干燥地區間接-直接蒸發冷卻設備的適用性分析

孫鐵柱 王 鑫 王 祺 孫 歡

（西安工程大學，陜西西安，710048）

蒸發冷卻空調技術是一種環保、高效、經濟的冷卻方式，在碳達峰碳中和的雙碳目標背景下，更應該得到大力推廣。蒸發冷卻技術最早應用在紡織廠，其空調形式是直接蒸發冷卻技術噴水室，因直接蒸發冷卻制取的冷風或冷水溫度最低是室外空氣的濕球溫度，其應用范圍受到一定的限制，因此目前已有紡織廠應用間接-直接蒸發冷卻技術為車間制取冷量。但對于間接-直接蒸發冷卻設備［1-3］的研究大多數集中在設備的耗水量、COP等性能，尚未發現對蒸發冷卻設備在不同地區出風出水溫度進行分析。為了配合蒸發冷卻技術［4-6］在干燥地區的應用，本研究依據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中全國民用建筑供暖通風與空調室外氣象參數［7-9］，對夏季空調室外設計濕球溫度小于23 ℃的89 個干燥地區進行了數據分析，選擇了18 個具有代表性的城市，以60%、65%、70%、75%和80%不同濕球效率的間接蒸發冷卻器［10］計算出可降低的不同濕球溫度程度，并分析了采用間接-直接蒸發冷卻技術可制取的冷風冷水極限溫度［11］，為蒸發冷卻技術在干燥地區的紡織廠、民用建筑等應用提供一定的理論參考。

1 室外濕球溫度降低程度分析

1.1 間接蒸發冷卻技術

一般間接蒸發冷卻段由不同類型的間接蒸發冷卻器組成，分為內冷式和外冷式，用以處理進入直接蒸發冷卻段的空氣，如圖1 所示。

圖1 間接蒸發冷卻器原理圖

間接蒸發冷卻的主要目的是對空氣進行等濕降溫［12］，在間接-直接蒸發冷卻設備中，間接蒸發冷卻段的目的是為了降低室外空氣的濕球溫度再送入直接蒸發冷卻段，便于獲取更低溫度的冷風或冷水。

1.2 不同地區濕球溫度降低程度分析

依據GB 50736—2012，濕球溫度小于23 ℃為干燥地區，從分布來看，南方城市占比較少，大部分是北方城市。選取全國18 個典型城市，采用濕球效率（η）為60%、65%、70%、75%和80%的間接蒸發冷卻器時，計算出對室外空氣濕球溫度降低程度，如圖2 所示。可以看出，對于同一城市來說間接蒸發冷卻器的濕球效率越高，濕球溫度降低程度越大。在濕球效率為60%時，可將這些地區濕球溫度最低降低0.48 ℃、最高降低3.20 ℃；在濕球效率為65% 時，最低降低0.52 ℃、最高降低3.50 ℃；在濕球效率為70%時，最低降低0.56 ℃、最高降低3.80 ℃；在濕球效率為75% 時，最低降低0.60 ℃、最高降低4.10 ℃；在濕球效率為80% 時，最低降低0.63 ℃、最高降低4.40 ℃。在這18 個城市中，烏魯木齊濕球溫度降幅最大，黃山降幅最小。

圖2 不同濕球效率下濕球溫度降低程度

圖3 為濕球效率為65%、70%、75%、80%時與濕球效率為60%可降低濕球溫度的差值對比，分別用Δt1、Δt2、Δt3和Δt4表示。可以看出，間接蒸發冷卻器濕球效率越高，降低濕球溫度程度越高，其濕球效率每提高5 個百分點，濕球溫降多降低0.12 ℃～0.30 ℃。二連浩特、阿里地區、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州隨著濕球效率的增加，濕球溫度降低幅度變化較大，黃山變化較小。

圖3 不同濕球效率與濕球效率60%對入口空氣濕球溫度降低程度對比

2 間接-直接蒸發冷卻設備制取冷水（風）溫度分析

2.1 極限溫度分析

利用18 個城市的標準工況點，配制不同濕球效率間接蒸發冷卻器的間接-直接蒸發冷卻設備制取冷水（風）的極限溫度如圖4 所示。可以看出，制備的冷風冷水溫度最低的城市為阿里地區，在配備濕球效率為60%、65%、70%、75%和80%間接蒸發冷卻器下，可制備的極限溫度分別為6.89 ℃、6.66 ℃、6.44 ℃、6.21 ℃和5.98 ℃；制備的冷風冷水溫度最高城市為延安，可制備的極限溫 度 分 別 為21.44 ℃、21.32 ℃、21.20 ℃、21.08 ℃和20.96 ℃；制備的最低極限溫度與最高極限溫度相差分別為14.55 ℃、14.66 ℃、14.76 ℃、14.87 ℃和14.98 ℃。

圖4 間接-直接蒸發冷卻設備出水（風）極限溫度

2.2 實際制備冷風溫度分析

本研究將不同濕球效率的間接蒸發冷卻器與不同厚度的填料結合制取冷風，使出風相對濕度（φ）分別達到90%和95%，然后計算出實際出風溫度，如圖5 和圖6 所示。

圖5 間接-直接蒸發冷卻設備制取冷風溫度情況

圖6 間接-直接蒸發冷卻設備制取冷風溫度與標況濕球溫度對比情況

在配備60%、65%、70%、75%和80%濕球效率的間接蒸發冷卻器時，將空氣處理到相對濕度為90%時，出風溫度只有石嘴山明顯高于標況濕球溫度，六盤水、黃山、晉中出風溫度與標況濕球溫度相差無幾，其余城市出風溫度均低于標況濕球溫度。在處理到相對濕度為95% 時，配備60%、65%、70%、75%和80%濕球效率的間接蒸發冷卻器時，所有干燥城市出風溫度均低于標況濕球溫度。

2.3 實際制備冷水溫度分析

將不同濕球效率的間接蒸發冷卻器與取冷幅高0.5 ℃和1.0 ℃的填料結合制取冷水，然后計算出不同的實際出水溫度，如圖7 和圖8 所示。

圖7 間接-直接蒸發冷卻設備制取冷水溫度情況

圖8 制取冷水溫度與標況濕球溫度對比情況

填料段取冷幅高0.5 ℃時，18 個城市在間接蒸發冷卻器濕球效率為60%時，有黃山、阿壩州、拉薩3 個城市制取的水溫度高于標況濕球溫度，其余城市制取的水溫度都低于標況濕球溫度。填料段取冷幅高1.0 ℃時，在間接蒸發冷卻器濕球效率為60%時，有晉中、黃山、阿里地區3 個城市制取的水溫度高于標況濕球溫度；濕球效率為65%時，有晉中、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區5個城市高于標況濕球溫度；濕球效率為70%、75%、80%時，有晉中、黃山、阿壩州和拉薩4 個城市高于標況濕球溫度；其余城市制取的水溫度均低于標況濕球溫度。

3 間接-直接蒸發冷卻技術在典型場所應用分析

3.1 間接-直接蒸發冷卻技術在紡織廠應用分析

在紡織廠車間，機器散熱量大，生產工藝對溫濕度要求較高，需要人為控制車間溫濕度。一般情況下，在過渡季節，室外溫度不是很高時，僅通過采用噴水室對紡織車間進行等焓降溫處理即可滿足送風溫濕度要求；在夏季，室溫溫度較高時，有些地區噴水室滿足不了要求，需要其他輔助制冷方式，比如復合間接蒸發器或者聯合機械制冷以滿足要求。

在全國范圍內以轉杯紡為例，夏季車間推薦溫度范圍為25 ℃～30 ℃，相對濕度58%～65%。假定某轉杯紡車間夏季室內溫度設計為25 ℃、相對濕度60%，根據焓濕圖將空氣相對濕度處理到90%可得送風溫度為20.4 ℃。根據不同濕球效率間接蒸發冷卻器計算的各個城市制取的冷風溫度可滿足要求的城市統計情況如表1 所示。

表1 設備滿足轉杯紡車間送風要求城市數量和占比

從表1 和圖5 分析可得，在送風溫度要求為20.4 ℃，間接-直接蒸發冷卻設備在配備濕球效率為60% 的間接蒸發冷卻器時，出風溫度低于20.4 ℃的城市為包頭、二連浩特、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州11 個城市，占比達到61.1%；當間接-直接蒸發冷卻設備在配備濕球效率為65%及以上的間接蒸發冷卻器時，另增城市漠河滿足要求；而張家口、晉中、六盤水、紅河州、延安、石嘴山不能滿足送風要求，需要機械制冷輔助。

3.2 間接-直接蒸發冷卻技術在民用建筑應用分析

在民用建筑應用以溫濕度獨立控制系統為例，依據GB 50736—2012，當采用溫濕度獨立控制系統時，空調房間設計溫度范圍為24 ℃～26 ℃，負擔顯熱冷水的冷水機組空調供水溫度不宜低于16 ℃。

以辦公樓為例，假定某辦公樓夏季室內設計要求為干球溫度24 ℃，相對濕度60%，空調供水溫度為18 ℃，根據焓濕圖算得其新風送風溫度為19.6 ℃。根據上述計算，能滿足供水和送風溫度要求的城市情況如表2 所示。

表2 不同濕球效率設備下滿足辦公樓送風和供水要求的城市數量和占比

從表2 和圖7 分析可得，在送風溫度要求為19.6 ℃，供水溫度為18 ℃，間接-直接蒸發冷卻設備在配備濕球效率為60%～65%的間接蒸發冷卻器時，送風溫度低于19.6 ℃的城市為二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州9 個城市，占比達到50%；供水溫度低于18 ℃的城市為二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州8 個城市，占比達到44.4%。當間接-直接蒸發冷卻設備在配備濕球效率為70%及以上的間接蒸發冷卻器時，新增滿足送風要求城市為包頭、漠河和黃山，新增滿足供水要求城市為張掖。而張家口、晉中、六盤水、紅河州、延安、石嘴山不能滿足送風要求，需要機械制冷輔助。

4 結論

依據GB 50736—2012 中全國民用建筑供暖通風與空調室外氣象參數，對其中夏季空調室外設計濕球溫度小于23 ℃的18 個干燥地區間接-直接蒸發冷卻空調設備制取的冷水（風）溫度進行分析可得主要結論如下。

（1）干燥地區因干濕球溫差大，使蒸發冷卻設備制取的冷水（風）效果更好。要使間接-直接蒸發冷卻設備出水溫度低于濕球溫度，配備不同濕球效率的間接蒸發冷卻器其填料段的冷幅高取值是不同的，比如濕球效率分別為60%、65%、70%、75%、80%時，在18 個城市應用填料段對應冷幅高取值范圍分別為0.48 ℃～3.20 ℃、0.52 ℃～3.50 ℃、0.56 ℃～3.80 ℃、0.60 ℃～4.10 ℃、0.63 ℃～4.40 ℃。要使間接-直接蒸發冷卻設備制備冷風，出風溫度低于濕球溫度，不同城市需要配備的濕膜厚度不同。

（2）間接-直接蒸發冷卻設備在干燥地區紡織廠（比如轉杯紡車間）應用時，在包頭、二連浩特、黃山、阿壩州、拉薩、阿里地區、張掖、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州11 個城市完全可以滿足送風溫度要求，而在張家口、晉中、延安等城市則還另外需要機械制冷輔助。間接-直接蒸發冷卻設備在干燥地區民用建筑應用溫濕度獨立控制系統時，二連浩特、阿壩州、拉薩、阿里地區、海西州、烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉州8 個城市完全可以滿足供水和送風溫度要求。

總之，在干燥地區因其氣候較為干燥，蒸發驅動勢更大，間接-直接蒸發冷卻設備出水（風）溫度效果最好，在多數城市可以完全滿足供水（風）溫度要求，而無需機械制冷。