蒸發(fā)冷卻空調(diào)在水力發(fā)電廠的應(yīng)用

1 蒸發(fā)冷卻空調(diào)的基本原理

蒸發(fā)冷卻是一種利用水蒸發(fā)吸熱現(xiàn)象來降溫制冷的技術(shù)。只要存在不飽和空氣，水就會不斷地蒸發(fā)，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(dāng)水溫高于干球溫度時，水蒸發(fā)的熱量取自水本身。當(dāng)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(fā)的熱量取自空氣，使空氣溫度也不斷下降，最終，理想狀態(tài)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(xù)蒸發(fā)，只不過是蒸發(fā)到空氣里的水蒸氣的數(shù)量等于回到水里的水蒸氣數(shù)量，空氣此時的水蒸汽飽和，水蒸氣不再需要熱量來蒸發(fā)。濕球溫度是水溫的極限值。

（2）當(dāng)一開始水溫低于濕球溫度時，存在不飽和空氣，水不斷蒸發(fā)，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(tài)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(fā)。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(fā)冷卻的效果越顯著。同時這一原理也限制了蒸發(fā)冷卻空調(diào)不適用于高濕度的地區(qū)。蒸發(fā)冷卻技術(shù)分直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻兩種：

（1）直接蒸發(fā)冷卻就是利用空氣通過噴淋水的填料，和水直接接觸實現(xiàn)蒸發(fā)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(fā)冷卻是在直接蒸發(fā)冷卻的基礎(chǔ)上加入顯熱換熱過程，即利用一側(cè)空氣和水直接接觸蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生的冷量對另一側(cè)空氣進行等濕降溫，空氣濕度不變，如圖2所示。

經(jīng)多年的實踐應(yīng)用，出現(xiàn)了以直接蒸發(fā)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻或與其他冷卻形式的多級組合應(yīng)用的蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻示意圖

圖2 間接蒸發(fā)冷卻示意圖

2 蒸發(fā)冷卻空調(diào)在水電廠應(yīng)用的優(yōu)勢

蒸發(fā)冷卻空調(diào)在水力發(fā)電廠的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)勢。

（1）蒸發(fā)冷卻空調(diào)是利用水的蒸發(fā)取得冷量，不同于傳統(tǒng)空調(diào)原理，不需要將蒸發(fā)后的水蒸汽再進行壓縮、冷凝回到液態(tài)水后再進行蒸發(fā)，而采用直接補充水分來維持蒸發(fā)過程的進行。僅需水泵和風(fēng)機，無需壓縮機和CFC制冷劑。且水力發(fā)電廠一般都有較大的深水水庫，廠區(qū)用水多取自水庫的中底層，由于大型深水庫的水溫分層現(xiàn)象和滯溫效應(yīng)，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(fā)冷卻空調(diào)的制冷效果更加顯著，一般場合蒸發(fā)冷卻即可滿足室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)要求。

（2）由于水力發(fā)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(diào)節(jié)，還需要通風(fēng)。在運行中，蒸發(fā)冷卻空調(diào)可采用全新風(fēng)或部分新風(fēng)，且可在不需溫度調(diào)節(jié)的情況下通風(fēng)，能很好地改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，對于空氣干燥地區(qū)還具有加濕的功能。

（3）蒸發(fā)冷卻空調(diào)運行能耗約為常規(guī)空調(diào)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(diào)節(jié)的場所敷設(shè)風(fēng)道即可，易于擴展。

3 蒸發(fā)冷卻空調(diào)在水電廠的具體應(yīng)用

根據(jù)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，在適宜地區(qū)多采用直接蒸發(fā)冷卻與間接蒸發(fā)冷卻相組合的兩級或多級串聯(lián)組合的蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組。圖3為蒸發(fā)冷卻空調(diào)在新疆和田烏魯瓦提水電廠的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖3所示，蒸發(fā)冷卻空調(diào)在夏季運行模式下，先采用間接蒸發(fā)冷卻器對進入冷卻盤管空氣進行預(yù)先冷卻，降為較低溫度的空氣后，再進入直接蒸發(fā)冷卻器。利用直接蒸發(fā)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(fēng)。在冬季運行模式下，采用電熱鍋爐供應(yīng)熱水源，送到空調(diào)機組的兩級熱交換器加熱空氣，送出熱風(fēng)。最后由送風(fēng)機送至廠區(qū)進行空氣溫度、濕度調(diào)節(jié)。

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(fā)控制，直接和間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備開啟，直接和間接蒸發(fā)冷卻器水泵開啟，室外空氣風(fēng)門全開，回風(fēng)風(fēng)門全閉，排風(fēng)風(fēng)門全開。是否采用100%的全新風(fēng)取決于室內(nèi)外空氣的溫度差，當(dāng)室外空氣的溫度值大于室內(nèi)溫度時，如果考慮節(jié)能可使用回風(fēng)機回風(fēng)循環(huán)。如果廠區(qū)內(nèi)濕度過大，可停止直接蒸發(fā)冷卻器水泵達到控制濕度目的。通過變頻器控制送風(fēng)機風(fēng)量達到調(diào)節(jié)廠區(qū)內(nèi)溫度的目的。

當(dāng)溫度低于18℃時采用冬季運行模式，間接蒸發(fā)冷卻器和直接蒸發(fā)冷卻器水泵關(guān)閉，回風(fēng)風(fēng)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(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度的目的。通過變頻器控制送風(fēng)機風(fēng)量達到調(diào)節(jié)廠區(qū)內(nèi)溫度的目的。如果室內(nèi)濕度過小，可開啟直接蒸發(fā)冷卻器水泵來增加廠區(qū)內(nèi)空氣濕度。

在春秋季節(jié)，無需溫度調(diào)節(jié)，可采用室外全新風(fēng)的方式，直接送風(fēng)到廠區(qū)通風(fēng)，改善廠區(qū)空氣質(zhì)量。

蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組在烏魯瓦特水電廠投運后，經(jīng)過多年的實踐應(yīng)用，根據(jù)實地測量，在溫度定值設(shè)定的不同情況下，夏季和冬季室內(nèi)溫度均能保持在18～23℃之間，并能保證所需要的濕度，空氣調(diào)節(jié)效果非常理想，且初期投資和后期運行成本與傳統(tǒng)機械空調(diào)相比，均大幅減少。由此可見，蒸發(fā)冷卻空調(diào)在適宜地區(qū)的水力發(fā)電廠應(yīng)用具有切實的可行性和經(jīng)濟性。

4 蒸發(fā)冷卻空調(diào)在水電廠應(yīng)用的前景

圖3 蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組結(jié)構(gòu)示意圖

由于蒸發(fā)冷卻原理的限制，采用直接蒸發(fā)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(qū)域，但因環(huán)境濕度已經(jīng)比較大，不希望室內(nèi)濕度繼續(xù)加大，且在設(shè)計時需要校核室外新風(fēng)帶走室內(nèi)濕負荷的能力，從而發(fā)展出了多種蒸發(fā)冷卻空調(diào)新的應(yīng)用形式。如采用多級間接蒸發(fā)冷卻串聯(lián)組合方式的空調(diào)機組，對于水庫取水水溫偏高地區(qū)也有與采用冷卻塔進一步降低水溫的空調(diào)機組，或者采用一次性不循環(huán)用水，可實現(xiàn)溫度下降但空氣濕度不變。也有采用蒸發(fā)冷卻與機械制冷空調(diào)組合使用的。此外，清華大學(xué)與新疆某公司合作開發(fā)出了較高效的間接蒸發(fā)冷水機組，可實現(xiàn)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(fēng)機盤管或輻射板等顯熱末端，再送入間接蒸發(fā)冷卻器，帶走新風(fēng)的顯熱。這樣就更好地實現(xiàn)了空氣溫度下降但仍不增加空氣濕度的問題，且分區(qū)域溫度控制更靈活，并可比傳統(tǒng)機械空調(diào)節(jié)能40%～70%。以上方式對于濕度較大，但仍適宜使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)的水力發(fā)電廠具有較大的參考意義。隨著蒸發(fā)冷卻空調(diào)的不斷應(yīng)用發(fā)展，蒸發(fā)冷卻空調(diào)的COP也在不斷提高，空調(diào)效果更顯著。

5 結(jié)語

蒸發(fā)冷卻空調(diào)以其經(jīng)濟、綠色、節(jié)能等低碳特點，在我國多數(shù)地區(qū)均可較經(jīng)濟地使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)，應(yīng)用空間十分廣泛。水力發(fā)電廠因其結(jié)構(gòu)布局的特點，結(jié)合相關(guān)設(shè)計規(guī)范對溫度、濕度及空氣品質(zhì)的要求，及經(jīng)濟合理、技術(shù)先進、符合工業(yè)衛(wèi)生和環(huán)境保護的設(shè)計要求，相比傳統(tǒng)機械制冷空調(diào)，更宜采用符合經(jīng)濟、綠色、節(jié)能的低碳發(fā)展要求的蒸發(fā)冷卻空調(diào)，且應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。