直接蒸发冷却通风降温在地铁高架车站的应用

2011-05-30乔小博

铁道标准设计 2011年9期

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)

地铁作为一种现代化交通系统，以其速度快、运量大、运行准点等优势成为各大城市客运交通工具的骨干，对缓解城市交通拥挤、促进城市经济快速发展起到重要的作用。从全国各大城市近几年地铁工程建设情况可知，地铁高架线路及高架车站在地铁工程建设中也越来越多，然而地铁高架车站公共区的通风方式一直都是按规范规定采用自然通风的方式，主要是基于降低造价和节省能源的目的考虑［1］。但是作为乘客候车的车站公共区域基本上是一个半封闭的建筑形式，由于乘车、候车的区域人流密集，采用自然通风方式，其环境舒适性相对较差。目前通常做法是在站台设置空调候车室，但受其面积所限，仍无法满足大多数乘客的舒适性需求。随着社会的发展与进步，人们对舒适性要求也越来越高，改善地铁高架车站的环境舒适性也应得到一定的重视。

1 工程概况

西安地铁3号线为西安市城市快速轨道交通线网的主骨架线路，沿主城区东北至西南方向的主要客流走廊布设，一期工程线路全长38.4 km，共设车站25座，其中高架站6座。根据景观要求，全部6座高架车站的有效站台范围内站厅、站台侧立面全部进行封闭，仅有车站两端与室外相通。所选车站为路中三层侧式高架车站，站厅、站台分别布置于地上二层和三层。车站全长118 m，标准段宽度21.6 m，侧式站台宽为 7.2 m。

2 直接蒸发冷却通风降温在高架车站设计应用

2.1 直接蒸发冷却技术及应用

直接蒸发冷却技术，是利用空气与雾化的水直接接触进行热湿交换蒸发吸热来冷却空气的一种空气处理方式，近似于等焓(绝热)加湿的空气处理过程，直接蒸发冷却原理如图1所示，变化过程(①→③)可近似为等焓降温的空气处理过程，在变化过程中空气含湿量增加，温度下降到达湿球温度③点为止。因此，对于干湿球温度差越大的地区，其蒸发冷却效果越好。直接蒸发冷却是由水的蒸发而提供冷量，而不必将蒸发后的水蒸汽再经压缩冷凝回到液态水后再蒸发，可直接补充水分来维持蒸发过程的进行，因此性能系数COP值很高(约为机械制冷的2.5～5倍)，可大大节省运行能耗［2，3］。在低湿球温度地区，直接蒸发冷却空调系统相对于机械制冷系统而言，能源消耗可节约60% ～80%［4］。据文献对我国乌鲁木齐、西安、哈尔滨、北京4个城市的实际计算结果表明蒸发冷却系统的需求功率仅为常规的定风量系统的14% ～19%，蒸发冷却过程所消耗的水量费用远小于节电带来的得益［5，6］。直接蒸发冷却通风空调系统一般采用全新风，属于直接式空调系统，且具有空气过滤器和加湿器的功能，可提高新风的清洁程度，大大提高了室内的空气品质，有利于人体健康，非常适合西北地区的气候条件［7］。

图1 直接蒸发冷却原理

直接蒸发冷却器(又称冷气机)，其工作原理为:由循环水泵不间断地将设备底部水槽内的循环水抽出，通过水泵及流量调节阀将水送至填料顶部经布水系统均匀的喷洒在填料层上，形成连续的水膜。室外空气通过填料层时与水分子充分进行热湿交换，因水的蒸发吸热而降低空气的温度后由低噪声风机加压送入室内［8］。

在地铁工程中，通风空调系统主要作用是保证列车正常运行情况下，排除车站内余热和余湿，为乘客创造一个往返于地面至地铁列车内的过渡性舒适环境。结合目前国内地铁通风空调设计情况可知，对于设置通风空调降温系统的地铁车站，其公共区温度及湿度环境要求基本上为28～30℃和40% ～65%左右，温度波动基本上在±1℃范围内。

综上分析可知，在我国干旱、半干旱及半湿润的西北地区地铁高架车站中，采用一种直接蒸发冷却的通风降温方式其能耗远低于采取如空调制冷等其他通风降温措施，其改善环境舒适性比采取机械通风的措施更加明显。

2.2 西安气象参数分析

西安地处我国西北内陆地区，东经108°56'，北纬34°18'，海拔高度 397.5 m，常年大气压97 029 Pa。春季温暖干燥、夏季炎热多雨、秋季凉爽、冬季寒冷少雨雪，属暖温带半湿润大陆性季风气候区。利用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》［9］对西安市1985～2005年近20年间的气象参数筛选、分析、整理得出，西安市最热月平均温度为26.7℃，6、7、8三个月的月平均温度接近和超过25℃，全年相对湿度在30% ～72%，具有全年气温变化幅度较大、空气相对湿度小、夏季炎热干燥等的气候特点。经分析计算确定，夏季通风室外计算干球温度30.7℃、湿球温度23.3℃、空气含湿量16.1 g/kg·干、夏季通风室外相对湿度54%。

2.3 高架车站直接蒸发冷却通风降温系统设计

据调查了解，乘客从进站买票、站台候车到上车完成一个乘车过程需要3～5 min时间，下车出站约需3 min［1］，整个过程中在站厅只是一个短暂停留买票或进站通过的过程，大部分时间都是在站台等候上车，根据行车间隔的不同，在站台停留的时间或更长。在高架车站站台设置通风降温措施，可使得乘客在整个进站乘车过程中一直是从一个稍差的环境进入另一个稍舒适的环境中，环境舒适度一直在不断提高及改善，从而得到暂时的舒适感。另外，考虑在站台公共区设置通风降温措施也是从简化空调系统形式和节省投资方面综合考虑的。

以下就结合西安夏季空气相对湿度小、炎热干燥的气候特点，根据所选具体车站工程的建筑布局特点，通过车站负荷计算和设备选型计算确定在站台层两端的4间管理用房顶上分别布置1台换热效率88%、迎面风速3.0 m/s、循环风量为22 000 m3/h的直接蒸发冷却器(共布置4台)。直接蒸发冷却器处理后的空气通过管道及均匀布置的散流器风口送入站台公共区内，按照通风管内设计流速不大于5 m/s、人员活动区域空气平均流速不大于1 m/s的原则［10］，经计算确定与直接蒸发冷却器相连接的通风管道规格为1 250 mm×1 000 mm，散流器送风口规格为600 mm×600 mm，具体通风降温系统管路及直接蒸发冷却器设备布置如图2所示。

图2 高架车站站台直接蒸发冷却通风降温系统平面布置(单位:mm)

经计算可知:直接蒸发冷却器的出口空气温度(送风温度)为24.2℃、出口空气相对湿度约89%左右，经散流器风口送至人员活动区的空气平均流速约1.2 m/s，由计算结果表明:经直接蒸发冷却处理后送入站台公共区的空气温度比处理前的室外空气温度低6.5℃，处理后空气相对湿度约89%左右，相对湿度较高。根据ASHRAE新标准，室内温度控制在27.1～29℃，相对湿度在84% ～90%，风速在0.05～0.2 m/s范围内，生理感觉是舒适的［11］。LARRY G.BERGLUND［12］和田元媛等［13］指出，温度在 28 ～ 32 ℃，相对湿度在70%～90%范围内，人体感到满意的空气流速在1.0～1.2 m/s之间，也就是说在此温湿度范围内，若控制空气流动速度在1.0～1.2 m/s之间时，人体感觉也是舒适的。另外由于高架车站站台两端与室外相通，且在列车运行的活塞风的作用下，站内空间空气一直与室外空气也存在一定的对流，因此，送入到站台公共区的空气不会出现湿度过高而产生的负面影响，可满足人员的舒适性要求。

2.4 直接蒸发冷却通风降温系统初投资及能耗分析

所选高架车站选用直接蒸发冷却器的主要性能参数为:循环风量22 000 m3/h，风机电机功率3.0 kW，循环水泵功率0.25 kW，耗水量35 L/h。

根据确定的直接蒸发冷却通风降温系统运行模式进行能耗计算分析，直接蒸发冷却系统每年需运行120 d，每天运行10 h，对直接蒸发冷却通风降温系统的初投资和运行能耗分析如表1所示。

从表1对所选高架车站计算结果表明:在高架车站站台公共区采用直接蒸发冷却通风降温的方式，设备初投资及工程费约21.86万元，约占高架车站工程总投资的3.5‰，年运行维护费用约1.2万元，约占高架车站机电设备系统运行费用的6.7‰。由此表明，在高架车站站台公共区采用直接蒸发冷却器即可实现大风量全新风运行，室内全新风换气次数可达15次/h以上，是改善室内环境舒适性及空气品质的有效手段。同时，相比普通机械送风系统，降低送风温度达6.5℃，已基本近似空调通风系统，而初期工程投资及运行费用明显很低，具有较好的社会经济效益。

表1 直接蒸发冷却通风降温系统初投资及能耗分析

3 直接蒸发冷却通风降温系统在地铁工程的推广应用

我国地域辽阔，各地气候差异较大，具有多种自然环境和复杂的气候条件，按我国气象行业标准《干湿气候区划分》的划分，将全国气候区域划分为“过湿、潮湿、湿润、半湿润、半干旱、干旱及极端干旱”七个气候区域［14］，根据文献［15］经整理统计，得出以“淮安—蚌埠—驻马店—襄樊—汉中—绵阳—雅安—威宁—百色—蒙自”为界，分界线以北以西为气候半湿润～干旱区域，分界线以南以东为气候湿润～过湿区域。图3和图4分别选取该分界线两边的主要代表性城市全年温度曲线和相对湿度曲线。

从图3和图4可看出:太原、兰州、乌鲁木齐、哈尔滨等北方地区气候与西安气候均相似，全年气温变化幅度较大、空气相对湿度小(夏季5～8月相对湿度均在70%以下，尤其兰州和乌鲁木齐市在60%以下)，具有夏季炎热干燥的气候特点，适合直接蒸发冷却技术的应用。因此，在我国北方地区的地铁工程高架车站应用直接蒸发冷却通风降温方式也是适合可行的。