西安地区蒸发式冷气机室内外降温实验分析

王兴兴，黄　翔，申长军，鞠昊宏，折建利

（西安工程大学，陕西西安710048）

西安地区蒸发式冷气机室内外降温实验分析

王兴兴，黄翔，申长军，鞠昊宏，折建利

（西安工程大学，陕西西安710048）

主要通过对室外降温蒸发式冷气机和室内降温蒸发式冷气机在西安不同使用场合的实验测试，得出两者各自的温降效果和效率，室外降温蒸发式冷气机温降范围为8.8～10.8℃，效率范围为68%～75%，室内降温蒸发式冷气机温降范围为9.4～11.5℃，效率范围为84%～95%。并且通过对已测数据的处理，分析出影响机组风量的可能因素，以及干湿球温度和效率关系，对两个机组的制冷量进行简要分析，并指出该次实验所需改进的地方。

蒸发式冷气机；效率；温降；实验

0　引言

进入21世纪以来，人类逐渐重视能源问题，虽然中国已成为世界节能和利用新能源第一大国，但供暖空调所消耗的能源总量已超过一次能源总量的20%[1]，耗量巨大。新能源如太阳能、风能、生物质能等在很多地方得到应用，但在很多应该用的地区，并没有得到推广。

“干空气能”作为一种新能源，全国分布广泛，储存量十分丰富，经过行业人士的多年努力，使之以“干空气能”为载体的蒸发冷却技术在西北地区，如新疆、甘肃、青海、宁夏等干燥地区得到广泛的应用[2]。

西安根据气象条件划分属于中湿度地区[3]，其夏季空气调节室外计算干湿球温度之差接近10℃，以干湿球温差为驱动力的“干空气能”储存也相当丰富。蒸发式冷气机作为蒸发冷却技术的主要产品，在西安地区还没有得到广泛应用，其很大一部分原因是人们多蒸发冷却技术仅适合在西北干燥地区的误解。该文对两台不同的蒸发式冷气机在西安市某户外降温和某办公室室内降温进行了实测，根据测试结果，对蒸发式冷气机的温降效果和效率等进行了分析。

1　试验测试机组

1.1机组概况与工作原理

室外降温蒸发式冷气机测试地点为西安某办公楼屋顶，利用太阳能光伏发电带动冷气机运行，并且冷气机其出风用于对发电光伏板进行降温；室内降温蒸发式冷气机测试地点为西安某办公室，其出风用于满足室内工作人员的温湿度需求。

室外降温蒸发式冷气机和室内降温蒸发式冷气机主要组成部分基本相同，为进风口、植物纤维过滤填料、水泵、布水器、排水阀等组成。室外降温蒸发式冷气机机组和室内降温蒸发式冷气机机组概况见表1和表2。

表1　室外降温机组概况

表2　室内降温机组概况

室内、外蒸发式冷气机的工作原理相同，为蒸发冷却技术中的直接蒸发冷却技术。新风通过进风口进入机组，与布水器淋湿后的植物纤维填料中的水膜直接接触，发生热湿交换，从而降低空气的温度，其在焓湿图上可近似的认为是一个等焓加湿过程。

室外降温机组和室内降温机组各配有一个液晶控制装置。在液晶控制面板上可以对机组的相关性能参数进行设置。其中运行模式有“关机”、“待机”、“制冷”、“通风”、“自动”5个状态，可根据需求自动或手动进行调节。室外降温机组风速有“5”档，室内降温机组风速有“8”档。在实验测试中，室外降温机组处在“5”档风速状态运行，室内降温机组处在“5”档风速状态运行。

2　测试过程与结果

2.1测试仪器

该次实验主要对西安地区室外降温蒸发式冷气机和室内降温式蒸发式冷气机的降温幅度、蒸发冷却效率、运行时机组水温等做了实际测试[4]，所用仪器见表3。

表3　测试仪器

式中vj─进口平均风速，m/s；

v1，v2─各测点风速，m/s；

q─风量，m3/h；

v─平均风速，m/s；

A─面积，m2。

通过表4可计算出进风量为1784m3/h，出风量为

2.2风量测试

2.2.1室外降温式蒸发式冷气机风量测试

室外降温机组风速有“5”档，2015年5月26日12：00-16：00测试期间风速放置在第“5”档出。用数字风速仪对进、出口风速进行测试。进风口有三面，采用每面两点式测量法，其测点布置示意图如图1a）。然后，求出平均值，如公式（1）所示，最后根据公式（2）求出进风量。出风量的测试方法为四点测试法，其测点布置示意图如图1b），然后，求四点平均值，后根据公式（2）求出出风量[5]。1755m3/h，两者基本相同，后文研究取两者平均值约为1770m3/h，测试所得风量与机组铭牌的额定风量4000m3/h相差较大，原因可以归纳为几点：

图1　风速测点布置示意图a）进风b）出风

表4　风速和风量测试统计

1）机组停放时间较长，导致风机风叶等存在灰尘，阻力增大，影响风量；

2）机组从出产至今接近五年，风机内部电线等老化，电阻增大，输出风量减小；

3）机组长时间没有进行维护管理，影响风量；

4）此次测试机组所需电能全部来自于光伏板所发电力，供电量可能达不到额定要求；

5）测试时操作和读数存在一定误差。

2.2.2室内降温式蒸发式冷气机风量测试

室内降温蒸发式冷气机总共有8档，2015年5月30日12：00-15：00测试时档速放置在“5”档处。根据现场测试情况，总共有7个送风口，确定送风量的时候，取平稳管段处的两个送风风速的平均值为总送风平均值，其风量计算公式与上述室外降温式蒸发式冷气机一样。将风速和风量测试统计列入表5。

表5　风速和风量测试统计

通过表5可计算出进风量为9088m3/h，送风量为8414m3/h，两者相差不大。此为“5”档情况下机组进送风风量，后文研究取两者平均值为8751m3/h。

2.3温降效果及效率

2.3.1室外降温式蒸发式冷气机温降情况

2015年5月26日12：00～15：00对室外降温蒸发式冷气机的降温情况进行测试，每5min记录一次数据，此时间段对应的进风口温度、相对湿度以及出风口温度、相对湿度如图2所示。

图2　室外降温蒸发式冷气机进、出风状态参数

由上图及记录数据可以得出，进风干球温度和出风温度变化趋势基本一样，进风干球温度最大值为36.4℃，最小值为32.1℃，温度变化范围32.7～36.5℃，进风相对湿度最大值为33.9%，最小值为26.3%，相对湿度变化范围26.3%～33.9%。出风温度变化范围为23.8～25.5℃，出风相对湿度变化范围为61.4%～67.0%。

在测试期间内，仪器每分钟记录一次，从12：00开始，以20min为界限，取各时间段的平均值，经过处理，可得出进风平均湿球温度与出风平均温度的关系，记录在表6和图3中。

表6　进风平均干球温度和出风平均温度统计

图3　进风平均湿球温度和出风平均温度

经过上表可以很直观的看出，进风平均湿球温度与出风平均温度之差基本保持恒定，最大差为4.1℃，最小差为3.6℃。这能够说明该蒸发式冷气机运行效果比较稳定。

2.3.2室内降温式蒸发式冷气机温降情况

图4　室内降温蒸发式冷气机进、出风状态参数

2015年5月30日12：00～15：00对室内降温蒸发式冷气机的降温情况进行测试，其数据处理方法和室外降温式蒸发式冷气机相似，将各时刻对应的进风口温度、相对湿度以及出风口温度、相对湿度如图4所示，进风平均湿球温度与出风平均温度的关系，可以通过图5得出。

图5　进风平均湿球温度和出风平均温度

由上图可以看出，进风干球温度最大值为33.9℃，最小值为29.7℃，温度变化范围29.7～33.9℃。进风相对湿度最大值为44%，最小值为33.4%，相对湿度变化范围为33.4%～44%。

经过上述图2和图4可以看出，进风干球温度的最大值时刻和进风相对湿度出现最大值和最小值的时刻并不相同，所以对应的驱动力─干、湿球温差，并不一定出现在干球温度最大或者相对湿度最小的时刻[6]。经过图3和图5可以得出，各机组的进风平均湿球温度与出风平均温度之差基本保持恒定，说明机组的降温效果稳定。但室外降温式蒸发式冷气机与室内降温式蒸发式冷气机相比进风平均湿球温度与出风平均温度之差明显大得多，主要原因是测试用的室外降温式蒸发式冷气机降温效果较差。

2.3.3室外降温式蒸发式冷气机效率情况

上文已阐述，蒸发式冷气机运用的是直接蒸发冷却技术，因此，评价其性能优劣的主要是湿球效率，可以表示为进风平均干球温度和出风平均温度之差与进风平均干湿球温度之差的比值，用下式表示[7]。

式中ηDEC─直接蒸发冷却效率；

tg─进风平均干球温度，℃；

t1─出风平均温度，℃；

ts─进风平均湿球温度，℃。

根据测试结果，将进风、出风参数，以及直接蒸发冷却效率整理后列在表7中。

表7　进、出风平均参数和效率

图6　进、出风平均温度与效率

上图6为进风平均温度和出风平均温度和效率的关系，从图中可以更直观的看出每一时间段内机组的平均效率情况。在14：20～14：40段内效率最高为75%，在12：40～13：00内效率最低为68%。进风干湿球温度与效率变化基本一致，进风干球温度增加，效率也随之增加，反之，则减小。

2.3.4室内降温式蒸发式冷气机效率情况

图7　进、出风平均相对参数与效率

室内降温式蒸发式冷气机的效率分析和上述室内降温蒸发式冷气机一样，此处将进风、出风参数和直接蒸发冷却效率列在图7中。

通过对室外降温式蒸发式冷气机和室内降温式蒸发式冷气机效率分析，可以得出进风平均干球温度是直接蒸发冷却效率的影响因素，可以总结为，进风平均干球温度越高，直接蒸发冷却效率越高，反之效率越低。

2.4制冷量分析

根据焓湿图，可以得出直接蒸发冷却制冷量计算公式[8]：

式中Q─制冷量，kW；

ρ─西安地区空气密度，kg/m3，取1.1；

cp─空气比热，kJ/（kg·K），取1.01；

V─送风量，m3/h。

由公式（4）可以看出影响制冷量大小的因素空气密度、空气比热、送风量和进出风温度。本文测试地区为西安地区，因此空气密度和空气比热可以看做定值，所以，送风量和进出温差成为影响制冷量的主要因素。

室外降温蒸发式冷气机和室内降温蒸发式冷气机的制冷量从测试时刻开始，分别以20min和30min为界限，取各时间段的平均值，分别见表8和表9。

根据表8和表9可以看出，室外蒸发式冷气机最大制冷量为5917.6kW，最小制冷量为4801.7kW，室内蒸发式冷气机最大制冷量为31867.7kW，最小制冷量为28086.8kW。两者在测试期间制冷量波动幅度很小，说明运行稳定。

3　测试需改进之处

该次测试分两次进行，室外降温蒸发式冷气机测试时间为2015年5月26日，补水采用自来水，但自来水采用人工补水方法，即从离测试地点较远的地方通过盛水容器将接好的自来水倒入循环水箱，这样操作存在距离影响水温的问题，使得水温有一定误差。其二，通过测试出风射程及射程范围的温湿度可以确定室外降温蒸发式冷气机可以放置的位置，但此次测试没有做具体测试。最后，测试天数较短，没有对每个档位的温降进行逐一测试。

表8　室外降温蒸发式冷气机平均制冷量

表9　室内降温蒸发式冷气机平均制冷量

室内降温蒸发式冷气机测试时间为2015年5月30日，补水采用自动补水装置，循环水温测试时，由于机组放置位置阳光直晒，当打开装置，测试水温时，阳光照射，会存在一定偏差。在测试时，仅对送风风速进行了测试，缺少室内点的风速。最后，机组“8”个档位，没有对每个档位的温降进行逐一测试。

总之，不管是蒸发式冷气机用在室内，还是室外进行降温，其实际测试要尽量避免一些误差，这样才能更好的反应机组的实际效果。

4　结语

（1）在测试条件下，室外降温式蒸发式冷气机降温最大值为10.8℃，其效率最大为75%；室内降温式蒸发式冷气机温降最大值为11.5℃，其效率最大值为95%；

（2）室外降温蒸发式冷气机效率低，其主要原因是植物纤维填料淋水不均匀，没有形成完整的水膜，存在干点。在最大风速条件下，其制冷量与额定制冷量相比较小，其主要原因是机组本身送风量过低造成的。

（3）室内降温蒸发式冷气机效率高，其主要原因，测试当天，西安地区干湿球温差相对较大，植物纤维填料布水均匀，不存在干点，其制冷量与额定制冷量相差不大，其主要原因是在“5”档运行时，实际送风量与此档位下对应设计风量接近。

（4）西安地区虽然为中湿度地区，但根据各测试结果，可以得出，5月底开始西安地区室外、室内采用蒸发式冷气机进行降温，其整体效果相当不错，仍能够满足温降要求。

[1]黄翔.空调工程[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]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.

[3]刘小文.中湿度地区蒸发冷却复合式空调系统与传统集中（半集中）式空调系统的比较分析[J].制冷，2009，28（4）：63～68.

[4]刘佳莉.干燥工况下新型复合式露点间接蒸发冷却空调机组的测试研究[J].流体机械，2015，43（3）：52～57.

[5]董晓杰.蒸发冷却冷水机组耗水量的测试与分析[J].发电与空调，2014，35（6）：79～82.

[6]张鑫.《发电厂蒸发冷却通风空调系统设计规程》中基础专题研究[D].西安：西安工程大学，2015.

[7]约翰·瓦特，威尔·布朗.蒸发冷却空调技术手册[M].黄翔，武俊梅，译.北京：机械工业出版社，2009.

[8]汪超.直接蒸发冷却空调制冷量的探讨[A].中国制冷学会2009年学术年会论文集[C].2009，1224～1228.

Experimental Analysis of Outdoor and Indoor cooling of Evaporative Air Conditioner in Xi'an

WANG Xing-xing，HUANG Xiang，SHEN Chang-jun，JU Hao-hong，SHE Jian-li
（Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China）

This paper mainly through experimenal test of outdoor cooling of evaporative air conditioner and indoor cooling of evaporative air conditioner in different sites of Xi'an，drawn the both temperature drop and effic-iency of them，the scope of outdoor evaporative air conditioner temperature drop is 8.8～10.8℃，the range of efficie-ncy is 68%～75%，the scope of outdoor evaporative air conditioner temperature drop is 9.4～11.5℃，the range of eff-iency is 84%～95%.And through the processing of measured data，analysis of the possible factors that affect the un-it volume，and the relationship of wet and dry bulb temperature，circulation water temperature with the efficiency，brief analysis of the cooling capacity of two units，and points out where should be improved of this expriement.

evaporative air conditioner；efficiency；temperature drop；expriement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.014

TU83

B

2095-3429（2015）05-0059-06

陕西省统筹创新工程计划项目（编号：2011KTCQ01-10）。

王兴兴（1989-），男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：蒸发冷却技术；黄翔（1962-），男，研究生，教授。

2015-09-10

2015-10-10