铁路客站喷雾蒸发冷却高效空调系统研究

张 谦 马高峰

（中国铁路北京局集团有限公司北京站，北京 100005）

0 引言

室内环境越来越受到人们的关注，但传统空调系统大多采用机械制冷，随着能源危机的出现和国家节能减排的号召，喷雾蒸发冷却空调系统的研究与应用逐步得到重视。蒸发冷却技术是一项利用水蒸发吸热的制冷技术，具有节能、高效、环保的优点。相关研究均表明，喷雾蒸发技术可以提升空调性能，即在冷凝器周围喷洒水雾可以使得空调系统能效比（COP）升高，原理在于水雾的蒸发吸热使得冷凝器的周围的温度降低。

目前，很多国内外学者都对喷雾蒸发冷却技术进行了深入的研究。例如，Leidenforst[1]结合前面大量学者关于蒸发式冷却技术做的相关研究，进一步提升了蒸发式冷却器的效率，并针对喷淋水流量进行实验、比对和分析。在室外温度过高时，空调室外机散热能力降低，导致空调耗能增加，经济性会降低。王晓阳[2]针对这种情况，采用CFD的方式，模拟了在不同条件下冷凝器喷水对周围空气温度场的影响。结果表明：喷雾后冷凝器外环境温度降低，随着喷雾量的增加，温度分布更均匀，冷凝器散热能力更强。Teller发明了一种利用空调冷凝水的余冷进入冷凝器空气的装置，可降低新风的温度，达到节能的目的。韩龙娜分析了在空调的室外机加设喷雾系统，可以起到降温的作用，不仅可以使COP增加，而且还能够减少空调的能耗。

基于国内外现有研究成果，结合站房工程中存在的问题，笔者所在单位组织进行科研攻关，研究出一种喷雾蒸发冷却系统，并在某新建高铁站房VRV空调室外机处安装了该系统，进行了运行实验，以研究喷雾蒸发技术对空调系统性能和能耗的影响。

1 喷雾蒸发冷却系统

喷雾蒸发冷却系统包括空气压缩机、阀门、气体储存罐、液体储存罐、玻璃转子流量计、压力表、喷嘴、风筒、轴流风机等，共计14个部件。如图1所示。

图1 系统原理图

实验过程中以水作为液体介质，压缩空气作为气体介质；喷嘴的入口压力控制在0.4 MPa左右，液体流量的变化分别为2 L/h、3 L/h、4 L/h。在实验过程中，喷雾方向定为与气流方向相同为顺喷，相反为逆喷。

2 喷雾蒸发冷却系统在铁路站中的应用

某高铁站房站房总建筑面积为18.3万m2，以站台边缘为基准，建筑檐口高度为36.6 m，站房屋面最高处为45.1 m。最高聚集人数为5000人，2025年高峰小时8137人，2035年高峰小时9315人，2025年日均73973人，2035年日均93151人。该站房的VRV空调系统室外机设于建筑物屋面，图2为屋面安装的喷雾蒸发冷却系统。

图2 屋面安装的喷雾蒸发冷却系统

当地的夏季室外计算参数：空调干球温度为33.5 ℃，空调湿球温度为26.4 ℃，空调日平均温度为29.6 ℃，通风相对湿度为61%，夏季室外平均风速为2.1 m/s。

2.1 多联机喷雾冷却运行实验系统

喷雾蒸发冷却系统使用的喷嘴是由某高校自主研发的气液两相旋流雾化喷嘴。使用气泡切割技术，将水雾化成微米大小的液滴。雾化的液滴粒径小且分布均匀，可加速水分蒸发，达到快速降温的效果。喷嘴的能耗较低，实际喷雾功率消耗仅约7.6 W/kg，在喷雾冷却中节约了能源。

喷雾系统由气路和水路组成，通过调节气体流量计和液体流量计保持喷雾的稳定。空压机功率为750W，储气罐容量为24L，额定排气压力为0.8 MPa。单喷嘴的水流量为3L/h~5L/h时雾化效果较好，采用4个喷头对冷凝器进行喷雾，总流量为20 L/h。

该高铁站房贵宾室、VIP室和售票室等房间均设置了VRV多联机，多联机风冷机组为总制冷量66 kW，采用3台机组并联，机外余压为30 Pa。运行实验过程中，根据设有多联机房间的使用情况，分工况进行讨论和研究。只开启1组室外机组，系统的制冷量在20 kW左右。采用温湿度传感器采集环境参数，制冷量和耗功通过制冷机组监测系统得出[3-4]。

其中喷雾前的空调制冷性能系数如下。

式中：Q为空调的制冷量（kW），E为空调的耗功（kW）。

喷雾后的空调制冷性能系数如下。

式中：Q为空调的制冷量（kW），E'为空调与喷雾系统的总耗功（kW）。

2.2 环境温度对喷雾前后COP增加大小的影响

如图3所示，在环境相对湿度为32%~39%时，喷雾量为20 L/h时，空调在25℃时的COP增量为3.5%，在30 ℃时COP的增量为7.5%，在35 ℃时COP的增量为8.7%，40℃时COP的增量为9.1%。可以看出在30 ℃以上时系统COP的增量要大。原因是在温度较高的环境条件下更容易被蒸发，有利于降低冷凝器温度，提高空调系统COP，这与蒸发冷却测试实验结果相符。

图3 COP增长量随环境温度变化

2.3 环境温度对喷雾降温效果的影响

在相同喷嘴位置、相同喷雾流量和相同环境湿度的情况下，笔者根据不同环境温度下运行来分析环境温度对喷雾降温效果的影响。其中喷嘴喷雾工况1的气体体积流量为0.232m3/h，气体质量流量为0.2784 kg/h，水体积流量2 L/h，气液比为0.1392，风机机量为600 m3/h，风速为1.71 m/s，压力为0.4 MPa。喷嘴喷雾工况2的气体体积流量为0.352 m3/h，水体积流量为2 L/h，气液比为0.2112。喷嘴喷雾工况3气体体积流量为0.256 m3/h，水体积流量为2 L/h，气液比为0.1536。3种不同环境温度下的温度记录如表1所示。

通过对比表1在不同环境温度下的数据可以发现，工况1的开始温度为30.85 ℃，结束温度为26.95 ℃，平均降温幅度为3.9 ℃，工况2的开始温度为23.25 ℃，结束温度为20.45 ℃，平均降温幅度为2.8 ℃，工况3的开始温度为29.075 ℃，结束温度为25.325 ℃，平均降温幅度为3.75 ℃，观察3个工况下测量出来的平均温差可以发现，工况1的平均降温幅度要比工况2和工况3的情况下要高，工况3的平均降温幅度也要比工况2的要高，这与初始环境温度的高低顺序一致，因此总结发现：在其他影响因素不变的情况下，随着环境温度的升高，由于喷雾蒸发吸热效果的加剧，室外机降温幅度也会越来越大，能效提升作用也会随之加强。

表1 不同喷雾流量下的温度记录表

2.4 喷雾量对喷雾前后COP增加大小的影响

在相同的环境温度下对多联机系统的冷凝器进行不同水量的喷雾，在制冷量为20 kW左右时，分别以12 L/h、16 L/h和20 L/h的喷雾量对冷凝器进行喷淋，得到了对应喷雾水量多联机系统COP的增加量。

如图4所示，喷雾前后COP的增加量随着水量的先增加后降低，20 L/h的喷水量对应的增长量最多。当喷水量由12 L/h变为为16 L/h时，COP增长量由6.2%增长到8.7%，当喷水量由16 L/h变为20 L/h时，COP增长量降为8.6%，此时增加水量并没有带来更大的COP增加量，这是因为当水流为20 L/h时，多余的水会聚在冷凝盘管上形成水膜，减少了冷凝盘管与周围环境之间的传热，因此当空调的冷负荷较低时，要注意喷雾的流量，当水雾含量达到饱和时，降温效果已经达到极限，喷雾水量过大时反而会造成浪费。

图4 COP增长量随喷水量变化

2.5 喷雾前后空调系统运行状况

在室外温度为33 ℃，相对湿度为32%时，10:00~12:00连续一段时间8个工况，其中平均制冷能力为22.2 kW，平均整机功率（包括喷雾所用功耗）为5.2 kW，平均COP为4.05，同一条件下未喷雾平均整机功率为5.7 kW，平均COP为3.68。喷雾蒸发冷却系统可以将系统COP提升 9%左右，具体数据如图5所示。

图5 室外33 ℃ 时各工况COP变化

2.6 能耗分析

通过制冷季的数百小时运行实验可知，室外温度为33 ℃，平均制冷能力为22.2 kW，未喷雾时系统平均功率为5.7 kW，喷雾时平均功率为5.2 kW，单台机组耗电功率降低了0.5 kW，相较未进行喷雾降温的系统，可节约8.8%的耗电量。在炎热夏季上午10:00~12:00车站站房的人流量达到高峰时，设计制冷量为66 kW的3台制冷机组全部开启，且房间室内机全部开启。这种高峰工况下，系统未喷雾时，由于室外机群的集热干扰作用，3台室外机总耗电功率约为18.3kW，而运行喷雾蒸发冷却系统进行降温时，3台室外机总耗电功率仅为16.1kW，相较未进行喷雾降温的工况节约耗功2.2 kW，节电率达到12.0%。

3 结论

该文结合喷雾蒸发冷却系统在某新建高铁站房VRV空调室外机的应用，通过以上喷雾蒸发冷却系统的运行实验，可以得出以下结论：1）将该喷雾蒸发冷却系统用于某高铁站房多联机系统对冷凝器进行喷雾时，通过实测证明喷雾可显著降低能耗，提高空调系统的COP。2）提高环境温度，可加大水的蒸发强度，有利于降低冷凝器温度，提高空调系统COP值，但当环境温度高于30℃后，COP的增量将不再明显。此外，环境温度的升高，会增大室外机降温幅度，能效提升作用也会随之加强。3）随着喷雾水量的增加，COP会随之先增加而后降低。实验中，16 L/h的喷水量对应的COP增长量最多，因此，当空调的冷负荷较低时，要注意喷雾的流量，避免喷雾水量过大，造成水源浪费。4）在炎热夏天车站内站房人流量最大，室内冷负荷最高的时间段，VRV室外机组全部开启，但由于室外机群集热干扰作用，相较单台机组工况，喷雾蒸发冷却系统节能效果更佳，节电率从8.8%提升至12%。可见，喷雾蒸发冷却系统非常适用于人流量大的枢纽，如铁路客站或地铁站房。

该文论述了一种喷雾蒸发冷却系统，并将其应用于高铁站房VRV空调系统，可提高空调机组的工作效率，降低系统能耗，具有较高的社会和经济效益，值得推广应用。今后的工作将进一步对该喷雾蒸发冷却空调系统进行改进、提升，为铁路客站的智能、绿色运行提供新的技术选择。