蒸发冷却空调在水力发电厂的应用

1 蒸发冷却空调的基本原理

蒸发冷却是一种利用水蒸发吸热现象来降温制冷的技术。只要存在不饱和空气，水就会不断地蒸发，水温就会趋近湿球温度。在不考虑气压变化的前提下，分为两种情况：

（1）当水温高于干球温度时，水蒸发的热量取自水本身。当水温降到低于干球温度，处于干球温度与湿球温度时，水蒸发的热量取自空气，使空气温度也不断下降，最终，理想状态下，水温与空气的干球温度都等于湿球温度。此时，水还是继续蒸发，只不过是蒸发到空气里的水蒸气的数量等于回到水里的水蒸气数量，空气此时的水蒸汽饱和，水蒸气不再需要热量来蒸发。湿球温度是水温的极限值。

（2）当一开始水温低于湿球温度时，存在不饱和空气，水不断蒸发，水温也不断上升，两者的热量均取自空气，使空气的温度不断下降。最终，理想状态下，水温与空气的干球温度都等于湿球温度，空气此时的水蒸汽饱和，水蒸气不再需要热量来蒸发。湿球温度是水温的极限值。

上述原理可以看出，水温越低，干湿球温差别越大，也就是空气湿度越小，蒸发冷却的效果越显著。同时这一原理也限制了蒸发冷却空调不适用于高湿度的地区。蒸发冷却技术分直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种：

（1）直接蒸发冷却就是利用空气通过喷淋水的填料，和水直接接触实现蒸发冷却的，为等焓加湿，在降温的同时，空气湿度增加，如图1所示。

（2）间接蒸发冷却是在直接蒸发冷却的基础上加入显热换热过程，即利用一侧空气和水直接接触蒸发冷却产生的冷量对另一侧空气进行等湿降温，空气湿度不变，如图2所示。

经多年的实践应用，出现了以直接蒸发冷却、间接蒸发冷却或与其他冷却形式的多级组合应用的蒸发冷却空调机组。

图1 直接蒸发冷却示意图

图2 间接蒸发冷却示意图

2 蒸发冷却空调在水电厂应用的优势

蒸发冷却空调在水力发电厂的应用具有多方面的优势。

（1）蒸发冷却空调是利用水的蒸发取得冷量，不同于传统空调原理，不需要将蒸发后的水蒸汽再进行压缩、冷凝回到液态水后再进行蒸发，而采用直接补充水分来维持蒸发过程的进行。仅需水泵和风机，无需压缩机和CFC制冷剂。且水力发电厂一般都有较大的深水水库，厂区用水多取自水库的中底层，由于大型深水库的水温分层现象和滞温效应，具有温度比较恒定，温度较低的特点，水温基本保持在15℃左右，对蒸发冷却空调的制冷效果更加显著，一般场合蒸发冷却即可满足室内空气调节要求。

（2）由于水力发电厂特别是地下厂房都是比较封闭的空间场所，不仅需要温度调节，还需要通风。在运行中，蒸发冷却空调可采用全新风或部分新风，且可在不需温度调节的情况下通风，能很好地改善室内的空气品质，对于空气干燥地区还具有加湿的功能。

（3）蒸发冷却空调运行能耗约为常规空调的1/5，初投资约为1/2 。而且使用时间长，故障率低，便于维护，在需进行空气调节的场所敷设风道即可，易于扩展。

3 蒸发冷却空调在水电厂的具体应用

根据蒸发冷却空调技术的发展，在适宜地区多采用直接蒸发冷却与间接蒸发冷却相组合的两级或多级串联组合的蒸发冷却空调机组。图3为蒸发冷却空调在新疆和田乌鲁瓦提水电厂的应用结构示意图。

如图3所示，蒸发冷却空调在夏季运行模式下，先采用间接蒸发冷却器对进入冷却盘管空气进行预先冷却，降为较低温度的空气后，再进入直接蒸发冷却器。利用直接蒸发冷却使空气的温度进一步降低，同时对空气有加湿作用，送出冷风。在冬季运行模式下，采用电热锅炉供应热水源，送到空调机组的两级热交换器加热空气，送出热风。最后由送风机送至厂区进行空气温度、湿度调节。

在具体运行上，夏季温度升高时，高于23℃为夏季运行模式。采用冷却蒸发控制，直接和间接蒸发冷却设备开启，直接和间接蒸发冷却器水泵开启，室外空气风门全开，回风风门全闭，排风风门全开。是否采用100%的全新风取决于室内外空气的温度差，当室外空气的温度值大于室内温度时，如果考虑节能可使用回风机回风循环。如果厂区内湿度过大，可停止直接蒸发冷却器水泵达到控制湿度目的。通过变频器控制送风机风量达到调节厂区内温度的目的。

当温度低于18℃时采用冬季运行模式，间接蒸发冷却器和直接蒸发冷却器水泵关闭，回风风门开启，热交换器的热水进水阀门打开。通过热水进水管道上的流量控制阀改变进入热交换器的热水流量，从而达到调节空调系统送风温度的目的。通过变频器控制送风机风量达到调节厂区内温度的目的。如果室内湿度过小，可开启直接蒸发冷却器水泵来增加厂区内空气湿度。

在春秋季节，无需温度调节，可采用室外全新风的方式，直接送风到厂区通风，改善厂区空气质量。

蒸发冷却空调机组在乌鲁瓦特水电厂投运后，经过多年的实践应用，根据实地测量，在温度定值设定的不同情况下，夏季和冬季室内温度均能保持在18～23℃之间，并能保证所需要的湿度，空气调节效果非常理想，且初期投资和后期运行成本与传统机械空调相比，均大幅减少。由此可见，蒸发冷却空调在适宜地区的水力发电厂应用具有切实的可行性和经济性。

4 蒸发冷却空调在水电厂应用的前景

图3 蒸发冷却空调机组结构示意图

由于蒸发冷却原理的限制，采用直接蒸发冷却时，在降低空气温度的同时必然增加空气湿度，所以对于部分空气湿度虽适宜使用的区域，但因环境湿度已经比较大，不希望室内湿度继续加大，且在设计时需要校核室外新风带走室内湿负荷的能力，从而发展出了多种蒸发冷却空调新的应用形式。如采用多级间接蒸发冷却串联组合方式的空调机组，对于水库取水水温偏高地区也有与采用冷却塔进一步降低水温的空调机组，或者采用一次性不循环用水，可实现温度下降但空气湿度不变。也有采用蒸发冷却与机械制冷空调组合使用的。此外，清华大学与新疆某公司合作开发出了较高效的间接蒸发冷水机组，可实现冷水机组的出水温度基本为室外湿球和露点温度的平均值。且其流程采用冷水机出水的冷水先送到房间的风机盘管或辐射板等显热末端，再送入间接蒸发冷却器，带走新风的显热。这样就更好地实现了空气温度下降但仍不增加空气湿度的问题，且分区域温度控制更灵活，并可比传统机械空调节能40%～70%。以上方式对于湿度较大，但仍适宜使用蒸发冷却空调的水力发电厂具有较大的参考意义。随着蒸发冷却空调的不断应用发展，蒸发冷却空调的COP也在不断提高，空调效果更显著。

5 结语

蒸发冷却空调以其经济、绿色、节能等低碳特点，在我国多数地区均可较经济地使用蒸发冷却空调，应用空间十分广泛。水力发电厂因其结构布局的特点，结合相关设计规范对温度、湿度及空气品质的要求，及经济合理、技术先进、符合工业卫生和环境保护的设计要求，相比传统机械制冷空调，更宜采用符合经济、绿色、节能的低碳发展要求的蒸发冷却空调，且应用前景相当广泛。