蒸發(fā)冷凝式空調(diào)應(yīng)用于上海地鐵的對(duì)比測(cè)試

王歆悅明崗*臧皓楊國(guó)偉胡曉嘉

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)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(gè)棘手的問(wèn)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(wèn)題，一些工程設(shè)計(jì)中嘗試采用蒸發(fā)冷凝式空調(diào)機(jī)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(guò)程，從而省去冷卻塔設(shè)置。目前我國(guó)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(jì)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(shí)際運(yùn)行情況，并與普通冷水機(jī)組對(duì)比分析節(jié)能情況，利用實(shí)際運(yùn)行中的數(shù)據(jù)，對(duì)影響蒸發(fā)冷凝式空調(diào)機(jī)組運(yùn)行效果的因素進(jìn)行初步探討。

1 測(cè)試基本情況

1.1 工程項(xiàng)目信息

該站為地下三層島式車站，全長(zhǎng)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。現(xiàn)制冷主機(jī)設(shè)置三臺(tái)整體蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組，每臺(tái)額定制冷量751 kW。地下一層設(shè)兩臺(tái)，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(tái)冷機(jī)各配備一臺(tái)額定風(fēng)量125000m3/h的風(fēng)機(jī)。地下二層設(shè)一臺(tái)，采用車站軌行區(qū)排風(fēng)，可利用車站排熱風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排風(fēng)，另增設(shè)一臺(tái)額定風(fēng)量125000m3/h的補(bǔ)風(fēng)機(jī)。

1.2 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試日選在夏季空調(diào)實(shí)際運(yùn)行時(shí)段，測(cè)試內(nèi)容包括蒸發(fā)冷凝機(jī)組的運(yùn)行熱工參數(shù)，主機(jī)及系統(tǒng)能耗參數(shù)。測(cè)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(jī)組主機(jī)耗電量，風(fēng)機(jī)水泵耗電量，耗水量以及風(fēng)井噪聲。

溫濕度類參數(shù)通過(guò)機(jī)組自帶溫度傳感器，輔助增設(shè)5個(gè)溫濕度自動(dòng)計(jì)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)測(cè)點(diǎn)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(shí)間和環(huán)境變化，故每個(gè)測(cè)試日只需測(cè)量一次。冷機(jī)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(shí)段多次測(cè)量。

測(cè)試中用到的儀器有：VAISALA數(shù)字溫濕度計(jì)，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(jí)。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(jí)。

測(cè)試根據(jù)冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)和平均加載率分為如表1三個(gè)工況。各工況均連續(xù)測(cè)試2天，每天的測(cè)試時(shí)間為7:00-19:00。

表1 測(cè)試工況

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 蒸發(fā)冷凝機(jī)組運(yùn)行情況

三個(gè)測(cè)試工況機(jī)組實(shí)際運(yùn)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(yùn)行時(shí)段（9:00-19:00）中所有運(yùn)行冷機(jī)參數(shù)的平均值。

表2 蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

表3 冷凝器風(fēng)量

三個(gè)典型工況冷機(jī)能效系數(shù)分別4.12，4.33，4.41。表中可以看出冷機(jī)實(shí)際運(yùn)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(gè)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(shí)際運(yùn)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(yùn)行時(shí)還發(fā)現(xiàn)機(jī)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(jī)組36～38℃的蒸發(fā)溫度。冷凝溫度過(guò)高的原因之一是冷凝器風(fēng)量偏小。冷機(jī)的實(shí)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(hào)冷機(jī)，實(shí)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(huì)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(gè)原因是冷凝器通風(fēng)環(huán)境較差。圖1是地下一層機(jī)房布置圖，冷機(jī)2#過(guò)于貼近墻壁，冷凝器通風(fēng)過(guò)道狹小，導(dǎo)致部分空間氣流分布不均。因此對(duì)于蒸發(fā)冷凝式機(jī)組來(lái)說(shuō)，保證冷凝器有充足、良好的通風(fēng)對(duì)機(jī)組高效運(yùn)轉(zhuǎn)行關(guān)重要。

圖1 地下一層機(jī)房布置圖

2.2 冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度對(duì)機(jī)組運(yùn)行能效影響

在蒸發(fā)式冷凝器中推動(dòng)總熱交換的動(dòng)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(dòng)熱交換的焓差大，冷凝器換熱能力強(qiáng)。因此冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度是影響機(jī)組性能的關(guān)鍵參數(shù)之一[4]。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)一天穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(jī)組運(yùn)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(dòng)。選取各個(gè)測(cè)試日蒸發(fā)溫度穩(wěn)定不變的時(shí)段，考察冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度對(duì)機(jī)組效率的影響。

圖2和圖3給出了1#冷機(jī)三個(gè)典型測(cè)試日中，冷機(jī)的壓縮機(jī)功率和能效系數(shù)（COP）與冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度的對(duì)應(yīng)情況。三條曲線對(duì)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(jī)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(jī)組能效則隨濕球溫度升高而降低。蒸發(fā)溫度不同時(shí)，蒸發(fā)溫度越高，濕球溫度對(duì)機(jī)組功率和能效系數(shù)的影響越明顯。蒸發(fā)溫度7.2℃時(shí)，濕球溫度上升2.3℃，壓縮機(jī)功率增大18.2%，冷機(jī)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(jī)功率

圖3 冷凝器不同進(jìn)風(fēng)濕球溫度下冷機(jī)COP

圖4給出了地鐵車站5個(gè)測(cè)試日中新風(fēng)和排風(fēng)的濕球溫度變化情況實(shí)測(cè)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(shí)之間達(dá)到峰值，隨后波動(dòng)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(shí)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(jià)值，尤其是在正午過(guò)后排風(fēng)濕球溫度明顯低于新風(fēng)，可以預(yù)見(jiàn)使用排風(fēng)冷卻能夠有效提高蒸發(fā)冷凝式機(jī)組工作效率。

圖4 地鐵站測(cè)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(jī)組與普通冷水機(jī)組運(yùn)行對(duì)比

為了考察蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)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(gè)地鐵車站乙對(duì)比。乙站采用2臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組，每臺(tái)額定制冷量均為781 kW。測(cè)試時(shí)保證兩站冷機(jī)蒸發(fā)溫度、供水平均溫度基本相同，在相同時(shí)間以相同測(cè)量方案測(cè)得冷凍水流量，溫度，補(bǔ)水量及空調(diào)系統(tǒng)各部分的耗電量等參數(shù)，比較兩個(gè)車站空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。

3.1 兩系統(tǒng)運(yùn)行能效對(duì)比

兩個(gè)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(gè)測(cè)試日為評(píng)價(jià)單元，計(jì)算測(cè)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(jī)功率，冷凍泵功率，冷凝器排熱風(fēng)機(jī)功率及補(bǔ)水泵功率之和，乙站普通冷水機(jī)空調(diào)系統(tǒng)總能耗為主機(jī)功率，冷凍水泵功率，冷卻水泵，冷卻塔風(fēng)機(jī)功率及補(bǔ)水泵功率之和。對(duì)三個(gè)不同工況計(jì)算情況如表4所示。

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

表4 兩空調(diào)系統(tǒng)能耗對(duì)比

3.2 兩種空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行水耗對(duì)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撸€有一部分飄逸損失，因此需要一定的水量補(bǔ)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(bǔ)水總量和日單位冷量補(bǔ)水量（表5），甲站單位冷量補(bǔ)水量在0.00210～0.00311m3/kW，乙站單位冷量補(bǔ)水量在0.00185～0.00235m3/kW，從補(bǔ)水量比較，蒸發(fā)冷凝機(jī)組的實(shí)際耗水量稍大。實(shí)際上經(jīng)計(jì)算分析，蒸發(fā)冷凝機(jī)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(guò)對(duì)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(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)冷凝式冷水機(jī)組主要節(jié)能優(yōu)勢(shì)是運(yùn)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(jī)組13.5%，但水耗量稍大。該車站運(yùn)行中存在冷凝溫度偏高的問(wèn)題，究其主要原因是冷凝機(jī)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(yùn)行效率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足充裕的冷卻風(fēng)量，合理安排機(jī)房布局，保證冷凝器有良好的冷卻效果。此外，測(cè)試結(jié)果還表明冷凝器進(jìn)風(fēng)濕球溫度對(duì)機(jī)組運(yùn)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。

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