蒸發冷卻室外設計計算參數的確定方法

張 鑫,黃 翔,孫 哲,黃從新,秦忠山

(1.西安工程大學 環境與化學工程學院,陜西 西安 710048;2.西北電力設計院,陜西 西安 710075; 3.陜西延長石油集團有限責任公司延安煉油廠,陜西 延安 727406)

0 引 言

蒸發冷卻空調技術是一種環保高效且經濟的冷卻方式,廣泛應用于居住建筑和公共建筑,并可在傳統的工業領域如紡織廠、印刷廠、鑄造車間、動力發電廠等工業建筑中提高工人的舒適性.蒸發冷卻空調技術可以降低干球溫度,給居住者提供一個較舒適的環境,還可通過控制干球溫度和相對濕度改善農作物的生長環境及滿足生產工藝的要求[1].目前相繼修訂和出臺的國家標準，如《公共建筑節能設計標準》[2](GB50189—2005)、《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[3](GB50736—2012)等都對蒸發冷卻選擇和應用提出了相應的要求,但是這些都沒有明確提到蒸發冷卻需要使用的室外設計計算參數的確定方法.目前正在編寫的國家標準涉及到的蒸發冷卻的部分以及蒸發冷卻相關的行業標準均提出了蒸發冷卻用室外設計計算參數的概念.

建筑物所在地的室外空氣設計參數是設計計算空調系統過程中的重要設計依據,進而通過室外設計參數來確定空調負荷與選擇經濟技術合理的空調系統.但是常采用的夏季空調室外計算干球溫度和濕球溫度是分別不保證50h的干球溫度和濕球溫度值,并不是同時刻的,即空調室外設計狀態參數確定的室外狀態點不能在焓溫圖上表示出來.蒸發冷卻技術是利用不飽和空氣的干濕球溫差來獲取冷量的一種制冷方式,且干濕球溫差也是影響蒸發冷卻制冷效率的主要因素,這就要求采用的干濕球溫度必須是同時刻對應的,若將夏季空調室外計算干球溫度和濕球溫度直接用于蒸發冷卻空調系統的設計及分析其適應性,就存在著不合理.采用合理的方法確定蒸發冷卻用室外設計計算參數,是亟需研究的問題.

針對上述問題,國內相關學者對蒸發冷卻室外設計計算參數進行了研究,得到可通過夏季通風室外計算參數初步判斷蒸發冷卻全空氣空調系統的地域適應性[4];直接蒸發冷卻式空調系統的室外設計干球溫度和和設計濕球溫度的選取以歷年平均不保證50h干球溫度和濕球溫度之和為原則[5];考慮到室外氣候條件對建筑熱環境和不同設備空氣熱濕處理過程的影響,濕球溫度是蒸發冷卻設備的主要設計指標，根據累年平均不保證50h的濕球溫度確定[6].且在ASHRAE 169—2006建筑設計標準用氣象數據手冊以及2009版的ASHRAE Handbook—Fundamentals第14章CLIMATIC DESIGN INFORMATION中,氣象數據分為空調設計參數和蒸發冷卻設計參數,空調的設計參數是年不保證率為0.4%、1%和2%時的干球溫度及同期的平均濕球溫度;蒸發冷卻的設計參數是年不保證率為0.4%、1%和2%時的濕球溫度及同期的平均干球溫度[7-8].本文主要在上述內容的基礎上得出代表城市的蒸發冷卻用室外設計計算參數,并對設計參數進行分析.

1 蒸發冷卻用設計計算參數的綜合分析

1.1 蒸發冷卻氣候分區

我國是一個多氣候國家,根據國家標準《蒸發式冷氣機》[9](GB/T 25860—2010)將各地區夏季空調室外計算濕球溫度值分為以下3個地區:(1)干燥地區(室外空氣濕球溫度小于等于23℃)，如青海、甘肅、新疆、寧夏等地,干濕球溫差較大,露點溫度相對較低,空氣含濕量低；(2) 中等濕度地區(室外空氣濕球溫度大于23℃小于等于28℃)，如北京、上海、西安等地,室外濕球溫度偏高,干濕球溫差有限；(3) 高濕度地區(室外空氣濕球溫度大于28℃)，如廣東、福建等地,夏季室外空氣的含濕量過大.

由于蒸發冷卻空調技術的特征以及在各個氣候區應用潛力的不同,選擇位于干燥地區的烏魯木齊(夏季空調室外計算濕球溫度18.2℃)、中等濕度地區的西安(夏季空調室外計算濕球溫度25.8℃)、高濕度地區的廣州(夏季空調室外計算濕球溫度27.8℃)3個城市進行蒸發冷卻用設計計算參數的研究.

1.2 逐時干球溫度和濕球溫度

在分析過程中需要對各城市的逐時氣象參數進行統計和處理,主要使用的氣象數據庫為:

《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[10]:以中國氣象局氣象信息中心氣象資料室收集的全國270個地面氣象臺站1971～2003年的實測氣象數據為基礎,通過分析、整理、補充源數據以及合理的插值計算,獲得了全國270個臺站的建筑熱環境分析專用氣象數據集.其內容包括根據觀測資料整理出的設計用室外氣象參數,以及由實測數據生成的動態模擬分析用逐時氣象參數.

建筑用標準氣象數據庫[11]:由標準年氣象數據、標準日氣象數據以及不保證率氣象數據構成.標準年氣象數據是最為重要的部分,把實測的接近平均的12個月份人為地銜接起來做成8 760h的氣象數據,數據來源于國際地面氣象觀測數據庫.標準年氣象數據由干球溫度、相對濕度和含濕量等因素構成.標準日氣象數據是由每年奇數月中的標準日氣象數據構成,不保證率氣象數據包括冬夏季不保證率為2.5%和5%的干球溫度和相對濕度.

烏魯木齊夏季空調室外設計干球溫度是33.5℃,濕球溫度為18.2℃,最熱月7月的室外空氣狀態逐時分布見圖1.從圖1中可看出全月最高干球溫度點不是濕球溫度的最高點,某些最高干球溫度變化趨勢與濕球溫度變化甚至相反.其中干球溫度最大值為38.8℃,在7月3日15時;濕球溫度最大值為22.2℃,在7月8日22時.通過對7月份逐時氣象參數的統計,室外溫度高于夏季空調室外設計干、濕球溫度33.5℃、18.2℃的小時數分別為:干球溫度34h,濕球溫度3h.

西安夏季空調室外設計干球溫度是35℃,濕球溫度為25.8℃,最熱月7月的室外空氣狀態逐時分布見圖2.其中干球溫度最大值為37.9℃,在7月31日17時;濕球溫度最大值為27.1℃,在7月31日20時.通過對7月份逐時氣象參數的統計,室外溫度高于夏季空調室外設計干、濕球溫度35℃，25.8℃的小時數分別為:干球溫度26h,濕球溫度6h.

廣州夏季空調室外設計干球溫度是34.2℃,濕球溫度為27.8℃,最熱月7月的室外空氣狀態逐時分布見圖3.其中干球溫度最大值為35.6℃,在7月28日15時;濕球溫度最大值為31.6℃,在7月6日10時.通過對7月份逐時氣象參數的統計,室外溫度高于夏季空調室外設計干、濕球溫度34.2℃，27.8℃的小時數分別為:干球溫度43h,濕球溫度23h.

圖1 烏魯木齊最熱月逐時氣象參數分布圖

圖2 西安最熱月逐時氣象參數分布圖

圖3 廣州最熱月逐時氣象參數分布圖

由以上對烏魯木齊、西安、廣州最熱月逐時氣象參數的分析得知:干球溫度最大時對應的濕球溫度不是最大值,則干球溫度和濕球溫度同時不保證的狀態點是不存在的.采用夏季空調室外計算干球溫度和濕球溫度確定室外空氣狀態點不能體現蒸發冷卻由干濕球溫度差驅動制冷的特性.

2 蒸發冷卻用設計計算參數的確定

2.1 計算參數的確定方法

在相關學者的研究基礎上,對夏季室外設計參數的研究方法如下:

方法一,統計3個城市的夏季通風室外計算干球溫度和相對濕度占最熱月的干球溫度和相對濕度的不保證率,以此分析應用通風參數的合理與否.若合理的話,通風室外計算干球溫度和相對濕度即為確定的夏季室外設計參數,統計結果見表1.

表1 夏季通風參數和不保證率統計表

方法二,根據文獻[10]逐時氣象參數對各城市的不保證50h的干球溫度以及不保證50h的干濕球溫度之和進行統計,不保證50h的干球溫度仍然采用文獻[3]中的夏季空調室外計算干球溫度.不保證50h的干濕球溫度之和減去夏季空調室外計算干球溫度得到設計濕球溫度,則確定了夏季室外設計干球溫度和濕球溫度,統計結果見表2.

表2 不保證50h干濕球溫度值及設計干球溫度

方法三,根據文獻[3]查得3個代表城市的夏季空調計算濕球溫度ts,根據文獻[10]中逐時氣象參數選取在ts±0.5℃范圍內濕球溫度,并對該范圍內濕球溫度相應的干球溫度求和,計算得到干球溫度的平均值,該干球溫度即為夏季室外設計干球溫度,統計結果見表3.

表3 ts±0.5℃對應的干球溫度值

2.2 計算參數的分析

蒸發冷卻設計計算參數的確定之前均按照室外計算空氣調節的干球溫度和濕球溫度,確定室外空氣狀態點.研究過程中發現室外空調干球溫度和濕球溫度不是在同時刻發生的,那樣的狀態點是不存在的,是不合理的、錯位的.而蒸發冷卻對室外狀態參數十分敏感,因此就不能按照完全錯位的狀態點來確定.參照國內外蒸發冷卻設計的大量的資料,對上述3種確定方法及2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals不保證率為0.4%的統計結果進行分析,3個城市設計計算參數見表4.

表4 3個城市設計計算參數

通過以上幾種設計參數的對比可以看出不同的統計方法得到的設計計算參數也不盡相同,均有一定的差距.方法一中參數來源為夏季通風計算參數,可看出干燥地區及中等濕度地區的烏魯木齊、西安與其他方法差距較大，高等濕度地區的廣州與ASHRAE中不保證率為0.4%參數差距較小；方法二需要確定典型參數,當蒸發冷卻系統用于不同場所時,隨著設計參數的改變,氣象參數會隨著變化；方法三考慮到了濕球溫度，對蒸發冷卻的影響，對蒸發冷卻參數的確定有一定的參考意義.2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals中的氣象數據考慮了蒸發冷卻用氣象參數中干濕球溫度同時性的情況,但需要結合我國實際國情選用適合的氣象參數.

3 結束語

現階段使用蒸發冷卻空調系統的工程在設計過程中，室外狀態點均由文獻[3]中的夏季空調室外計算干濕球溫度,兩者分別由歷年平均不保證50h溫度統計得到,但是干球溫度和濕球溫度不是同時刻對應的.干濕球溫差是影響蒸發冷卻制冷效率的重要因素,所以按照現有標準中規定的氣象參數仍然存在一定的不合理性.為了確定蒸發冷卻適用的氣象參數,在相關學者研究的基礎上,并且根據蒸發冷卻空調技術的特點,使用氣象參數數據庫中的逐時氣象參數確定蒸發冷卻夏季室外設計計算參數.夏季室外設計計算參數由3種方法確定,并且選擇位于干燥地區、中等濕度地區、高濕度地區的3個代表城市逐個分析,通過對3種方法以及2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals中氣象數據的分析,確定合理的適用于蒸發冷卻空調技術的室外狀態參數,使蒸發冷卻空調技術得到更廣泛的使用.

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