干燥地區(qū)間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的適用性分析

孫鐵柱 王 鑫 王 祺 孫 歡

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的冷卻方式，在碳達(dá)峰碳中和的雙碳目標(biāo)背景下，更應(yīng)該得到大力推廣。蒸發(fā)冷卻技術(shù)最早應(yīng)用在紡織廠，其空調(diào)形式是直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)噴水室，因直接蒸發(fā)冷卻制取的冷風(fēng)或冷水溫度最低是室外空氣的濕球溫度，其應(yīng)用范圍受到一定的限制，因此目前已有紡織廠應(yīng)用間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)為車間制取冷量。但對(duì)于間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備［1-3］的研究大多數(shù)集中在設(shè)備的耗水量、COP等性能，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)冷卻設(shè)備在不同地區(qū)出風(fēng)出水溫度進(jìn)行分析。為了配合蒸發(fā)冷卻技術(shù)［4-6］在干燥地區(qū)的應(yīng)用，本研究依據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中全國(guó)民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)室外氣象參數(shù)［7-9］，對(duì)夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)濕球溫度小于23 ℃的89 個(gè)干燥地區(qū)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，選擇了18 個(gè)具有代表性的城市，以60%、65%、70%、75%和80%不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器［10］計(jì)算出可降低的不同濕球溫度程度，并分析了采用間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可制取的冷風(fēng)冷水極限溫度［11］，為蒸發(fā)冷卻技術(shù)在干燥地區(qū)的紡織廠、民用建筑等應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 室外濕球溫度降低程度分析

1.1 間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

一般間接蒸發(fā)冷卻段由不同類型的間接蒸發(fā)冷卻器組成，分為內(nèi)冷式和外冷式，用以處理進(jìn)入直接蒸發(fā)冷卻段的空氣，如圖1 所示。

圖1 間接蒸發(fā)冷卻器原理圖

間接蒸發(fā)冷卻的主要目的是對(duì)空氣進(jìn)行等濕降溫［12］，在間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備中，間接蒸發(fā)冷卻段的目的是為了降低室外空氣的濕球溫度再送入直接蒸發(fā)冷卻段，便于獲取更低溫度的冷風(fēng)或冷水。

1.2 不同地區(qū)濕球溫度降低程度分析

依據(jù)GB 50736—2012，濕球溫度小于23 ℃為干燥地區(qū)，從分布來(lái)看，南方城市占比較少，大部分是北方城市。選取全國(guó)18 個(gè)典型城市，采用濕球效率（η）為60%、65%、70%、75%和80%的間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)，計(jì)算出對(duì)室外空氣濕球溫度降低程度，如圖2 所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于同一城市來(lái)說(shuō)間接蒸發(fā)冷卻器的濕球效率越高，濕球溫度降低程度越大。在濕球效率為60%時(shí)，可將這些地區(qū)濕球溫度最低降低0.48 ℃、最高降低3.20 ℃；在濕球效率為65% 時(shí)，最低降低0.52 ℃、最高降低3.50 ℃；在濕球效率為70%時(shí)，最低降低0.56 ℃、最高降低3.80 ℃；在濕球效率為75% 時(shí)，最低降低0.60 ℃、最高降低4.10 ℃；在濕球效率為80% 時(shí)，最低降低0.63 ℃、最高降低4.40 ℃。在這18 個(gè)城市中，烏魯木齊濕球溫度降幅最大，黃山降幅最小。

圖2 不同濕球效率下濕球溫度降低程度

圖3 為濕球效率為65%、70%、75%、80%時(shí)與濕球效率為60%可降低濕球溫度的差值對(duì)比，分別用Δt1、Δt2、Δt3和Δt4表示?？梢钥闯觯g接蒸發(fā)冷卻器濕球效率越高，降低濕球溫度程度越高，其濕球效率每提高5 個(gè)百分點(diǎn)，濕球溫降多降低0.12 ℃～0.30 ℃。二連浩特、阿里地區(qū)、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州隨著濕球效率的增加，濕球溫度降低幅度變化較大，黃山變化較小。

圖3 不同濕球效率與濕球效率60%對(duì)入口空氣濕球溫度降低程度對(duì)比

2 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷水（風(fēng)）溫度分析

2.1 極限溫度分析

利用18 個(gè)城市的標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn)，配制不同濕球效率間接蒸發(fā)冷卻器的間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷水（風(fēng)）的極限溫度如圖4 所示?？梢钥闯觯苽涞睦滹L(fēng)冷水溫度最低的城市為阿里地區(qū)，在配備濕球效率為60%、65%、70%、75%和80%間接蒸發(fā)冷卻器下，可制備的極限溫度分別為6.89 ℃、6.66 ℃、6.44 ℃、6.21 ℃和5.98 ℃；制備的冷風(fēng)冷水溫度最高城市為延安，可制備的極限溫 度 分 別 為21.44 ℃、21.32 ℃、21.20 ℃、21.08 ℃和20.96 ℃；制備的最低極限溫度與最高極限溫度相差分別為14.55 ℃、14.66 ℃、14.76 ℃、14.87 ℃和14.98 ℃。

圖4 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備出水（風(fēng)）極限溫度

2.2 實(shí)際制備冷風(fēng)溫度分析

本研究將不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器與不同厚度的填料結(jié)合制取冷風(fēng)，使出風(fēng)相對(duì)濕度（φ）分別達(dá)到90%和95%，然后計(jì)算出實(shí)際出風(fēng)溫度，如圖5 和圖6 所示。

圖5 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷風(fēng)溫度情況

圖6 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷風(fēng)溫度與標(biāo)況濕球溫度對(duì)比情況

在配備60%、65%、70%、75%和80%濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)，將空氣處理到相對(duì)濕度為90%時(shí)，出風(fēng)溫度只有石嘴山明顯高于標(biāo)況濕球溫度，六盤(pán)水、黃山、晉中出風(fēng)溫度與標(biāo)況濕球溫度相差無(wú)幾，其余城市出風(fēng)溫度均低于標(biāo)況濕球溫度。在處理到相對(duì)濕度為95% 時(shí)，配備60%、65%、70%、75%和80%濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)，所有干燥城市出風(fēng)溫度均低于標(biāo)況濕球溫度。

2.3 實(shí)際制備冷水溫度分析

將不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器與取冷幅高0.5 ℃和1.0 ℃的填料結(jié)合制取冷水，然后計(jì)算出不同的實(shí)際出水溫度，如圖7 和圖8 所示。

圖7 間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取冷水溫度情況

圖8 制取冷水溫度與標(biāo)況濕球溫度對(duì)比情況

填料段取冷幅高0.5 ℃時(shí)，18 個(gè)城市在間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率為60%時(shí)，有黃山、阿壩州、拉薩3 個(gè)城市制取的水溫度高于標(biāo)況濕球溫度，其余城市制取的水溫度都低于標(biāo)況濕球溫度。填料段取冷幅高1.0 ℃時(shí)，在間接蒸發(fā)冷卻器濕球效率為60%時(shí)，有晉中、黃山、阿里地區(qū)3 個(gè)城市制取的水溫度高于標(biāo)況濕球溫度；濕球效率為65%時(shí)，有晉中、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)5個(gè)城市高于標(biāo)況濕球溫度；濕球效率為70%、75%、80%時(shí)，有晉中、黃山、阿壩州和拉薩4 個(gè)城市高于標(biāo)況濕球溫度；其余城市制取的水溫度均低于標(biāo)況濕球溫度。

3 間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在典型場(chǎng)所應(yīng)用分析

3.1 間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在紡織廠應(yīng)用分析

在紡織廠車間，機(jī)器散熱量大，生產(chǎn)工藝對(duì)溫濕度要求較高，需要人為控制車間溫濕度。一般情況下，在過(guò)渡季節(jié)，室外溫度不是很高時(shí)，僅通過(guò)采用噴水室對(duì)紡織車間進(jìn)行等焓降溫處理即可滿足送風(fēng)溫濕度要求；在夏季，室溫溫度較高時(shí)，有些地區(qū)噴水室滿足不了要求，需要其他輔助制冷方式，比如復(fù)合間接蒸發(fā)器或者聯(lián)合機(jī)械制冷以滿足要求。

在全國(guó)范圍內(nèi)以轉(zhuǎn)杯紡為例，夏季車間推薦溫度范圍為25 ℃～30 ℃，相對(duì)濕度58%～65%。假定某轉(zhuǎn)杯紡車間夏季室內(nèi)溫度設(shè)計(jì)為25 ℃、相對(duì)濕度60%，根據(jù)焓濕圖將空氣相對(duì)濕度處理到90%可得送風(fēng)溫度為20.4 ℃。根據(jù)不同濕球效率間接蒸發(fā)冷卻器計(jì)算的各個(gè)城市制取的冷風(fēng)溫度可滿足要求的城市統(tǒng)計(jì)情況如表1 所示。

表1 設(shè)備滿足轉(zhuǎn)杯紡車間送風(fēng)要求城市數(shù)量和占比

從表1 和圖5 分析可得，在送風(fēng)溫度要求為20.4 ℃，間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為60% 的間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)，出風(fēng)溫度低于20.4 ℃的城市為包頭、二連浩特、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州11 個(gè)城市，占比達(dá)到61.1%；當(dāng)間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為65%及以上的間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)，另增城市漠河滿足要求；而張家口、晉中、六盤(pán)水、紅河州、延安、石嘴山不能滿足送風(fēng)要求，需要機(jī)械制冷輔助。

3.2 間接-直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在民用建筑應(yīng)用分析

在民用建筑應(yīng)用以溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)為例，依據(jù)GB 50736—2012，當(dāng)采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)時(shí)，空調(diào)房間設(shè)計(jì)溫度范圍為24 ℃～26 ℃，負(fù)擔(dān)顯熱冷水的冷水機(jī)組空調(diào)供水溫度不宜低于16 ℃。

以辦公樓為例，假定某辦公樓夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)要求為干球溫度24 ℃，相對(duì)濕度60%，空調(diào)供水溫度為18 ℃，根據(jù)焓濕圖算得其新風(fēng)送風(fēng)溫度為19.6 ℃。根據(jù)上述計(jì)算，能滿足供水和送風(fēng)溫度要求的城市情況如表2 所示。

表2 不同濕球效率設(shè)備下滿足辦公樓送風(fēng)和供水要求的城市數(shù)量和占比

從表2 和圖7 分析可得，在送風(fēng)溫度要求為19.6 ℃，供水溫度為18 ℃，間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為60%～65%的間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)，送風(fēng)溫度低于19.6 ℃的城市為二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州9 個(gè)城市，占比達(dá)到50%；供水溫度低于18 ℃的城市為二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州8 個(gè)城市，占比達(dá)到44.4%。當(dāng)間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在配備濕球效率為70%及以上的間接蒸發(fā)冷卻器時(shí)，新增滿足送風(fēng)要求城市為包頭、漠河和黃山，新增滿足供水要求城市為張掖。而張家口、晉中、六盤(pán)水、紅河州、延安、石嘴山不能滿足送風(fēng)要求，需要機(jī)械制冷輔助。

4 結(jié)論

依據(jù)GB 50736—2012 中全國(guó)民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)室外氣象參數(shù)，對(duì)其中夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)濕球溫度小于23 ℃的18 個(gè)干燥地區(qū)間接-直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備制取的冷水（風(fēng)）溫度進(jìn)行分析可得主要結(jié)論如下。

（1）干燥地區(qū)因干濕球溫差大，使蒸發(fā)冷卻設(shè)備制取的冷水（風(fēng)）效果更好。要使間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備出水溫度低于濕球溫度，配備不同濕球效率的間接蒸發(fā)冷卻器其填料段的冷幅高取值是不同的，比如濕球效率分別為60%、65%、70%、75%、80%時(shí)，在18 個(gè)城市應(yīng)用填料段對(duì)應(yīng)冷幅高取值范圍分別為0.48 ℃～3.20 ℃、0.52 ℃～3.50 ℃、0.56 ℃～3.80 ℃、0.60 ℃～4.10 ℃、0.63 ℃～4.40 ℃。要使間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備制備冷風(fēng)，出風(fēng)溫度低于濕球溫度，不同城市需要配備的濕膜厚度不同。

（2）間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在干燥地區(qū)紡織廠（比如轉(zhuǎn)杯紡車間）應(yīng)用時(shí)，在包頭、二連浩特、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州11 個(gè)城市完全可以滿足送風(fēng)溫度要求，而在張家口、晉中、延安等城市則還另外需要機(jī)械制冷輔助。間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備在干燥地區(qū)民用建筑應(yīng)用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)時(shí)，二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區(qū)、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州8 個(gè)城市完全可以滿足供水和送風(fēng)溫度要求。

總之，在干燥地區(qū)因其氣候較為干燥，蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)勢(shì)更大，間接-直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備出水（風(fēng)）溫度效果最好，在多數(shù)城市可以完全滿足供水（風(fēng)）溫度要求，而無(wú)需機(jī)械制冷。