地铁车站蒸发冷却空调机组性能的试验研究

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邓保顺，乔小博

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城市轨道与建筑设计院，西安　710043)

摘　要：详细分析有机填料、无机填料和金属填料的各项物理性能，比选得出不锈钢金属填料更适合地铁工程项目使用。通过实验测试确定出地铁用不锈钢填料的最佳迎面风速和淋水密度，并对地铁车站蒸发冷却空调机组热工性能检测测试，结果表明:相同厚度的填料层采用分段布置热工性能明显优于填料层整体布置的结构布置方式。

关键词： 地铁； 蒸发冷却空调机组； 不锈钢填料； 布置

地铁通风与空调系统常见有制冷空调系统和机械通风系统两种基本形式。地铁设计规范主要从节省通风空调系统运行能耗角度出发，对设置空调系统有着严格规定，在达不到设置空调标准的地区须采用机械通风系统[1]，但机械通风存在车站公共区域环境舒适性差、空气品质低、系统通风量大、运行能耗较高等问题[2]。随着兰州、乌鲁木齐等西北干旱及半干旱地区[3]的地铁项目开始建设，一种适合的新型地铁通风空调系统形式“蒸发冷却地铁通风降温系统”应运而生[4]。目前专门针对蒸发冷却地铁通风降温系统核心设备——蒸发冷却空调机组的产品结构布置形式、性能等研究少之又少。本文将围绕着影响机组性能(蒸发冷却效率、设备阻力等)的各因素进行实验测试，从填料选择、功能段确定、结构布置方式定型设计等方面对地铁车站用蒸发冷却空调机组进行分析研究。

1　蒸发冷却填料实验测试

1.1　地铁蒸发冷却填料选择

目前应用于蒸发冷却的填料除了有机填料(如CELdek、CLASdek等植物纤维填料)和无机填料(如GLASdek玻璃纤维填料等)外，不锈钢填料、铝箔填料等金属填料也越来越多的被广泛采用。各种常见填料在热工性能(填充方式、比表面积、吸湿性能)、阻力、物理性能、防腐和阻燃性能等各方面对比如表1所示[5]。

地铁车站空调负荷大，所有空调设备均须安装于地下设备机房或土建风道内，空调设备外形尺寸及布置数量受限，设备应满足处理风量大、外形尺寸小的特点。因此，在提高迎面风速的情况下如何保证机组蒸发冷却效率、降低设备阻力是地铁车站用蒸发冷却空调机组首要解决的问题。

根据相关文献[6-12]对常见几种填料的实验测试研究结论汇总得出：对于填料蒸发冷却效率的影响，CELdek植物纤维填料和GLASdek玻璃纤维填料受迎面风速变化影响明显高于淋水密度，铝箔或不锈钢金属填料受淋水密度变化的影响明显高于迎面风速；影响填料阻力的关键因素为迎面风速，其次是填料厚度和淋水密度，填料表面水膜层对填料阻力影响最小。

表1　各种填料的性能对比

性能GLASdekCELdek/CLASdek铝箔不锈钢多孔陶瓷无纺布PVC填料填充方式规则规则规则规则多孔结构自由规则比表面积较大较大较大较大大大大吸湿性好好差差好好好阻力小小小小较大大大热工性能好好较好较好好较好较好物理性能(湿挺度)好差较好好好差差防腐性能好较好较好好好较好较好阻燃性能好差好好好差差使用寿命较长长长长长长长

综上分析，结合地铁工程使用环境特殊、检修维护不便、要求设备寿命长等因素，从影响填料蒸发冷却效率的各方面因素以及填料自身的物理性能(湿挺度)、阻燃性、防腐性和使用寿命长、维护保养和清洗方便、阻力小、安全可靠、经济实用等方面综合考虑，不锈钢填料为地铁工程使用的蒸发冷却填料之最佳选择。

1.2　不锈钢填料性能测试

(1)测试方案及仪器

在实验室模拟入口空气温度28～33 ℃、相对湿度20%～35%、喷淋循环水温度16～20 ℃工况下，对影响蒸发冷却效率各主要因素进行测试分析，即不同迎面风速、淋水密度对不锈钢填料蒸发冷却效率和阻力的影响。

实验测试的测点布置如图1所示，具体为：

①入口A处，根据室外空气温、湿度变化来调节加热量和喷水量，以保证填料入口空气参数；

②喷雾段后B处，用于观测填料段入口空气参数是否符合入口条件，并获取填料段迎面风速；

③挡水板后C处，获取直接填料段处理后空气参数，并在B和C处测量填料段前后压差，获取填料阻力；

④水箱内D处，测循环水温，防止水温过高或过低影响机组中填料蒸发冷却效率。

图1　实验测试方案测点布置示意

根据测试内容所需要的测试仪器以及测量精度见表2。

表2　测量仪器及测量精度

仪器量程精度热敏式风速探头(配套Testo480多功能测试仪)0～+20m/s-20～+70℃0～100%RH±(0.03m/s+4%测量值)±0.5℃±(1.8%RH+0.7%测量值)Testo480多功能测试仪-25～+25hPa±(0.3Pa+1%测量值)Testo174H温湿度记录仪-30～70℃0～100%RH±0.5℃±(3%RH+0.03%测量值)玻璃转子流量计100～1000L/h0.25～2.5m3/h±4%金属套管水温计0～100℃±1℃

(2)测试边界条件

为更准确地测出不锈钢填料最佳迎面风速，本次实验测试考虑分别在2、3、4、5 m/s等4档不同空气流速条件下进行实验测试。结合风量调节因素，将填料迎风面划分为两个部分，一部分填料宽×高为500 mm×830 mm，另一部分填料宽×高为300 mm×830 mm，以实现不同的迎面风速。

对于不同风速的填料截面及设备控制模式见表3。

表3　测试设备运行控制

风速/(m/s)2345风机开启台数/台1121填料面积(宽×高)/m0.8×0.830.5×0.83(需要调节阀门)0.8×0.830.3×0.83(需要调节阀门)

由蒸发冷却效率

计算不同比表面积的填料厚度L如表4所示。式中：tg1为进风干球温度，℃；tg2为出风干球温度，℃；νa为迎面风速，m/s；ξ为填料的比表面积，m2/m3；L为填料厚度，m。

表4　不同比表面积下的填料厚度

ξ/(m2/m3)[1**********]0va/(m/s)2345L1/mm[1**********]6L2/mm[1**********]6

L在不同风速取平均值，则有L1=209 mm，L2=508 mm。结合目前市场填料模块的标准厚度(一般为150 mm的倍数)，本次测试不锈钢填料厚度按300、450 mm考虑。

(3)不锈钢填料迎面风速、淋水密度对蒸发冷却效率和阻力的影响测试

图2、图3测试结果表明：不锈钢金属填料蒸发冷却效率受淋水密度变化的影响明显高于迎面风速。300 mm厚度的不锈钢填料最佳淋水密度为7 200 kg/(m2·h)、对应最佳迎面风速为2 m/s或3m/s时蒸发冷却效率可达到87.6%。450 mm厚度的不锈钢填料最佳淋水密度为5 400 kg/(m2·h)、对应最佳迎面风速为3 m/s时蒸发冷却效率可达到90.5%左右。填料阻力随着迎面风速、淋水密度的增加而增大，影响填料阻力的主要因素为迎面风速，在2 m/s迎面风速时填料阻力最小。

图2　300 mm厚不锈钢填料冷却效率、阻力测试结果

图3　450 mm厚不锈钢填料冷却效率、阻力测试结果

2　蒸发冷却空调机组热工性能测试[13]

2.1　热工性能测试机组结构设计

受实验平台测试条件限制，对确定机型填料断面进行等比例缩放至最小单模块尺寸，结合前述对不锈钢填料蒸发冷却效率和阻力测试分析，确定热工性能测试机组的测试填料规格尺寸为高×宽×厚=1 400 mm×500 mm×450 mm和高×宽×厚=1 400 mm×500 mm×(150 mm+150 mm+150 mm)两种方式进行结构设计。采用填料顶部滴淋布水和填料迎风面侧采用喷淋布水的三维布水方式，避免迎面风速过大使水分随气流方向移至填料后侧，造成填料前侧未润湿而存在“干点”的问题[14]。另外，在进风段设导流(均流)格栅、出风段设挡水板，热工性能测试机组结构设计示意如图4、图5所示。

图4　1号机组结构设计示意

图5　2号机组结构设计示意

2.2　热工性能测试机组实验测试

依据JG/T21《空气冷却器与空气加热器性能试验方法》规定的方法[15]，测试模拟干燥地区室外参数干球温度30.1 ℃、湿球温度18 ℃、迎面风速3 m/s，在国家空调设备质量监督检验中心风管式焓差法试验装置上对热工性能机的直接蒸发冷却效率、阻力、淋水温度及显热制冷量进行热工性能测试。测试结果如表5所示。

由表5可知，机组蒸发冷却效率均超过了预期的85%以上，且2号机组填料结构布置方式测试的各项性能指标均明显优于1号机组。

3　地铁蒸发冷却空调机组结构设计

以采用450 mm厚填料为例，结合本次热工性能机组测试结果表明：将整块450 mm厚填料进行分段布置，对被处理空气进行多级串联处理的填料结构布置方式为综合较优的一种方式。考虑到地铁工程实际处理空气量较大、机组规模庞大的情况，为使机组结构紧凑、整体体积较小，地铁工程用的定型机组采用300 mm+150 mm厚两组填料段两级串联处理空气的布置方式。另外，避免大断面尺寸填料表面水膜受重力因素影响而出现由填料顶部至底部厚度不均导致机组效率降低的问题，将填料分为上、下两个模块单元，各单元设置独立的布水系统。断面按3 m/s左右的迎面风速、淋水密度宜控制在6 500～7 200 kg/(m2·h)范围内。

表5　热工性能测试机组相关配置及测试结果

项目1号机组2号机组机组配置参数填料前侧布水形式喷淋喷淋填料上侧布水形式滴淋喷淋填料结构尺寸(高×宽×厚)/mm1400×500×4501400×500×(150+150+150)机组外形尺寸/mm1500×1600×9002100×1500×1380水泵参数流量:9m3/h扬程:30m流量:12.5m3/h扬程:20m测试条件入口参数(干球/湿球温度)/℃30.1/1830.1/18测试风量/(m3/h)75607560机组测试结果(迎面风速3m/s)直接蒸发冷却效率89.3%96.9%机组阻力/Pa344272显热制冷量/kW27.3529.96淋水温度/℃18.6818.55

结合地铁工程设备采购特点及蒸发冷却处理工艺的特殊情况，地铁用蒸发冷却空调机组内部不考虑布设送风机(进行单独选配)，避免风机与填料段之间的间距过小(一般不宜小于2.5 m)，造成填料断面气流分布不均，影响机组蒸发冷却效率和空气大量携带水气的问题，若间距过大，造成机组体积庞大、占用地下空间更大、且检修维护不便。

综上所述，地铁车站用蒸发冷却空调机组顺气流方向依次由进风段、检修空段、填料+喷淋水段(含检修段)、挡水段等功能段组成，一种可行的机组设计结构示意如图6所示。

图6　蒸发冷却空调机组结构示意(单位：mm)

4　结论

(1)结合地铁特点综合分析，不锈钢填料为地铁工程使用的蒸发冷却填料之最佳选择。

(2)在机组填料段结构布置时，按照计算厚度的填料进行分段布置，对被处理空气进行多级串联处理的填料结构布置方式为综合较优的一种方式。

(3)结合地铁工程设备采购特点及蒸发冷却处理工艺的特殊情况，地铁用蒸发冷却空调机组的风机建议进行单独选配。

参考文献：

[1]　中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]　乔小博.直接蒸发冷却地铁通风降温系统设计探讨[J].暖通空调，2012，42(S2):87-90.

[3]　国家气象科学研究院.干湿气候区划分(征求意见稿)[S].北京：国家气象科学研究院，2010.

[4]　盛晓文，黄翔，屈元.浅谈直接蒸发冷却空调在地铁的适用性[J].制冷技术，2013(4):59-62.

[5]　刘小文，黄翔，吴志湘.直接蒸发冷却器填料性能的研究[J].流体机械，2010，38(4):53-57.

[6]　宣永梅，黄翔，武俊梅.直接蒸发冷却式空调机用填料的性能评价[J].洁净与空调技术，2005(1):6-8.

[7]　魏征，耿世彬.有机填料直接蒸发冷却试验研究[J].洁净与空调技术，2009(1):22-26.

[8]　黄翔，武俊梅，宣永梅.两种填料直接蒸发冷却式空调机性能的实验研究[J].制冷学报，2003(3):33-40.

[9]　李鑫，黄翔，盛晓文.铝箔填料在直接蒸发冷却机组中的性能分析[J].西安工程大学学报，2014(2):182-186.

[10]霍海红，黄翔，殷清海，等.直接蒸发冷却器填料性能测试分析[J].西安工程大学学报，2012，26(2):232-235.

[11]盛晓文，黄翔，屈元.直接蒸发冷却填料的性能参数分析[C]∥2013年全国通风技术学术会议论文集，2013.

[12]李鑫，黄翔，盛晓文，等.干燥地区直接蒸发冷却通风降温机组用不锈钢填料的性能研究[C]∥第十九届全国暖通空调制冷学术年会论文集，2014.

[13]中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安工程大学.蒸发冷却通风降温系统在地铁工程的应用研究[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安工程大学，2015.

[14]黄翔，李鑫，邓保顺，等.干燥地区地铁蒸发冷却降温系统关键问题的研究[C]∥2014年全国铁路暖通年会论文集，2014.

[15]中华人民共和国建设部.JG/T21—1999空气冷却器与空气加热器性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，1999.

Experimental Study on Performances of Evaporative Cooling Air Handling Unit in Metro Station

DENG Bao-shun， QIAO Xiao-bo

(Institute of Urban Rail Transit and Architectural Design， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract： After intensive analysis and comparison of the physical properties of organic， inorganic and metal fillers， stainless steel is proved to be the most suitable one for metro project. The optimum air velocity and spray intensity of stainless steel are determined by tests and the thermal performance of the evaporative cooling air handling unit is also tested. The results show that the filler layer of same thickness arranged in sections has better thermal performance than that arranged in whole．

Key words： Metro; Evaporative cooling air handling unit; Stainless steel filler; Layout

中图分类号：U231+.5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.032

文章编号：1004-2954(2016)04-0134-04

作者简介：邓保顺(1970—)，男，教授级高级工程师，1992年毕业于西南交通大学暖通专业，工学学士，E-mail：[email protected]。

基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目(院科11-51)

收稿日期：2015-11-16； 修回日期：2015-12-11