蒸發(fā)冷卻室外設(shè)計計算參數(shù)的確定方法

張 鑫,黃 翔,孫 哲,黃從新,秦忠山

(1.西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院,陜西 西安 710048;2.西北電力設(shè)計院,陜西 西安 710075; 3.陜西延長石油集團有限責任公司延安煉油廠,陜西 延安 727406)

0 引 言

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種環(huán)保高效且經(jīng)濟的冷卻方式,廣泛應用于居住建筑和公共建筑,并可在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域如紡織廠、印刷廠、鑄造車間、動力發(fā)電廠等工業(yè)建筑中提高工人的舒適性.蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)可以降低干球溫度,給居住者提供一個較舒適的環(huán)境,還可通過控制干球溫度和相對濕度改善農(nóng)作物的生長環(huán)境及滿足生產(chǎn)工藝的要求[1].目前相繼修訂和出臺的國家標準，如《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》[2](GB50189—2005)、《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[3](GB50736—2012)等都對蒸發(fā)冷卻選擇和應用提出了相應的要求,但是這些都沒有明確提到蒸發(fā)冷卻需要使用的室外設(shè)計計算參數(shù)的確定方法.目前正在編寫的國家標準涉及到的蒸發(fā)冷卻的部分以及蒸發(fā)冷卻相關(guān)的行業(yè)標準均提出了蒸發(fā)冷卻用室外設(shè)計計算參數(shù)的概念.

建筑物所在地的室外空氣設(shè)計參數(shù)是設(shè)計計算空調(diào)系統(tǒng)過程中的重要設(shè)計依據(jù),進而通過室外設(shè)計參數(shù)來確定空調(diào)負荷與選擇經(jīng)濟技術(shù)合理的空調(diào)系統(tǒng).但是常采用的夏季空調(diào)室外計算干球溫度和濕球溫度是分別不保證50h的干球溫度和濕球溫度值,并不是同時刻的,即空調(diào)室外設(shè)計狀態(tài)參數(shù)確定的室外狀態(tài)點不能在焓溫圖上表示出來.蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用不飽和空氣的干濕球溫差來獲取冷量的一種制冷方式,且干濕球溫差也是影響蒸發(fā)冷卻制冷效率的主要因素,這就要求采用的干濕球溫度必須是同時刻對應的,若將夏季空調(diào)室外計算干球溫度和濕球溫度直接用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計及分析其適應性,就存在著不合理.采用合理的方法確定蒸發(fā)冷卻用室外設(shè)計計算參數(shù),是亟需研究的問題.

針對上述問題,國內(nèi)相關(guān)學者對蒸發(fā)冷卻室外設(shè)計計算參數(shù)進行了研究,得到可通過夏季通風室外計算參數(shù)初步判斷蒸發(fā)冷卻全空氣空調(diào)系統(tǒng)的地域適應性[4];直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的室外設(shè)計干球溫度和和設(shè)計濕球溫度的選取以歷年平均不保證50h干球溫度和濕球溫度之和為原則[5];考慮到室外氣候條件對建筑熱環(huán)境和不同設(shè)備空氣熱濕處理過程的影響,濕球溫度是蒸發(fā)冷卻設(shè)備的主要設(shè)計指標，根據(jù)累年平均不保證50h的濕球溫度確定[6].且在ASHRAE 169—2006建筑設(shè)計標準用氣象數(shù)據(jù)手冊以及2009版的ASHRAE Handbook—Fundamentals第14章CLIMATIC DESIGN INFORMATION中,氣象數(shù)據(jù)分為空調(diào)設(shè)計參數(shù)和蒸發(fā)冷卻設(shè)計參數(shù),空調(diào)的設(shè)計參數(shù)是年不保證率為0.4%、1%和2%時的干球溫度及同期的平均濕球溫度;蒸發(fā)冷卻的設(shè)計參數(shù)是年不保證率為0.4%、1%和2%時的濕球溫度及同期的平均干球溫度[7-8].本文主要在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上得出代表城市的蒸發(fā)冷卻用室外設(shè)計計算參數(shù),并對設(shè)計參數(shù)進行分析.

1 蒸發(fā)冷卻用設(shè)計計算參數(shù)的綜合分析

1.1 蒸發(fā)冷卻氣候分區(qū)

我國是一個多氣候國家,根據(jù)國家標準《蒸發(fā)式冷氣機》[9](GB/T 25860—2010)將各地區(qū)夏季空調(diào)室外計算濕球溫度值分為以下3個地區(qū):(1)干燥地區(qū)(室外空氣濕球溫度小于等于23℃)，如青海、甘肅、新疆、寧夏等地,干濕球溫差較大,露點溫度相對較低,空氣含濕量低；(2) 中等濕度地區(qū)(室外空氣濕球溫度大于23℃小于等于28℃)，如北京、上海、西安等地,室外濕球溫度偏高,干濕球溫差有限；(3) 高濕度地區(qū)(室外空氣濕球溫度大于28℃)，如廣東、福建等地,夏季室外空氣的含濕量過大.

由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的特征以及在各個氣候區(qū)應用潛力的不同,選擇位于干燥地區(qū)的烏魯木齊(夏季空調(diào)室外計算濕球溫度18.2℃)、中等濕度地區(qū)的西安(夏季空調(diào)室外計算濕球溫度25.8℃)、高濕度地區(qū)的廣州(夏季空調(diào)室外計算濕球溫度27.8℃)3個城市進行蒸發(fā)冷卻用設(shè)計計算參數(shù)的研究.

1.2 逐時干球溫度和濕球溫度

在分析過程中需要對各城市的逐時氣象參數(shù)進行統(tǒng)計和處理,主要使用的氣象數(shù)據(jù)庫為:

《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[10]:以中國氣象局氣象信息中心氣象資料室收集的全國270個地面氣象臺站1971～2003年的實測氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過分析、整理、補充源數(shù)據(jù)以及合理的插值計算,獲得了全國270個臺站的建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集.其內(nèi)容包括根據(jù)觀測資料整理出的設(shè)計用室外氣象參數(shù),以及由實測數(shù)據(jù)生成的動態(tài)模擬分析用逐時氣象參數(shù).

建筑用標準氣象數(shù)據(jù)庫[11]:由標準年氣象數(shù)據(jù)、標準日氣象數(shù)據(jù)以及不保證率氣象數(shù)據(jù)構(gòu)成.標準年氣象數(shù)據(jù)是最為重要的部分,把實測的接近平均的12個月份人為地銜接起來做成8 760h的氣象數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于國際地面氣象觀測數(shù)據(jù)庫.標準年氣象數(shù)據(jù)由干球溫度、相對濕度和含濕量等因素構(gòu)成.標準日氣象數(shù)據(jù)是由每年奇數(shù)月中的標準日氣象數(shù)據(jù)構(gòu)成,不保證率氣象數(shù)據(jù)包括冬夏季不保證率為2.5%和5%的干球溫度和相對濕度.

烏魯木齊夏季空調(diào)室外設(shè)計干球溫度是33.5℃,濕球溫度為18.2℃,最熱月7月的室外空氣狀態(tài)逐時分布見圖1.從圖1中可看出全月最高干球溫度點不是濕球溫度的最高點,某些最高干球溫度變化趨勢與濕球溫度變化甚至相反.其中干球溫度最大值為38.8℃,在7月3日15時;濕球溫度最大值為22.2℃,在7月8日22時.通過對7月份逐時氣象參數(shù)的統(tǒng)計,室外溫度高于夏季空調(diào)室外設(shè)計干、濕球溫度33.5℃、18.2℃的小時數(shù)分別為:干球溫度34h,濕球溫度3h.

西安夏季空調(diào)室外設(shè)計干球溫度是35℃,濕球溫度為25.8℃,最熱月7月的室外空氣狀態(tài)逐時分布見圖2.其中干球溫度最大值為37.9℃,在7月31日17時;濕球溫度最大值為27.1℃,在7月31日20時.通過對7月份逐時氣象參數(shù)的統(tǒng)計,室外溫度高于夏季空調(diào)室外設(shè)計干、濕球溫度35℃，25.8℃的小時數(shù)分別為:干球溫度26h,濕球溫度6h.

廣州夏季空調(diào)室外設(shè)計干球溫度是34.2℃,濕球溫度為27.8℃,最熱月7月的室外空氣狀態(tài)逐時分布見圖3.其中干球溫度最大值為35.6℃,在7月28日15時;濕球溫度最大值為31.6℃,在7月6日10時.通過對7月份逐時氣象參數(shù)的統(tǒng)計,室外溫度高于夏季空調(diào)室外設(shè)計干、濕球溫度34.2℃，27.8℃的小時數(shù)分別為:干球溫度43h,濕球溫度23h.

圖1 烏魯木齊最熱月逐時氣象參數(shù)分布圖

圖2 西安最熱月逐時氣象參數(shù)分布圖

圖3 廣州最熱月逐時氣象參數(shù)分布圖

由以上對烏魯木齊、西安、廣州最熱月逐時氣象參數(shù)的分析得知:干球溫度最大時對應的濕球溫度不是最大值,則干球溫度和濕球溫度同時不保證的狀態(tài)點是不存在的.采用夏季空調(diào)室外計算干球溫度和濕球溫度確定室外空氣狀態(tài)點不能體現(xiàn)蒸發(fā)冷卻由干濕球溫度差驅(qū)動制冷的特性.

2 蒸發(fā)冷卻用設(shè)計計算參數(shù)的確定

2.1 計算參數(shù)的確定方法

在相關(guān)學者的研究基礎(chǔ)上,對夏季室外設(shè)計參數(shù)的研究方法如下:

方法一,統(tǒng)計3個城市的夏季通風室外計算干球溫度和相對濕度占最熱月的干球溫度和相對濕度的不保證率,以此分析應用通風參數(shù)的合理與否.若合理的話,通風室外計算干球溫度和相對濕度即為確定的夏季室外設(shè)計參數(shù),統(tǒng)計結(jié)果見表1.

表1 夏季通風參數(shù)和不保證率統(tǒng)計表

方法二,根據(jù)文獻[10]逐時氣象參數(shù)對各城市的不保證50h的干球溫度以及不保證50h的干濕球溫度之和進行統(tǒng)計,不保證50h的干球溫度仍然采用文獻[3]中的夏季空調(diào)室外計算干球溫度.不保證50h的干濕球溫度之和減去夏季空調(diào)室外計算干球溫度得到設(shè)計濕球溫度,則確定了夏季室外設(shè)計干球溫度和濕球溫度,統(tǒng)計結(jié)果見表2.

表2 不保證50h干濕球溫度值及設(shè)計干球溫度

方法三,根據(jù)文獻[3]查得3個代表城市的夏季空調(diào)計算濕球溫度ts,根據(jù)文獻[10]中逐時氣象參數(shù)選取在ts±0.5℃范圍內(nèi)濕球溫度,并對該范圍內(nèi)濕球溫度相應的干球溫度求和,計算得到干球溫度的平均值,該干球溫度即為夏季室外設(shè)計干球溫度,統(tǒng)計結(jié)果見表3.

表3 ts±0.5℃對應的干球溫度值

2.2 計算參數(shù)的分析

蒸發(fā)冷卻設(shè)計計算參數(shù)的確定之前均按照室外計算空氣調(diào)節(jié)的干球溫度和濕球溫度,確定室外空氣狀態(tài)點.研究過程中發(fā)現(xiàn)室外空調(diào)干球溫度和濕球溫度不是在同時刻發(fā)生的,那樣的狀態(tài)點是不存在的,是不合理的、錯位的.而蒸發(fā)冷卻對室外狀態(tài)參數(shù)十分敏感,因此就不能按照完全錯位的狀態(tài)點來確定.參照國內(nèi)外蒸發(fā)冷卻設(shè)計的大量的資料,對上述3種確定方法及2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals不保證率為0.4%的統(tǒng)計結(jié)果進行分析,3個城市設(shè)計計算參數(shù)見表4.

表4 3個城市設(shè)計計算參數(shù)

通過以上幾種設(shè)計參數(shù)的對比可以看出不同的統(tǒng)計方法得到的設(shè)計計算參數(shù)也不盡相同,均有一定的差距.方法一中參數(shù)來源為夏季通風計算參數(shù),可看出干燥地區(qū)及中等濕度地區(qū)的烏魯木齊、西安與其他方法差距較大，高等濕度地區(qū)的廣州與ASHRAE中不保證率為0.4%參數(shù)差距較?。环椒ǘ枰_定典型參數(shù),當蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)用于不同場所時,隨著設(shè)計參數(shù)的改變,氣象參數(shù)會隨著變化；方法三考慮到了濕球溫度，對蒸發(fā)冷卻的影響，對蒸發(fā)冷卻參數(shù)的確定有一定的參考意義.2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals中的氣象數(shù)據(jù)考慮了蒸發(fā)冷卻用氣象參數(shù)中干濕球溫度同時性的情況,但需要結(jié)合我國實際國情選用適合的氣象參數(shù).

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的工程在設(shè)計過程中，室外狀態(tài)點均由文獻[3]中的夏季空調(diào)室外計算干濕球溫度,兩者分別由歷年平均不保證50h溫度統(tǒng)計得到,但是干球溫度和濕球溫度不是同時刻對應的.干濕球溫差是影響蒸發(fā)冷卻制冷效率的重要因素,所以按照現(xiàn)有標準中規(guī)定的氣象參數(shù)仍然存在一定的不合理性.為了確定蒸發(fā)冷卻適用的氣象參數(shù),在相關(guān)學者研究的基礎(chǔ)上,并且根據(jù)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的特點,使用氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的逐時氣象參數(shù)確定蒸發(fā)冷卻夏季室外設(shè)計計算參數(shù).夏季室外設(shè)計計算參數(shù)由3種方法確定,并且選擇位于干燥地區(qū)、中等濕度地區(qū)、高濕度地區(qū)的3個代表城市逐個分析,通過對3種方法以及2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals中氣象數(shù)據(jù)的分析,確定合理的適用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的室外狀態(tài)參數(shù),使蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)得到更廣泛的使用.

參考文獻：

[1] 黃翔.蒸發(fā)冷卻空調(diào)理論與應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010:1-2.

[2] 中國建筑科學研究院.GB50189-2005.公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:13-17.

[3] 中國建筑科學研究院.GB50736—2012.民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:9-10.

[4] 曹陽,陳方圓,劉剛.蒸發(fā)冷卻全空氣空調(diào)系統(tǒng)地域適應性研究[J].暖通空調(diào),2013,43(5):88-92.

[5] 辛軍哲,何淦明,周孝清.室外氣象條件對直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機使用功效的影響[J].流體機械,2007,35(10):79-81.

[6] 趙康,劉曉華,張濤,等.關(guān)于夏季空氣調(diào)節(jié)室外空氣計算參數(shù)的討論[J].暖通空調(diào),2011,41(1):9-13.

[7] ASHRAE Standards Committee. ANSI/ASHRAE Standard 169-2006.Weather Data for Building Design Standards [S].USA:ASHRAE,2006:2-6.

[8] ASHRAE.2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals [M]. USA:ASHRAE,2009.

[9] 澳藍(福建)實業(yè)有限公司、合肥通用機械研究院.GB/T 25860—2010.蒸發(fā)式冷氣機[S].北京:中國標準出版社,2011:18-19.

[10] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學建筑技術(shù)科學系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:9-19.

[11] 張晴原,楊洪興.建筑用標準氣象數(shù)據(jù)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:2-10.