近年来,我国地铁建设高速发展,各大城市陆续投资建造地铁。在给人们出行带来便利的同时,配套的地铁站冷却塔也带来了一系列问题,如冷却塔的排风、余热、飘水、军团菌 ^[1,2]、噪声 ^[3]、景观等对周边环境和人流干扰越来越明显。特别是冷却塔噪声及景观问题,越来越引起人们的关注。

　　 这些问题与冷却塔的布置方式密切相关。国内常规冷却塔的布置形式主要分为3类:高风亭冷却塔、地面冷却塔、下沉式冷却塔,另外还有一些非常规冷却塔布置形式,如地下封闭式冷却塔、蒸发冷凝式冷水机组、绿化隐匿式冷却塔等 ^[4,5,6]。将冷却塔设置在地下封闭空间内,通过进、排风亭进行热量交换,这种方式能有效解决地面冷却塔存在的噪声、景观等问题。

　　 考虑到地下冷却塔优势及地铁工程空间特点,国内针对冷却塔的设置方式进行了广泛研究。蔡亚桥依据地铁车站空调系统的运行特点及地铁车站新、排风井的设置原则,对冷却塔布置在地下的可行性进行了分析,结果发现冷却塔放在地下是可行的,且能够提高地铁空间利用率,解决噪声、景观等问题 ^[7]。罗辉等人结合地铁风道、出入口的设置特点,提出一种利用地铁排风的隐匿式冷却塔,与常规冷却塔设置方案相比,其噪声低、景观效果好、节能环保、节地 ^[8]。对于蒸发冷凝式冷水机组 ^[9],由于取消了一级冷却水循环,直接将制冷剂工质由冷水机组的压缩机出口引至蒸发式冷凝器中,用空气及循环喷淋水将其冷却,其应用在地铁中也是目前的研究方向之一。苏晓青等人从传热传质机理、室外气象参数影响、排风方式等方面对蒸发冷凝式冷水机组在地铁空调系统中的可行性进行分析,并与传统水冷螺杆式冷水机组对比,发现其在地铁空调系统中的应用是可行的 ^[10]。张超等人以某地铁站为例,对蒸发冷凝式螺杆冷水机组在地铁车站空调系统中的应用进行分析,从节地、节能、节水、设备投资等方面与传统水冷式螺杆冷水机组进行比较,结果表明,蒸发冷凝式螺杆冷水机组更加节能环保 ^[11]。

　　 非常规冷却塔布置形式能较好地解决地面冷却塔存在的一系列问题,但仍存在一些不足,如常规鼓风逆流式冷却塔排风口上部空间狭窄,出塔空气无法从排风井顺利排出,分体蒸发冷凝式冷水机组中制冷剂长距离输送及换热器结垢、费用高昂等。

　　 针对地面冷却塔存在的问题及地下冷却塔、蒸发冷凝式冷水机组的一些缺点,本文开发设计了一种新型离心鼓风横流式侧出风冷却塔,并对其应用在地铁进行多方面分析,包括冷却塔的热力性能、地下设置方案、环境影响、能耗、设备投资费用等,为该塔型在地铁工程中的推广应用提供了基础数据。

　　 鼓风式机械通风冷却塔是指风机设置在冷却塔进风口的冷却塔。从换热原理而言,鼓风式冷却塔仍属于传统的横、逆流式冷却塔,主要区别在于鼓风式冷却塔采用离心式风机,其压头高于普通冷却塔的风机,同时将传统的吸入式进风改为压送式,故可布置于相对封闭的空间。

　　 离心鼓风横流式侧出风冷却塔是一种水流从塔上部竖直落下,空气水平流动通过淋水填料后从侧面排出,气流与水流正交的鼓风式机械通风冷却塔,如图1所示。其工作原理是依靠塔的离心风机,把塔外的冷空气经塔的进风道送入塔内,而需冷却的介质则由布水系统均匀分布到各个非金属喷嘴中,通过喷头使介质均匀洒在填料上,与空气进行换热。湿热空气再经冷却塔收水器收水处理后排至塔外,冷却后的介质则汇集后进入集水盘。

　　 离心鼓风横流式侧出风冷却塔体积小、结构紧凑,塔体高度较小,与其他形式的冷却塔(如常规横流式、逆流式、鼓风侧进顶出风式等)相比,更加适合安装在狭窄空间中。塔体较长,能够沿着地下风道布置,增加风道的空间利用率。图2为地铁站地下特殊环境下该塔型的风道安装示意图。一方面不需多开挖土方,减少土建投资;另一方面可以利用车站排风冷却,变废为宝。

　　 为了模拟地下风道环境,搭建了如图3所示的冷却塔测试平台。其外形尺寸为3.00 m×5.48 m×2.70 m。风机额定功率为15 kW,水泵额定功率为45 kW。实验测试参数主要包括空气参数、冷却水参数。空气进、出口干湿球温度由温湿度巡检仪采集,进口风速由风速仪测得,冷却水进、出口温度由热电阻测量,管内冷却水流量由阀门控制,其流量通过超声波流量计监测。表1给出了实验测试仪表的具体参数。

　　 根据地铁车站的负荷特点及运行模式特性,一般在夏季,排风道内的空气湿球温度低于室外空气温度,主要是由于在地表一定深度下,空气温度振幅小且相位相对于室外空气温度的相位要滞后 ^[12]。根据广州某地铁站实测夏季排风道排风湿球温度及室外湿球温度(见图4) ^[8],排风湿球温度在25～26 ℃之间变化,室外湿球温度在26～27 ℃之间变化,排风湿球温度较室外湿球温度平均约低1 ℃,在中午12:00,最大相差1.9 ℃。考虑到空气湿球温度是影响冷却塔热力性能的重要因素,以及地铁站内排风湿球温度的变化,本文选择湿球温度为变量,分析其对离心鼓风横流式侧出风冷却塔热力性能的影响。

　　 为了评价冷却塔的热力性能,采用GB/T 7190.1—2008《玻璃纤维增强塑料冷却塔 第1部分:中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔》中所定义的热力性能η ^[13]及冷却效率α ^[14]:

　　 $\eta =\frac{\text{Δ}t{}_{\text{t}}}{\text{Δ}t{}_{\text{c}}}\times 100(1)$

　　 式中 η为实测冷却能力占设计冷却能力的百分比,%;Δt_t为修正到标准设计工况后的进出塔水温差,℃;Δt_c为标准设计工况的进出塔水温差,取5 ℃。

　　 设计工况(进水温度37 ℃)的水温降为 ^[13]

　　 $\text{Δ}t{}_{\text{B}}=\text{Δ}t{}_{\text{t}}[\begin{array}{l}\\ \end{array}1+\frac{t{}_1-t{}_{\text{w}\text{b}}+45-\text{Δ}t{}_{\text{t}}}{45(t{}_1-t{}_{\text{w}\text{b}})-\frac{\text{Δ}t{}_{\text{t}}{}^2}{3}}(t{}_{\text{B}}-t{}_1)\begin{array}{l}\\ \end{array}](2)$

　　 式中 Δt_B为标准设计工况(进水温度37 ℃)的水温降,℃;t₁为测定的进水温度,℃;t_wb为测定的湿球温度,℃;t_B为设计进水温度,取37 ℃。

　　 根据Δt_B及测得的湿球温度,利用GB/T 7190.1—2008提供的水温降-空气湿球温度图,换算成冷却塔在标准设计工况下(即t_wb=28 ℃)的水温降Δt_t。并通过式(1)计算被测冷却塔的热力性能,比值不小于95%为合格。

　　 冷却效率α:

　　 $\alpha =\frac{t{}_{\text{c},\text{i}}-t{}_{\text{c},\text{o}}}{t{}_{\text{c},\text{i}}-t{}_{\text{a},\text{w}}}(3)$

　　 式中 t_c,i为冷却水入口温度,℃;t_c,o为冷却水出口温度,℃;t_a,w为入口空气湿球温度,℃。

　　 根据地铁内车站排风湿球温度,选择在空气湿球温度为25～28 ℃的范围内进行实验。如图5所示,可以看出入口空气湿球温度在25～28 ℃变化时,冷却塔热力性能略微下降但变化不大,且热力性能都在100%以上,能够满足GB/T 7190.1—2008所要求的热力性能。依据式(2)及水温降-空气湿球温度图将各个湿球温度所对应的进出塔水温差修正到标准设计工况下的进出塔水温差,并由式(1)对塔的热力性能进行计算。如湿球温度为25.2 ℃时,修正到标准设计工况下的水温差为5.15 ℃,标准设计工况的进出塔水温差取5 ℃,从而所计算出的塔热力性能为103%。表明该冷却塔的实际冷却能力大于标准设计工况下的冷却能力。而湿球温度升高时,实际进出塔水温差变小,但修正到标准设计工况下的进出塔水温差基本不变,且都大于标准设计工况的进出塔水温差,故冷却塔的热力性能变化不大,且都在100%以上。随着入口空气湿球温度的升高,冷却塔的冷却效率也随之升高,这是由于冷却水出口温度t_c,o的变化小于环境湿球温度t_a,w。

　　 利用地铁站特殊的通风环境,将冷却塔设置于风道空间,以充分利用地铁的排风,增加冷却塔的冷却效果。将离心鼓风横流式侧出风冷却塔设置在地下风道上,主要考虑以下3种方案。

　　 如图6所示,将冷却塔布置在新风竖井与排风竖井之间,一侧进风,一侧排风,冷却塔的排风从排风竖井排至室外。

　　 如图7所示,冷却塔布置在车站排风道内,利用车站排风进行冷却,冷却塔的排风通过排风竖井排出。由前面知,车站排风湿球温度通常较室外湿球温度低,冷却塔冷却能力更好。

　　 如图8所示,冷却塔设置在车站排风道内,利用车站排风及新风的混合风进行冷却,冷却塔的排风通过排风竖井排出。

　　 选择文献[15]所采用的地铁车站为研究对象,将设计的离心鼓风横流式侧出风冷却塔、整体式蒸发冷凝机组方案、原车站所采用的地面冷却塔方案进行综合性能的比较分析,包括对城市环境的影响、能耗、设备投资、系统占地面积等。

　　 该地铁车站为地下2层结构,地下1层为站厅层,地下2层为站台层。在车站东、西端地面上各设有2座活塞风井、1座新风井和1座排风井。车站原选用2台水冷螺杆式冷水机组(LS-A01,LS-A02),承担车站大、小系统的冷负荷,单台额定工况制冷量527.9 kW。同样,采用与整体式蒸发冷凝机组相同的布置方式,将离心鼓风横流式侧出风冷却塔布置于新风竖井与排风竖井之间,如图6所示,可以充分利用现有土建结构,机房面积、层高、新风道和排风道都不作调整。

　　 对城市环境的影响主要涉及噪声和城市景观。图9为所研发的离心鼓风横流式侧出风冷却塔的噪声测试示意图,表2为噪声测试结果。由表2可以看出,该塔噪声低,满足国家标准要求。表3显示了不同布置形式对城市环境的影响,可以看出,在地面上布置冷却塔产生的噪声和城市景观影响最大。地面冷却塔设置在地面,常存在噪声大、对周围景观造成影响等问题,而离心鼓风横流式侧出风冷却塔及整体式蒸发冷凝机组设置在地下风道内,对城市景观、周边噪声影响较小。

　　 根据某车站满负荷制冷量,计算出冷水流量约为2×91 m³/h,冷却水流量约为2×109 m³/h,冷却塔流量约为2×131 m³/h。根据现有的冷却塔型号,选择流量为137 m³/h的离心鼓风横流式侧出风冷却塔,该冷却塔型号为PG-3054H,名义流量为137 m³/h,电动机功率为11 kW,冷却水泵功率为11 kW,外形尺寸为3.00 m×5.48 m×2.70 m。采用离心鼓风横流式侧出风冷却塔方案,相当于更换地面冷却塔,故机组功率保持不变。离心鼓风机横流塔放置于地下,缩短了管程,降低了冷却水泵能耗,相较于整体式蒸发冷凝机组,不需要增加强排风机。具体能耗分析结果见表4。

　　 由表4可以看出,车站使用离心鼓风横流式侧出风冷却塔与地面冷却塔的COP相同,前者系统能效比高,且均高于整体式蒸发冷凝式冷水机组,更节能。

　　 表5为3种方案所需的设备初投资,整体式蒸发冷凝式冷水机组方案投资最高,比传统地面冷却塔方案高约90%,离心鼓风横流式侧出风冷却塔造价略高于传统地面冷却塔,而其设置于排风道内,使得管道费用较传统地面冷却塔减少约20%,另外考虑离心鼓风横流式侧出风冷却塔所节省的征地费用后,采用该方案综合造价将最低。

　　 表6为各方案系统占地面积对比。根据离心鼓风横流式侧出风冷却塔所需的风量(164 400 m³/h×2),进、出口风速按4 m/s考虑,新、排风道面积增加约11.2 m²,活塞风井口部过风面积基本维持不变,征地面积减少约176 m²。从表6可以看出,离心鼓风横流式侧出风冷却塔方案与整体式蒸发冷凝式冷水机组方案的新、排风道面积都增加,但相差不大。而且离心鼓风横流式侧出风冷却塔高度最低,机房层高可降低,安装方便。由于湿热空气由侧面排出,不需要增加强排风机及风管。两者与传统地面冷却塔方案相比,减少了冷却塔占地面积,从而减少征地面积。占地面积因车站需求不同而变化。

　　 通过模拟地下风道环境,搭建了冷却塔实验平台,并根据地铁车站全天排风湿球温度变化,对本文所设计的离心鼓风横流式侧出风冷却塔进行了实验。结果表明湿球温度在25～28 ℃变化时,离心鼓风横流式侧出风冷却塔能够满足所需的性能要求。比较发现:与传统地面冷却塔相比,设备初投资费用略高,但在节省地面空间上优势明显,同时可以节省征地费用及土建投资,并能有效解决地面冷却塔所出现的噪声大、景观差等问题;而与整体式蒸发冷凝式冷水机组相比,两者都能节省地面空间,但蒸发冷凝式冷水机组造价高且能耗大。离心鼓风横流式侧出风冷却塔对于解决冷却塔设置的问题,是一种可行方案。