蒸發冷卻空調在水力發電廠的應用

1 蒸發冷卻空調的基本原理

蒸發冷卻是一種利用水蒸發吸熱現象來降溫制冷的技術。只要存在不飽和空氣，水就會不斷地蒸發，水溫就會趨近濕球溫度。在不考慮氣壓變化的前提下，分為兩種情況：

（1）當水溫高于干球溫度時，水蒸發的熱量取自水本身。當水溫降到低于干球溫度，處于干球溫度與濕球溫度時，水蒸發的熱量取自空氣，使空氣溫度也不斷下降，最終，理想狀態下，水溫與空氣的干球溫度都等于濕球溫度。此時，水還是繼續蒸發，只不過是蒸發到空氣里的水蒸氣的數量等于回到水里的水蒸氣數量，空氣此時的水蒸汽飽和，水蒸氣不再需要熱量來蒸發。濕球溫度是水溫的極限值。

（2）當一開始水溫低于濕球溫度時，存在不飽和空氣，水不斷蒸發，水溫也不斷上升，兩者的熱量均取自空氣，使空氣的溫度不斷下降。最終，理想狀態下，水溫與空氣的干球溫度都等于濕球溫度，空氣此時的水蒸汽飽和，水蒸氣不再需要熱量來蒸發。濕球溫度是水溫的極限值。

上述原理可以看出，水溫越低，干濕球溫差別越大，也就是空氣濕度越小，蒸發冷卻的效果越顯著。同時這一原理也限制了蒸發冷卻空調不適用于高濕度的地區。蒸發冷卻技術分直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻兩種：

（1）直接蒸發冷卻就是利用空氣通過噴淋水的填料，和水直接接觸實現蒸發冷卻的，為等焓加濕，在降溫的同時，空氣濕度增加，如圖1所示。

（2）間接蒸發冷卻是在直接蒸發冷卻的基礎上加入顯熱換熱過程，即利用一側空氣和水直接接觸蒸發冷卻產生的冷量對另一側空氣進行等濕降溫，空氣濕度不變，如圖2所示。

經多年的實踐應用，出現了以直接蒸發冷卻、間接蒸發冷卻或與其他冷卻形式的多級組合應用的蒸發冷卻空調機組。

圖1 直接蒸發冷卻示意圖

圖2 間接蒸發冷卻示意圖

2 蒸發冷卻空調在水電廠應用的優勢

蒸發冷卻空調在水力發電廠的應用具有多方面的優勢。

（1）蒸發冷卻空調是利用水的蒸發取得冷量，不同于傳統空調原理，不需要將蒸發后的水蒸汽再進行壓縮、冷凝回到液態水后再進行蒸發，而采用直接補充水分來維持蒸發過程的進行。僅需水泵和風機，無需壓縮機和CFC制冷劑。且水力發電廠一般都有較大的深水水庫，廠區用水多取自水庫的中底層，由于大型深水庫的水溫分層現象和滯溫效應，具有溫度比較恒定，溫度較低的特點，水溫基本保持在15℃左右，對蒸發冷卻空調的制冷效果更加顯著，一般場合蒸發冷卻即可滿足室內空氣調節要求。

（2）由于水力發電廠特別是地下廠房都是比較封閉的空間場所，不僅需要溫度調節，還需要通風。在運行中，蒸發冷卻空調可采用全新風或部分新風，且可在不需溫度調節的情況下通風，能很好地改善室內的空氣品質，對于空氣干燥地區還具有加濕的功能。

（3）蒸發冷卻空調運行能耗約為常規空調的1/5，初投資約為1/2 。而且使用時間長，故障率低，便于維護，在需進行空氣調節的場所敷設風道即可，易于擴展。

3 蒸發冷卻空調在水電廠的具體應用

根據蒸發冷卻空調技術的發展，在適宜地區多采用直接蒸發冷卻與間接蒸發冷卻相組合的兩級或多級串聯組合的蒸發冷卻空調機組。圖3為蒸發冷卻空調在新疆和田烏魯瓦提水電廠的應用結構示意圖。

如圖3所示，蒸發冷卻空調在夏季運行模式下，先采用間接蒸發冷卻器對進入冷卻盤管空氣進行預先冷卻，降為較低溫度的空氣后，再進入直接蒸發冷卻器。利用直接蒸發冷卻使空氣的溫度進一步降低，同時對空氣有加濕作用，送出冷風。在冬季運行模式下，采用電熱鍋爐供應熱水源，送到空調機組的兩級熱交換器加熱空氣，送出熱風。最后由送風機送至廠區進行空氣溫度、濕度調節。

在具體運行上，夏季溫度升高時，高于23℃為夏季運行模式。采用冷卻蒸發控制，直接和間接蒸發冷卻設備開啟，直接和間接蒸發冷卻器水泵開啟，室外空氣風門全開，回風風門全閉，排風風門全開。是否采用100%的全新風取決于室內外空氣的溫度差，當室外空氣的溫度值大于室內溫度時，如果考慮節能可使用回風機回風循環。如果廠區內濕度過大，可停止直接蒸發冷卻器水泵達到控制濕度目的。通過變頻器控制送風機風量達到調節廠區內溫度的目的。

當溫度低于18℃時采用冬季運行模式，間接蒸發冷卻器和直接蒸發冷卻器水泵關閉，回風風門開啟，熱交換器的熱水進水閥門打開。通過熱水進水管道上的流量控制閥改變進入熱交換器的熱水流量，從而達到調節空調系統送風溫度的目的。通過變頻器控制送風機風量達到調節廠區內溫度的目的。如果室內濕度過小，可開啟直接蒸發冷卻器水泵來增加廠區內空氣濕度。

在春秋季節，無需溫度調節，可采用室外全新風的方式，直接送風到廠區通風，改善廠區空氣質量。

蒸發冷卻空調機組在烏魯瓦特水電廠投運后，經過多年的實踐應用，根據實地測量，在溫度定值設定的不同情況下，夏季和冬季室內溫度均能保持在18～23℃之間，并能保證所需要的濕度，空氣調節效果非常理想，且初期投資和后期運行成本與傳統機械空調相比，均大幅減少。由此可見，蒸發冷卻空調在適宜地區的水力發電廠應用具有切實的可行性和經濟性。

4 蒸發冷卻空調在水電廠應用的前景

圖3 蒸發冷卻空調機組結構示意圖

由于蒸發冷卻原理的限制，采用直接蒸發冷卻時，在降低空氣溫度的同時必然增加空氣濕度，所以對于部分空氣濕度雖適宜使用的區域，但因環境濕度已經比較大，不希望室內濕度繼續加大，且在設計時需要校核室外新風帶走室內濕負荷的能力，從而發展出了多種蒸發冷卻空調新的應用形式。如采用多級間接蒸發冷卻串聯組合方式的空調機組，對于水庫取水水溫偏高地區也有與采用冷卻塔進一步降低水溫的空調機組，或者采用一次性不循環用水，可實現溫度下降但空氣濕度不變。也有采用蒸發冷卻與機械制冷空調組合使用的。此外，清華大學與新疆某公司合作開發出了較高效的間接蒸發冷水機組，可實現冷水機組的出水溫度基本為室外濕球和露點溫度的平均值。且其流程采用冷水機出水的冷水先送到房間的風機盤管或輻射板等顯熱末端，再送入間接蒸發冷卻器，帶走新風的顯熱。這樣就更好地實現了空氣溫度下降但仍不增加空氣濕度的問題，且分區域溫度控制更靈活，并可比傳統機械空調節能40%～70%。以上方式對于濕度較大，但仍適宜使用蒸發冷卻空調的水力發電廠具有較大的參考意義。隨著蒸發冷卻空調的不斷應用發展，蒸發冷卻空調的COP也在不斷提高，空調效果更顯著。

5 結語

蒸發冷卻空調以其經濟、綠色、節能等低碳特點，在我國多數地區均可較經濟地使用蒸發冷卻空調，應用空間十分廣泛。水力發電廠因其結構布局的特點，結合相關設計規范對溫度、濕度及空氣品質的要求，及經濟合理、技術先進、符合工業衛生和環境保護的設計要求，相比傳統機械制冷空調，更宜采用符合經濟、綠色、節能的低碳發展要求的蒸發冷卻空調，且應用前景相當廣泛。