蒸发冷却室外设计计算参数的确定方法

张 鑫,黄 翔,孙 哲,黄从新,秦忠山

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048;2.西北电力设计院,陕西 西安 710075; 3.陕西延长石油集团有限责任公司延安炼油厂,陕西 延安 727406)

0 引 言

蒸发冷却空调技术是一种环保高效且经济的冷却方式,广泛应用于居住建筑和公共建筑,并可在传统的工业领域如纺织厂、印刷厂、铸造车间、动力发电厂等工业建筑中提高工人的舒适性.蒸发冷却空调技术可以降低干球温度,给居住者提供一个较舒适的环境,还可通过控制干球温度和相对湿度改善农作物的生长环境及满足生产工艺的要求[1].目前相继修订和出台的国家标准，如《公共建筑节能设计标准》[2](GB50189—2005)、《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[3](GB50736—2012)等都对蒸发冷却选择和应用提出了相应的要求,但是这些都没有明确提到蒸发冷却需要使用的室外设计计算参数的确定方法.目前正在编写的国家标准涉及到的蒸发冷却的部分以及蒸发冷却相关的行业标准均提出了蒸发冷却用室外设计计算参数的概念.

建筑物所在地的室外空气设计参数是设计计算空调系统过程中的重要设计依据,进而通过室外设计参数来确定空调负荷与选择经济技术合理的空调系统.但是常采用的夏季空调室外计算干球温度和湿球温度是分别不保证50h的干球温度和湿球温度值,并不是同时刻的,即空调室外设计状态参数确定的室外状态点不能在焓温图上表示出来.蒸发冷却技术是利用不饱和空气的干湿球温差来获取冷量的一种制冷方式,且干湿球温差也是影响蒸发冷却制冷效率的主要因素,这就要求采用的干湿球温度必须是同时刻对应的,若将夏季空调室外计算干球温度和湿球温度直接用于蒸发冷却空调系统的设计及分析其适应性,就存在着不合理.采用合理的方法确定蒸发冷却用室外设计计算参数,是亟需研究的问题.

针对上述问题,国内相关学者对蒸发冷却室外设计计算参数进行了研究,得到可通过夏季通风室外计算参数初步判断蒸发冷却全空气空调系统的地域适应性[4];直接蒸发冷却式空调系统的室外设计干球温度和和设计湿球温度的选取以历年平均不保证50h干球温度和湿球温度之和为原则[5];考虑到室外气候条件对建筑热环境和不同设备空气热湿处理过程的影响,湿球温度是蒸发冷却设备的主要设计指标，根据累年平均不保证50h的湿球温度确定[6].且在ASHRAE 169—2006建筑设计标准用气象数据手册以及2009版的ASHRAE Handbook—Fundamentals第14章CLIMATIC DESIGN INFORMATION中,气象数据分为空调设计参数和蒸发冷却设计参数,空调的设计参数是年不保证率为0.4%、1%和2%时的干球温度及同期的平均湿球温度;蒸发冷却的设计参数是年不保证率为0.4%、1%和2%时的湿球温度及同期的平均干球温度[7-8].本文主要在上述内容的基础上得出代表城市的蒸发冷却用室外设计计算参数,并对设计参数进行分析.

1 蒸发冷却用设计计算参数的综合分析

1.1 蒸发冷却气候分区

我国是一个多气候国家,根据国家标准《蒸发式冷气机》[9](GB/T 25860—2010)将各地区夏季空调室外计算湿球温度值分为以下3个地区:(1)干燥地区(室外空气湿球温度小于等于23℃)，如青海、甘肃、新疆、宁夏等地,干湿球温差较大,露点温度相对较低,空气含湿量低；(2) 中等湿度地区(室外空气湿球温度大于23℃小于等于28℃)，如北京、上海、西安等地,室外湿球温度偏高,干湿球温差有限；(3) 高湿度地区(室外空气湿球温度大于28℃)，如广东、福建等地,夏季室外空气的含湿量过大.

由于蒸发冷却空调技术的特征以及在各个气候区应用潜力的不同,选择位于干燥地区的乌鲁木齐(夏季空调室外计算湿球温度18.2℃)、中等湿度地区的西安(夏季空调室外计算湿球温度25.8℃)、高湿度地区的广州(夏季空调室外计算湿球温度27.8℃)3个城市进行蒸发冷却用设计计算参数的研究.

1.2 逐时干球温度和湿球温度

在分析过程中需要对各城市的逐时气象参数进行统计和处理,主要使用的气象数据库为:

《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[10]:以中国气象局气象信息中心气象资料室收集的全国270个地面气象台站1971～2003年的实测气象数据为基础,通过分析、整理、补充源数据以及合理的插值计算,获得了全国270个台站的建筑热环境分析专用气象数据集.其内容包括根据观测资料整理出的设计用室外气象参数,以及由实测数据生成的动态模拟分析用逐时气象参数.

建筑用标准气象数据库[11]:由标准年气象数据、标准日气象数据以及不保证率气象数据构成.标准年气象数据是最为重要的部分,把实测的接近平均的12个月份人为地衔接起来做成8 760h的气象数据,数据来源于国际地面气象观测数据库.标准年气象数据由干球温度、相对湿度和含湿量等因素构成.标准日气象数据是由每年奇数月中的标准日气象数据构成,不保证率气象数据包括冬夏季不保证率为2.5%和5%的干球温度和相对湿度.

乌鲁木齐夏季空调室外设计干球温度是33.5℃,湿球温度为18.2℃,最热月7月的室外空气状态逐时分布见图1.从图1中可看出全月最高干球温度点不是湿球温度的最高点,某些最高干球温度变化趋势与湿球温度变化甚至相反.其中干球温度最大值为38.8℃,在7月3日15时;湿球温度最大值为22.2℃,在7月8日22时.通过对7月份逐时气象参数的统计,室外温度高于夏季空调室外设计干、湿球温度33.5℃、18.2℃的小时数分别为:干球温度34h,湿球温度3h.

西安夏季空调室外设计干球温度是35℃,湿球温度为25.8℃,最热月7月的室外空气状态逐时分布见图2.其中干球温度最大值为37.9℃,在7月31日17时;湿球温度最大值为27.1℃,在7月31日20时.通过对7月份逐时气象参数的统计,室外温度高于夏季空调室外设计干、湿球温度35℃，25.8℃的小时数分别为:干球温度26h,湿球温度6h.

广州夏季空调室外设计干球温度是34.2℃,湿球温度为27.8℃,最热月7月的室外空气状态逐时分布见图3.其中干球温度最大值为35.6℃,在7月28日15时;湿球温度最大值为31.6℃,在7月6日10时.通过对7月份逐时气象参数的统计,室外温度高于夏季空调室外设计干、湿球温度34.2℃，27.8℃的小时数分别为:干球温度43h,湿球温度23h.

图1 乌鲁木齐最热月逐时气象参数分布图

图2 西安最热月逐时气象参数分布图

图3 广州最热月逐时气象参数分布图

由以上对乌鲁木齐、西安、广州最热月逐时气象参数的分析得知:干球温度最大时对应的湿球温度不是最大值,则干球温度和湿球温度同时不保证的状态点是不存在的.采用夏季空调室外计算干球温度和湿球温度确定室外空气状态点不能体现蒸发冷却由干湿球温度差驱动制冷的特性.

2 蒸发冷却用设计计算参数的确定

2.1 计算参数的确定方法

在相关学者的研究基础上,对夏季室外设计参数的研究方法如下:

方法一,统计3个城市的夏季通风室外计算干球温度和相对湿度占最热月的干球温度和相对湿度的不保证率,以此分析应用通风参数的合理与否.若合理的话,通风室外计算干球温度和相对湿度即为确定的夏季室外设计参数,统计结果见表1.

表1 夏季通风参数和不保证率统计表

方法二,根据文献[10]逐时气象参数对各城市的不保证50h的干球温度以及不保证50h的干湿球温度之和进行统计,不保证50h的干球温度仍然采用文献[3]中的夏季空调室外计算干球温度.不保证50h的干湿球温度之和减去夏季空调室外计算干球温度得到设计湿球温度,则确定了夏季室外设计干球温度和湿球温度,统计结果见表2.

表2 不保证50h干湿球温度值及设计干球温度

方法三,根据文献[3]查得3个代表城市的夏季空调计算湿球温度ts,根据文献[10]中逐时气象参数选取在ts±0.5℃范围内湿球温度,并对该范围内湿球温度相应的干球温度求和,计算得到干球温度的平均值,该干球温度即为夏季室外设计干球温度,统计结果见表3.

表3 ts±0.5℃对应的干球温度值

2.2 计算参数的分析

蒸发冷却设计计算参数的确定之前均按照室外计算空气调节的干球温度和湿球温度,确定室外空气状态点.研究过程中发现室外空调干球温度和湿球温度不是在同时刻发生的,那样的状态点是不存在的,是不合理的、错位的.而蒸发冷却对室外状态参数十分敏感,因此就不能按照完全错位的状态点来确定.参照国内外蒸发冷却设计的大量的资料,对上述3种确定方法及2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals不保证率为0.4%的统计结果进行分析,3个城市设计计算参数见表4.

表4 3个城市设计计算参数

通过以上几种设计参数的对比可以看出不同的统计方法得到的设计计算参数也不尽相同,均有一定的差距.方法一中参数来源为夏季通风计算参数,可看出干燥地区及中等湿度地区的乌鲁木齐、西安与其他方法差距较大，高等湿度地区的广州与ASHRAE中不保证率为0.4%参数差距较小；方法二需要确定典型参数,当蒸发冷却系统用于不同场所时,随着设计参数的改变,气象参数会随着变化；方法三考虑到了湿球温度，对蒸发冷却的影响，对蒸发冷却参数的确定有一定的参考意义.2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals中的气象数据考虑了蒸发冷却用气象参数中干湿球温度同时性的情况,但需要结合我国实际国情选用适合的气象参数.

3 结束语

现阶段使用蒸发冷却空调系统的工程在设计过程中，室外状态点均由文献[3]中的夏季空调室外计算干湿球温度,两者分别由历年平均不保证50h温度统计得到,但是干球温度和湿球温度不是同时刻对应的.干湿球温差是影响蒸发冷却制冷效率的重要因素,所以按照现有标准中规定的气象参数仍然存在一定的不合理性.为了确定蒸发冷却适用的气象参数,在相关学者研究的基础上,并且根据蒸发冷却空调技术的特点,使用气象参数数据库中的逐时气象参数确定蒸发冷却夏季室外设计计算参数.夏季室外设计计算参数由3种方法确定,并且选择位于干燥地区、中等湿度地区、高湿度地区的3个代表城市逐个分析,通过对3种方法以及2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals中气象数据的分析,确定合理的适用于蒸发冷却空调技术的室外状态参数,使蒸发冷却空调技术得到更广泛的使用.

参考文献：

[1] 黄翔.蒸发冷却空调理论与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2010:1-2.

[2] 中国建筑科学研究院.GB50189-2005.公共建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2005:13-17.

[3] 中国建筑科学研究院.GB50736—2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012:9-10.

[4] 曹阳,陈方圆,刘刚.蒸发冷却全空气空调系统地域适应性研究[J].暖通空调,2013,43(5):88-92.

[5] 辛军哲,何淦明,周孝清.室外气象条件对直接蒸发冷却式空调机使用功效的影响[J].流体机械,2007,35(10):79-81.

[6] 赵康,刘晓华,张涛,等.关于夏季空气调节室外空气计算参数的讨论[J].暖通空调,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] 澳蓝(福建)实业有限公司、合肥通用机械研究院.GB/T 25860—2010.蒸发式冷气机[S].北京:中国标准出版社,2011:18-19.

[10] 中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:9-19.

[11] 张晴原,杨洪兴.建筑用标准气象数据手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2012:2-10.