基于直接蒸发冷却技术的地铁通风空调系统应用研究

摘要：简述蒸发冷却技术，分析直接蒸发冷却空调系统原理及其在地铁工程中的应用优势，阐述了直接蒸发冷却空调系统安装方法、安装要点、电气调控要点、运行模式调节要点等。基于直接蒸发冷却技术的地铁通风空调系统，可在保证高效制冷降温效果的基础上，降低制冷过程中的能耗，节省安装空间和使用成本。

关键词：地铁通风空调系统；直接蒸发冷却技术；热质交换；调控要点

0" "引言

当前地铁通风空调系统多使用传统制冷模式，此种制冷模式虽制冷效果明显，但是其能耗高，需配合装配大量设备及管线，配置专用机房，费用成本高，易形成噪声污染[1]。传统制冷模式的地铁通风空调系统能耗约占地铁运营总能耗的六成，超出了地铁列车牵引制动的能耗量，是地铁系统主要电耗项目，其在制冷过程中耗电量巨大[2]。

直接蒸发冷却技术作为创新型节能环保技术，在国内一经应用便广受关注。与常规水冷、风冷模式相比，其在节水、节电、适应复杂环境、节约占用空间等方面优势凸显。如今，直接蒸发冷却空调已广泛应用在建筑等领域中，但应用在地铁项目尚处于初始阶段。

1" "蒸发冷却技术概述

从热传导理论角度分析，蒸发冷却是通过流体沸腾过程中的汽化潜热实现吸收热量的冷却模式[3]。针对空气冷却的蒸发冷却技术分为两类：直接蒸发冷却技术和间接蒸发冷却技术。

直接蒸发冷却技术通过将邻水填料层同空气形成直接接触，将冷却设备本身显热传导至水，实现空气温度降低、湿度提升，以达到加湿降温绝热的目的。应用直接蒸发冷却技术将冷凝器散热，实现冷凝器和冷却塔一体化设计，简化了常规冷却模式繁杂的冷却管线设计，解决了冷却塔的空间占用问题。

直接蒸发冷却技术尤其适用于干燥气候地区，此类地区特征为空气干湿度差异大，干空气资源丰富，这给直接蒸发冷却技术的应用提供了极大的便利条件[4]。基于直接蒸发冷却技术的水循环量，为常规冷却方式的50%～70%，设备整体结构简洁，安装过程及后期维护较方便，将其应用在地下建筑中，有利于降低噪声污染及对地表建筑形成影响。

间接蒸发冷却技术主要通过水蒸发形成制冷，利用传热壁面传递至冷却空气主体的技术模式，即等同于等湿降温的实现过程。

2" "直接蒸发冷却空调系统原理及应用优势

2.1" "工作原理

基于直接蒸发冷却技术的通风空调系统，是为达到直接蒸发冷却效果的专业制冷设备，其主要由风机、喷淋布水器、填料、水槽、循环补水泵、挡水板、净化装置、过滤装置等组成。填料是该系统为达到提升水与空气接触面积及接触时长而特有构件，是空气冷却的关键[5]。直接蒸发冷却通风空调系统的制冷过程，是将室外干空气同邻水填料层直接接触，持续将空气的热量传导至水形成蒸发，进而达到对空气加湿降温的效果。

依据热质交换理论分析可知，在空气同水形成直接接触过程中，在临界表层因为水分子的不规律运动，会形成一层温度与水面温度相同的饱和空气边界结构。此时边界层中水蒸气分压力主要来自边界层的饱和空气温度。一旦周边空气温度同边界层温度存在差异，即形成显热交换效应，水蒸气的分压力差就会形成质交换。

直接蒸发冷却通风空调系统，是通过空气与水的直接接触而形成的湿热交换过程，温差使得空气中的热量传导至水，随着空气显热消失达到降温效果。利用水蒸气形成分压力差，水蒸发融入空气，空气受汽化潜热作用达到加湿效果。整体冷却过程中，空气中的总热量基本保持恒定。直接蒸发冷却通风空调系统主体结构如图1所示。

2.2" "在地铁工程应用优势

2.2.1" "设备自我清洗

根据地铁项目制冷空间的实际需求，按最优角度及方位面向进风向倾斜装配填料，喷淋装置分段布控，以达到预计填料进风面喷淋效果，实现制冷蒸发效率的提升。喷淋区会参考实际空气质量实现进风清洗，配合湿式过滤填料功能，将进入设备机组的绝大部分悬浮颗粒经水流收纳至机组水箱，并经排污口清排。应用在风沙较大地区时，可实现地铁环境的除尘净化效果。

2.2.2" "提升蒸发效率

直接蒸发冷却通风空调系统采用体化倾斜填料设计，使得水与空气形成的水膜经过自上而下填料结构，受进风水平力与重力的联合作用，实现填料表面匀称的水膜分布，以达到蒸发效率的有效提升。

2.2.3" "具有防堵效果

直接蒸发冷却通风空调系统的填料倾斜设计，可在进风面形成水流。水流将进风面悬浮杂质冲至水箱，经排污装置实现清排，可避免悬浮杂质沉积，防止填料进风面堵塞，保证了地铁空调系统的制冷效率和稳定运转。

2.2.4" "可分时调控湿度

直接蒸发冷却通风空调系统可实现喷淋布水装置分段装配，根据气候、季节的差异合理调控喷淋布水装置的启闭状态和喷淋数量，实现空调系统的全过程湿度调控，达到制冷效率的高低精准调节[6]。

2.2.5" "可低风阻运行

直接蒸发冷却通风空调系统填料结构采用特有的波纹波角设计，使其在标准风量条件范围内，实现高速迎面风速下的低阻力运转。若搭配使用轴流风机则可达到更好的效果，能有效压缩设备机组的占用空间，广泛应用于各类环境的地铁项目。

2.2.6" "实现自动化排污

根据地铁项目所在区域的水质情况，装配水质监控设施，一旦循环水箱水质超标，即可持续性排污或自动化定时排污，达到地铁空调系统运行水质的设计需求。

3" "基于直接蒸发冷却技术的地铁通风空调系统应用

3.1" "直接蒸发冷却空调系统的安装方法

在地铁工程中应用直接蒸发冷却通风空调系统，主要用于实现车站内公共区及负荷站厅层等位置的通风制冷功能。

首先在车站端侧室外的位置安设新风井，通过装配粗效过滤器完成整体粗略过滤加工，经过粗效过滤器过滤处理后可达75%的过滤效果。其次装设电子空气净化器，实施新风系统的电子除尘过滤，并通过片状消声器实施降噪消音处理，使机组工作噪音低于要求标准。再次装配启动风阀装置，以实现直接蒸发冷却通风空调系统主控机组对空气的冷却蒸发降温处理。最后蒸发降温后的冷空气，经送风装置的不同路由，送至车站内公共区及负荷站厅层等指定位置。地铁站公共区通风空调系统结构示意如图2所示。

3.2" "直接蒸发冷却空调系统安装要点

直接蒸发冷却通风空调系统主机组应安装在地铁站风道位置。安装过程中应在周边留设检修空间，以方便后续的维护保养操作。在地铁站中板位置装设直接蒸发冷却主机组时，为最大限度降低设备振动干扰，应配置防振垫、找平架等防振装置。由于直接蒸发冷却通风空调系统的循环补水泵长时间工作会排放污水，应安排专门控制装置，以达到环保法规要求的排放标准。

3.3" "直接蒸发冷却空调系统电气调控要点

一是给直接蒸发冷却通风空调系统加装报警装置，实现水位监测和压差监测功能，并可完成设备的自身定时清洗。二是直接蒸发冷却通风空调系统需装配电流超量过载保护装置及自动启停装置，应配置三相四线动力配线，并做接地保护。三是依据地铁项目需求，在直接蒸发冷却通风空调系统中装设送风温湿度电气调控装置，以实现温湿度可控调节。四是为达到环境监测标准，在直接蒸发冷却通风空调系统中配备温湿度变送器，支持标准电压电流输入信号，以实现新风运行、送风状态等参数的收集和上传。五是给直接蒸发冷却通风空调系统的循环补水泵加装变频控制器，以调节补水泵转速，达到喷淋布水器的喷水量可控。六是给直接蒸发冷却通风空调系统的空调送风装置配备变频控制器，以调节送风装置转速，达到送风装置风量可控。

3.4" "直接蒸发冷却空调系统节能运行模式调节要点

3.4.1" "空调系统的功能

地铁直接蒸发冷却通风空调系统的功能，是在确保列车正常运营的基础上，通过清排站内热量和湿度，为乘坐人员和工作人员提供适宜的乘车温湿度环境。地铁车站内公共区域的通风空调系统，应将温度保持在25～29℃之间，应将湿度保持在40%～70%之间。

3.4.2" "站内风亭处与公共区域的调节

地铁站内风亭处的直接蒸发冷却通风空调系统，应与公共区域的直接蒸发冷却通风空调系统的工作模式相同。主要依据差异性季节气温的变化曲线，通过二者的配合使用，实现寒冷期封闭小新风运行模式、夏季蒸发冷却变频降温运行模式及春秋过渡季的机械通风变频运行模式之间的切换调节，达到预期的制冷降温效果[7]。

各个模式之间的设定，主要参照不同季节室外温度的波动变化因素确定，以调节系统主控站内通风空调系统运行模式。同时利用空调系统出风口处温湿度传感器、站内风亭处的温湿度传感器、站内公共区域温湿度传感器的数据收集反馈，回送至调节系统，通过调节系统预先设置的标准参数完成分析比对，实现空调系统运行模式的最终选定。

3.4.3" "夏季温湿度调节

如风亭处温湿度传感器反馈值大于夏季通风设定温度值，应按预先设定开启全新风运行模式，启动直接蒸发冷却通风空调系统实现空气降温。同时启动站内排风、送风装置实现站内公共区位置的降温。比对公共区域温湿度传感器反馈数据和预先设定的标准值，将比对结果实时传送至调节系统，实现公共区温湿度运行设定。依据站内公共区域温湿度基准预先设定，应控制站厅温度低于29℃，站台温度低于28℃，控制公共区湿度在40%～70%区间，参考比对数据调节控制系统频率设定，同时设定机组风机、循环泵为变频运转模式。

3.4.4" "过渡季温湿度调节

如风亭处温湿度传感器温度反馈值小于夏季通风设定温度值（23.7℃），且大于冬季通风计算温度值（-19.7℃），应依据预先设定切换至过渡季机械通风变频运行模式。此时停运直接蒸发冷却通风空调系统，闭合系统前端风阀，变频模式启动排风机与送风机，实现站内公共区机械通风运转。

3.4.5" "冬季温湿度调节

在风亭处温湿度传感器温度反馈值，小于冬季寒冷通风计算温度值（-19.7℃）时，根据预先设定切换至寒冷期封闭小新风运行模式。通过直接蒸发冷却空调系统关闭排风机与送风机，运行启动小新风机，通过预热设置达到站内所需的最小新风量要求，调控站内公共区新风给定温度在8～16℃区间。

4" " 结束语

在地铁工程中应用直接蒸发冷却通风空调系统，利用外界干空气作为驱动源以达到制冷降温效果，具有制冷效率高、制冷效果好、环保节能、运行稳定可靠等优点，且无需配备大量管线和控制设备，减少了占用的空间和费用，取得了节能降耗、提质增效的成果。本文针对基于直接蒸发冷却技术的地铁通风空调系统的应用展开研究，相关成果可为直接蒸发冷却通风空调系统在地铁工程中的实际应用提供参考。

参考文献

[1] 陈洁.蒸发式冷凝空调系统在地铁中的应用分析[J].建筑热能通风空调，2020，39（7）：57-59.

[2] 郑程升.蒸发冷却技术在乌鲁木齐地铁的应用分析[J].制冷与空调，2015，15（8）：38，60-64.

[3] 周群，高吉祥，罗佳.直膨式蒸发冷凝空调系统应用于南方地铁车站的可行性分析[J].建筑技术开发，2017，44（1）：151-152.

[4] 吴磊，黄翔，金洋帆，等.兰州某地铁站直接蒸发冷却设备实测与分析[J].制冷与空调（四川），2021，35（2）：249-253.

[5] 杨立然，黄翔，贾曼，等.蒸发冷却与机械制冷协同耦合空调机组探讨[J].制冷与空调，2018，32（1）：7-13.

[6] 许晶晶，黄翔，张鸿，等.公共场所用单元式蒸发冷却空调的设计与测试分析[J].流体机械，2019，47（9）：84-88，77.

[7] 郭谊婵.蒸发式冷凝技术在地铁车站空调系统中的应用研究[J].黑龙江科技信息，2017（17）：82-83.

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