張意祥¹  郁文紅¹  鄒陽³  翟彤³  谷雅秀³  孟鑫⁴  李國慶⁴  潘嵩²
1北方工業大學 土木工程學院；2北京工業大學 建筑工程學院；3長安大學 環境科學與工程學院；4 北京城建設計發展集團股份有限公司

       【摘  要】對北京某地鐵站的新型直膨式蒸發冷凝空調系統進行了性能實測，通過分析實測數據研究蒸發冷凝器風量，入口空氣干球溫度，濕球溫度及相對濕度對系統性能系數（COP）的影響。結果顯示：COP隨著風量的增大而升高，隨著入口空氣干球溫度，濕球溫度及相對濕度的升高而降低。同時對較高濕球溫度情況下該系統的適用性進行了分析，發現空調系統COP沒有明顯降低。

       【關鍵詞】蒸發冷凝空調系統；COP；地鐵車站

0 引言

       目前地鐵站空調系統通常采用傳統水冷式系統，然而地鐵用水冷式系統除了冷卻塔占地，漂水及噪音擾民的問題以外，還存在地下集中冷站建設難度大，投資高；冷卻水系統存在水泵能耗高，冬季泄水防凍等問題。蒸發冷凝技器將傳統水冷式系統冷凝器中制冷劑冷凝和冷卻塔中冷卻水降溫的過程合二為一，以空氣和水為介質，利用水的蒸發吸熱帶走制冷劑的冷凝熱的新型冷凝器。蒸發冷凝器作為一種兼具了冷凝器，冷卻水系統以及冷卻塔功能的新型換熱器，為解決上述問題提供了新的思路。

       目前對于蒸發冷凝空調系統的研究主要是通過搭建實驗臺來進行，M.Hosoz等人^[1]將蒸發冷凝器與風冷式冷凝器應用于相同的制冷系統中進行測試。發現蒸發冷凝器冷量比風冷式冷凝器冷量高31%，COP高14.3%。H. Metin Ertunc等人^[2]在實驗臺得到的大量實驗數據的基礎上利用神經網絡系統建立了蒸發式冷凝器系統性能的預測模型。Tianwei Wang^[3]建立了蒸發冷凝制冷系統實驗臺，以研究提高系統COP的方法。通過測試相對濕度，干球溫度與濕球溫度和COP的關系，發現干球溫度與COP呈負相關關系。綜合考慮預冷能耗和干球溫度得到最佳進風溫度為33.1℃。Huanwei Liu等人^[4] 提出一種雙獨立式蒸發冷凝空調系統，主要研究了噴淋水溫，風速，噴淋密度，環境干球溫度和壓縮機頻率對COP的影響。朱冬生等^[5]研究了噴淋密度對系統性能的影響，發現了噴淋密度存在最優值。李元希等^[6-7]對板式蒸發冷凝器進行了研究發現其存在最佳入口風速和噴淋密度。上述研究由于實驗條件各異，側重點不同其結果通用性不強。對于實際工程中尤其是探究該系統在地鐵中的文獻較少，多是對地鐵站系統應用進行經濟性，可行性分析^[8-10]。

       因此本文針對北京某地鐵蒸發冷凝空調系統進行了性能實測，探究蒸發冷凝器風量，入口空氣干球溫度，濕球溫度及相對濕度對系統COP的影響。以及對于該系統蒸發冷凝器置于地鐵排風道內是否有優勢，蒸發冷凝系統在相對濕度較高情況下能否適用的問題，

1 工作原理

       地鐵站采用的是直膨蒸發冷凝空調系統，空調系統主要由蒸發冷凝器，引風機，壓縮機，直膨式空調機組等組成。如圖1所示該系統主要工作原理是：部分站內回風與新風混合送入空調箱，在空調箱內送風與表冷器內制冷劑換熱，處理后的送風經送風機送入站內，表冷器制冷劑經壓縮機進入放置于排風道內的蒸發冷凝器。冷凝器內的制冷劑與噴淋水進行換熱，其中制冷劑經節流閥進入表冷器繼續循環。換熱后的噴淋水與站內的低溫排風以及引風機從新風道內輸送過來作為補充的新風換熱冷卻后進入集水盤再經水泵送入噴淋裝置循環利用。由于該站無冷凍水循環系統，壓縮機可放置在風道內。因此無需建設地下冷站和冷卻塔，避免了傳統水冷式系統面臨的問題。

2 性能實測與結果分析

       該系統僅在空調季運行，因此為了檢測該系統的實際運行狀況，分別在2016年7月以及2017年8月對該地鐵站的空調系統各進行了為期一周測試，每天有三個測試時段，分別為早上9:00-10:30，中午13:00-14:30，下午15:30-17:00。測試項目：表冷器及蒸發冷凝器風量，出入口空氣干球溫度和相對濕度。送風機，排風機，壓縮機，引風機以及冷卻水泵功率。

       2.1 測試方法及數據處理

       2.1.1 制冷量測試

       該系統采用直膨式空調箱，因此其制冷量通過測試表冷器進出口空氣溫濕度及風速來計算制冷量。測試儀器：手持式多功能測試儀（德國TESTO-480測量精度：溫度0.1℃，濕度為0.1%RH，風速為0.01m/s）。具體計算方法如下：

       Q₁=V_aA_bρ_ac_a(h_a,o-h_a,i) 

       式中：Q₁為制冷量，KW；V_a為空調箱表冷器入口平均風速，m/s；A_b為風速測試截面面積，m²; ρ_a為空氣密度，kg/m³；ca為比熱容，kJ/(kg.K)；h_a,o, h_a,i分別為表冷器進出口空氣焓值由溫濕度計算得出。

       2.1.2 蒸發冷凝器進口風速以及進出口空氣溫濕度測試

       蒸發冷凝器散熱量測試方法與制冷量測試方法相同，采用手持式多功能測試儀測試蒸發冷凝器進口風速以及進出口空氣溫濕度。

       2.1.3 功率測試

       采用交直流鉗形表（FLUKE365測量精度：電壓0.1V，電流0.1A）測量設備三相電壓及電流以此計算設備電功率。

       

       式中：?I為三相電流之和，A；U為相電流，V；COSφ為功率因數取0.9^[11]

       2.1.4 空調系統性能系數

       空調系統性能系數（COP）為系統單位功率消耗得到的制冷量：

     

       式中：W_c，W_f，W_f,h，W_p分別為壓縮機，送，排風機，引風機和冷卻水泵功率，kW。

        2.1.5 相關性分析

       為了研究上述變量與系統性能系數COP之間的關系，采用相關系數來輔助分析測試結果。相關系數是研究變量之間線性相關程度的量:

       

       式中：X值為蒸發冷凝器風量，入口空氣干球溫度，濕球溫度及相對濕度等影響系統性能的量；Y值為系統COP。Cov（X,Y）為X與Y的協方差，Var（X）,Var（Y）為X,Y的方差。

       2.2 數據分析

       蒸發冷凝器內的制冷劑被制冷劑管外流動的冷卻水冷卻，同時冷卻水被地鐵站排風道內的排風冷卻因此其性能受冷卻水及蒸發冷凝器進風共同影響。因為測試期間該系統冷卻水泵定頻運行，冷卻水流量不變，因此主要研究蒸發冷凝器進風參數對系統性能的影響。由于測試中存在因雨天制冷系統關閉的情況，排除停機工況后所測數據如下：

 

       2.2.1 蒸發冷凝器進風干球溫度對系統COP的影響

       由于蒸發冷凝空調系統性能受多種因素影響但限于實測條件無法排除其他影響因素，對單個因素進行針對性實驗。因此在分析單個因素對系統性能的影響時挑選出其他因素相近的數據來排除干擾。由于2017年測試時室外溫度變化較小，且該年是在8月底進行的測試地鐵站負荷較小導致引風機風量遠小于前一年。因此本文針對干球溫度的影響研究中選取2016年所測數據中編號為（3,5,6,9,11）的五組數據進行分析，這幾組數據濕度相近（70.5%-80.4%），風量相近（26.33m^3/s-33.66m^3/s），制冷量相近（635-795kw）。干球溫度范圍較大為（26.2-31.8℃）。

       從圖2中可以發現當干球溫度上升時空調系統COP有下降趨勢。對干球溫度及COP進行相關性分析得到相關性系數r=-0.782得出兩者有較強的負相關關系。雖然送風干球溫度的升高對于蒸發冷凝器冷卻水的蒸發有著促進的作用但對于該系統干球溫度對冷卻水與空氣的顯熱傳遞的促進作用要高于對促進冷卻水的蒸發作用。地鐵站將蒸發冷凝器置于排風道內利用溫度低于室外的排風供給蒸發冷凝器利于系統COP的提高。

       2.2.2 蒸發冷凝器進風相對濕度對空調系統COP影響

       選取2017年所測編號為（12，14-17,20，21）的,7組數據進行分析。這幾組數據溫度較為接近（25-26℃），風量范圍為（12-16.7m³/s）,制冷量范圍為（448.7-580kw）。相對濕度范圍為（42.4%-66.5%）。

       從圖3中可以看出當相對濕度上升時COP有明顯的下降趨勢，原因是空氣相對濕度的增加不利于空氣與水的質交換，降低了冷卻水的蒸發量。對其進行相關性分析得到相關性系數為r=-0.823，有較強的負相關關系。通過對比2016年，2017年數據可以發現雖然2016年蒸發冷凝器進口空氣相對濕度普遍較大，甚至有濕度高達80%的情況出現，且其溫度高于2017年。但其COP并未低于2017年。主要原因該站引風機有變頻功能，在溫濕度較高的情況下風量也有明顯的增加可見該系統在濕度較高的情況下也能保證高效運行。

       2.2.3 風量對空調系統COP的影響

       由于2016年和2017年站內負荷相差較大導致蒸發冷凝器入口風量相差較大因此將兩年分開分析其中選取2016年數據（2,3,7,10,11）共5組進行分析，這幾組數據濕球溫度相近（23.9-26.1℃），制冷量相近（622-681kw）選取2017年的（12,14-21）9組數據進行分析。這幾組數據濕球溫度范圍（17.7-20.9℃），制冷量范圍（448-643kw）相差不大。

       從圖4，5中可以看出COP隨著風量變化的趨勢完全不同，其中圖4空調系統COP隨風量增加先增大后減小，而圖5中空調系統COP隨風量上升而上升，經相關性分析得到圖5相關性系數為r=0.67有較強的正相關性。對于風量與COP呈正相關性其原因是風量的上升，風速的增加，增大了空氣與水交界面熱質傳遞的劇烈程度，促使熱濕交換更加充分。而圖4，圖5出現差異的主要原因是兩年蒸發冷凝器入口風量差異較大，由于風速過高使空氣與冷卻水接觸時間過短換熱不充分導致2016年風量增大COP反而下降的情況，因此對于該蒸發冷凝器風量并非越高越好。

       2.2.4 濕球溫度對COP影響

       由于2016年和2017年站內負荷相差較大導致蒸發冷凝器入口風量相差較大因此將兩年分開分析其中2016年選取數據（3,5,6,9-11）,風量相近（26.3-33.7m3/s）制冷量相近（635.4kw-795.8kw），2017年選?。?2,14-17,20,21），風量相近（12-15m3/s）制冷量相近（448.7-580.1kw）。

       從圖6，7可以看出入口空氣濕球溫度對空調系統COP影響較大，對其進行分析可得出其相關系數分別是r=-0.8，r=-0.74有較高的負相關關系?？梢姖袂驕囟鹊纳邔諝馀c冷卻水熱質交換的削弱作用較為明顯。但也有濕球溫度升高同時與COP升高的情況出現（比如2-3, 17-19），以及濕球溫度下降同時COP下降的情況出現如（8-9,11-12,）通過查看對比濕球溫度與風量的情況，發現編號2工況風量較大結合之前分析原因主要是風速過高導致換熱效果下降。而17-19,8-9,11-12情況的出現與風量的改變有關，其中17-19工況風量有較大的增幅對系統COP的提升起到了關鍵的作用，而8-9,11-12工況風量降幅較大導致了COP的下降。從整體分析2016,2017年的數據，盡管2016年蒸發冷凝器入口濕球溫度高于2017年但其系統COP并沒有整體降低。主要原因是2016年蒸發冷凝器入口風量高于2017年證明了該系統在高濕球溫度情況下的適用性。

3 結論

       本文對地鐵站直膨式蒸發冷凝空調系統進行了性能測試，考察了不同風量，進風干球溫度，相對濕度以及濕球溫度對空調系統性能的影響。結果表明風量的增加有利于系統性能的提高，但并非越高越有利，如何決定最佳風量是今后的研究方向。進風干球溫度與系統COP呈負相關關系，驗證了蒸發冷凝器放置于排風道內利用站內低溫排風有益于性能提高。通過2016年與2017年實測數據中相對濕度，濕球溫度與空調系統COP的對比發現，即使在相對濕度較高的情況下該系統仍能保持較高的空調系統COP。目前通過實測數據驗證了該系統存在較高的節能潛力，今后將通過搭建實驗臺來進行進一步的研究。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。