(jìn)一步提高蒸發(fā)冷凝式空調(diào)的運行效率，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)滿足充裕的冷卻風(fēng)量，合理安排機房布局，保證冷凝器有良好的冷卻效果。此外，測試結(jié)果還表明冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度對機組運行效率有不同程度的影響，充分利用負(fù)荷高峰期濕球溫度較低的車站排風(fēng)，可以進(jìn)一步提升蒸發(fā)冷凝式空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

[1]付凱.蒸發(fā)冷凝技術(shù)在西安地鐵空調(diào)系統(tǒng)中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J].制冷與空調(diào),2016,16(1):66-69

[2]張登春.蒸發(fā)冷凝技術(shù)在我國干燥地區(qū)的應(yīng)用研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2001,(3):12-14

[3]涂愛民,朱冬生.蒸發(fā)冷凝器空調(diào)系統(tǒng)的性能及應(yīng)用[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,35(11):66-71

[4]蔣翔,朱冬生.氣候條件對高效蒸發(fā)式冷凝機組性能的影響[J].制冷學(xué)報,2008,29(1):33-38

[5]朱金鳴,曾振威.蒸發(fā)式冷凝機組的性能分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2014,33(6):73-75