张意祥¹  郁文红¹  邹阳³  翟彤³  谷雅秀³  孟鑫⁴  李国庆⁴  潘嵩²
1北方工业大学 土木工程学院；2北京工业大学 建筑工程学院；3长安大学 环境科学与工程学院；4 北京城建设计发展集团股份有限公司

       【摘  要】对北京某地铁站的新型直膨式蒸发冷凝空调系统进行了性能实测，通过分析实测数据研究蒸发冷凝器风量，入口空气干球温度，湿球温度及相对湿度对系统性能系数（COP）的影响。结果显示：COP随着风量的增大而升高，随着入口空气干球温度，湿球温度及相对湿度的升高而降低。同时对较高湿球温度情况下该系统的适用性进行了分析，发现空调系统COP没有明显降低。

       【关键词】蒸发冷凝空调系统；COP；地铁车站

0 引言

       目前地铁站空调系统通常采用传统水冷式系统，然而地铁用水冷式系统除了冷却塔占地，漂水及噪音扰民的问题以外，还存在地下集中冷站建设难度大，投资高；冷却水系统存在水泵能耗高，冬季泄水防冻等问题。蒸发冷凝技器将传统水冷式系统冷凝器中制冷剂冷凝和冷却塔中冷却水降温的过程合二为一，以空气和水为介质，利用水的蒸发吸热带走制冷剂的冷凝热的新型冷凝器。蒸发冷凝器作为一种兼具了冷凝器，冷却水系统以及冷却塔功能的新型换热器，为解决上述问题提供了新的思路。

       目前对于蒸发冷凝空调系统的研究主要是通过搭建实验台来进行，M.Hosoz等人^[1]将蒸发冷凝器与风冷式冷凝器应用于相同的制冷系统中进行测试。发现蒸发冷凝器冷量比风冷式冷凝器冷量高31%，COP高14.3%。H. Metin Ertunc等人^[2]在实验台得到的大量实验数据的基础上利用神经网络系统建立了蒸发式冷凝器系统性能的预测模型。Tianwei Wang^[3]建立了蒸发冷凝制冷系统实验台，以研究提高系统COP的方法。通过测试相对湿度，干球温度与湿球温度和COP的关系，发现干球温度与COP呈负相关关系。综合考虑预冷能耗和干球温度得到最佳进风温度为33.1℃。Huanwei Liu等人^[4] 提出一种双独立式蒸发冷凝空调系统，主要研究了喷淋水温，风速，喷淋密度，环境干球温度和压缩机频率对COP的影响。朱冬生等^[5]研究了喷淋密度对系统性能的影响，发现了喷淋密度存在最优值。李元希等^[6-7]对板式蒸发冷凝器进行了研究发现其存在最佳入口风速和喷淋密度。上述研究由于实验条件各异，侧重点不同其结果通用性不强。对于实际工程中尤其是探究该系统在地铁中的文献较少，多是对地铁站系统应用进行经济性，可行性分析^[8-10]。

       因此本文针对北京某地铁蒸发冷凝空调系统进行了性能实测，探究蒸发冷凝器风量，入口空气干球温度，湿球温度及相对湿度对系统COP的影响。以及对于该系统蒸发冷凝器置于地铁排风道内是否有优势，蒸发冷凝系统在相对湿度较高情况下能否适用的问题，

1 工作原理

       地铁站采用的是直膨蒸发冷凝空调系统，空调系统主要由蒸发冷凝器，引风机，压缩机，直膨式空调机组等组成。如图1所示该系统主要工作原理是：部分站内回风与新风混合送入空调箱，在空调箱内送风与表冷器内制冷剂换热，处理后的送风经送风机送入站内，表冷器制冷剂经压缩机进入放置于排风道内的蒸发冷凝器。冷凝器内的制冷剂与喷淋水进行换热，其中制冷剂经节流阀进入表冷器继续循环。换热后的喷淋水与站内的低温排风以及引风机从新风道内输送过来作为补充的新风换热冷却后进入集水盘再经水泵送入喷淋装置循环利用。由于该站无冷冻水循环系统，压缩机可放置在风道内。因此无需建设地下冷站和冷却塔，避免了传统水冷式系统面临的问题。

2 性能实测与结果分析

       该系统仅在空调季运行，因此为了检测该系统的实际运行状况，分别在2016年7月以及2017年8月对该地铁站的空调系统各进行了为期一周测试，每天有三个测试时段，分别为早上9:00-10:30，中午13:00-14:30，下午15:30-17:00。测试项目：表冷器及蒸发冷凝器风量，出入口空气干球温度和相对湿度。送风机，排风机，压缩机，引风机以及冷却水泵功率。

       2.1 测试方法及数据处理

       2.1.1 制冷量测试

       该系统采用直膨式空调箱，因此其制冷量通过测试表冷器进出口空气温湿度及风速来计算制冷量。测试仪器：手持式多功能测试仪（德国TESTO-480测量精度：温度0.1℃，湿度为0.1%RH，风速为0.01m/s）。具体计算方法如下：

       Q₁=V_aA_bρ_ac_a(h_a,o-h_a,i) 

       式中：Q₁为制冷量，KW；V_a为空调箱表冷器入口平均风速，m/s；A_b为风速测试截面面积，m²; ρ_a为空气密度，kg/m³；ca为比热容，kJ/(kg.K)；h_a,o, h_a,i分别为表冷器进出口空气焓值由温湿度计算得出。

       2.1.2 蒸发冷凝器进口风速以及进出口空气温湿度测试

       蒸发冷凝器散热量测试方法与制冷量测试方法相同，采用手持式多功能测试仪测试蒸发冷凝器进口风速以及进出口空气温湿度。

       2.1.3 功率测试

       采用交直流钳形表（FLUKE365测量精度：电压0.1V，电流0.1A）测量设备三相电压及电流以此计算设备电功率。

       

       式中：ƩI为三相电流之和，A；U为相电流，V；COSφ为功率因数取0.9^[11]

       2.1.4 空调系统性能系数

       空调系统性能系数（COP）为系统单位功率消耗得到的制冷量：

     

       式中：W_c，W_f，W_f,h，W_p分别为压缩机，送，排风机，引风机和冷却水泵功率，kW。

        2.1.5 相关性分析

       为了研究上述变量与系统性能系数COP之间的关系，采用相关系数来辅助分析测试结果。相关系数是研究变量之间线性相关程度的量:

       

       式中：X值为蒸发冷凝器风量，入口空气干球温度，湿球温度及相对湿度等影响系统性能的量；Y值为系统COP。Cov（X,Y）为X与Y的协方差，Var（X）,Var（Y）为X,Y的方差。

       2.2 数据分析

       蒸发冷凝器内的制冷剂被制冷剂管外流动的冷却水冷却，同时冷却水被地铁站排风道内的排风冷却因此其性能受冷却水及蒸发冷凝器进风共同影响。因为测试期间该系统冷却水泵定频运行，冷却水流量不变，因此主要研究蒸发冷凝器进风参数对系统性能的影响。由于测试中存在因雨天制冷系统关闭的情况，排除停机工况后所测数据如下：

 

       2.2.1 蒸发冷凝器进风干球温度对系统COP的影响

       由于蒸发冷凝空调系统性能受多种因素影响但限于实测条件无法排除其他影响因素，对单个因素进行针对性实验。因此在分析单个因素对系统性能的影响时挑选出其他因素相近的数据来排除干扰。由于2017年测试时室外温度变化较小，且该年是在8月底进行的测试地铁站负荷较小导致引风机风量远小于前一年。因此本文针对干球温度的影响研究中选取2016年所测数据中编号为（3,5,6,9,11）的五组数据进行分析，这几组数据湿度相近（70.5%-80.4%），风量相近（26.33m^3/s-33.66m^3/s），制冷量相近（635-795kw）。干球温度范围较大为（26.2-31.8℃）。

       从图2中可以发现当干球温度上升时空调系统COP有下降趋势。对干球温度及COP进行相关性分析得到相关性系数r=-0.782得出两者有较强的负相关关系。虽然送风干球温度的升高对于蒸发冷凝器冷却水的蒸发有着促进的作用但对于该系统干球温度对冷却水与空气的显热传递的促进作用要高于对促进冷却水的蒸发作用。地铁站将蒸发冷凝器置于排风道内利用温度低于室外的排风供给蒸发冷凝器利于系统COP的提高。

       2.2.2 蒸发冷凝器进风相对湿度对空调系统COP影响

       选取2017年所测编号为（12，14-17,20，21）的,7组数据进行分析。这几组数据温度较为接近（25-26℃），风量范围为（12-16.7m³/s）,制冷量范围为（448.7-580kw）。相对湿度范围为（42.4%-66.5%）。

       从图3中可以看出当相对湿度上升时COP有明显的下降趋势，原因是空气相对湿度的增加不利于空气与水的质交换，降低了冷却水的蒸发量。对其进行相关性分析得到相关性系数为r=-0.823，有较强的负相关关系。通过对比2016年，2017年数据可以发现虽然2016年蒸发冷凝器进口空气相对湿度普遍较大，甚至有湿度高达80%的情况出现，且其温度高于2017年。但其COP并未低于2017年。主要原因该站引风机有变频功能，在温湿度较高的情况下风量也有明显的增加可见该系统在湿度较高的情况下也能保证高效运行。

       2.2.3 风量对空调系统COP的影响

       由于2016年和2017年站内负荷相差较大导致蒸发冷凝器入口风量相差较大因此将两年分开分析其中选取2016年数据（2,3,7,10,11）共5组进行分析，这几组数据湿球温度相近（23.9-26.1℃），制冷量相近（622-681kw）选取2017年的（12,14-21）9组数据进行分析。这几组数据湿球温度范围（17.7-20.9℃），制冷量范围（448-643kw）相差不大。

       从图4，5中可以看出COP随着风量变化的趋势完全不同，其中图4空调系统COP随风量增加先增大后减小，而图5中空调系统COP随风量上升而上升，经相关性分析得到图5相关性系数为r=0.67有较强的正相关性。对于风量与COP呈正相关性其原因是风量的上升，风速的增加，增大了空气与水交界面热质传递的剧烈程度，促使热湿交换更加充分。而图4，图5出现差异的主要原因是两年蒸发冷凝器入口风量差异较大，由于风速过高使空气与冷却水接触时间过短换热不充分导致2016年风量增大COP反而下降的情况，因此对于该蒸发冷凝器风量并非越高越好。

       2.2.4 湿球温度对COP影响

       由于2016年和2017年站内负荷相差较大导致蒸发冷凝器入口风量相差较大因此将两年分开分析其中2016年选取数据（3,5,6,9-11）,风量相近（26.3-33.7m3/s）制冷量相近（635.4kw-795.8kw），2017年选取（12,14-17,20,21），风量相近（12-15m3/s）制冷量相近（448.7-580.1kw）。

       从图6，7可以看出入口空气湿球温度对空调系统COP影响较大，对其进行分析可得出其相关系数分别是r=-0.8，r=-0.74有较高的负相关关系。可见湿球温度的升高对空气与冷却水热质交换的削弱作用较为明显。但也有湿球温度升高同时与COP升高的情况出现（比如2-3, 17-19），以及湿球温度下降同时COP下降的情况出现如（8-9,11-12,）通过查看对比湿球温度与风量的情况，发现编号2工况风量较大结合之前分析原因主要是风速过高导致换热效果下降。而17-19,8-9,11-12情况的出现与风量的改变有关，其中17-19工况风量有较大的增幅对系统COP的提升起到了关键的作用，而8-9,11-12工况风量降幅较大导致了COP的下降。从整体分析2016,2017年的数据，尽管2016年蒸发冷凝器入口湿球温度高于2017年但其系统COP并没有整体降低。主要原因是2016年蒸发冷凝器入口风量高于2017年证明了该系统在高湿球温度情况下的适用性。

3 结论

       本文对地铁站直膨式蒸发冷凝空调系统进行了性能测试，考察了不同风量，进风干球温度，相对湿度以及湿球温度对空调系统性能的影响。结果表明风量的增加有利于系统性能的提高，但并非越高越有利，如何决定最佳风量是今后的研究方向。进风干球温度与系统COP呈负相关关系，验证了蒸发冷凝器放置于排风道内利用站内低温排风有益于性能提高。通过2016年与2017年实测数据中相对湿度，湿球温度与空调系统COP的对比发现，即使在相对湿度较高的情况下该系统仍能保持较高的空调系统COP。目前通过实测数据验证了该系统存在较高的节能潜力，今后将通过搭建实验台来进行进一步的研究。

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。