一带一路干燥地区蒸发冷却通风空调系统设计参数及其对设计方法的影响研究.docx

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一带一路干燥地区蒸发冷却通风空调系统设计参数及其对设计方法的影响研究

［摘要］通过对2009ASHRAEHandbook-Fundamentals中关于“一带一路”沿线国家的干湿球温度进行分析发现，“一带一路”沿线国家有很大一部分地区属于干燥地区。

并且以乌鲁木齐、银川、西宁、兰州为例，分析了中美两国标准中给出的夏季空调室外设计计算参数的差异，并提出了适应于干燥地区的室外空气设计计算参数。

且采用中美两国标准中给出的夏季室外设计计算参数和提出的适应于干燥地区的室外空气计算参数分别计算了新风冷负荷、室内湿负荷、新风机组承担负荷比例及其特点，以及空气—水空调系统采用不同的室外计算工况而采取完全不同的空气处理方案，不适应当地气候特点的设计工况将导致不合适的技术方案。

计算分析了蒸发冷却冷水机组的出水温度，提出了适应于“一带一路”干燥地区的设计方法。

［关键词］一带一路；干燥地区；蒸发冷却；设计参数；出水温度

2013年，习总书记提出了“一带一路”战略构想，它将是未来几年我国发展的重点[22]。

而目前关于“一带一路”的研究大多集中在其提出的依据、意义[20]，以及其对各国政治、文化和经济的影响[21]等方面，关于某一技术在“一带一路”沿线国家的具体应用进行分析的文章却较少。

本文经分析得出，“一带一路”沿线有较大一部分地区属于干燥地区，蒸发冷却在该地区有较好的适用性，而在干燥地区的独特气候条件下研究蒸发冷却在其应用的文章[1,2]却较少。

而且目前国内尚没有符合我国国情的供干燥地区单独使用的设计参数与设计方法，而正确的室外设计计算参数及设计方法又是工程设计的基础。

目前，设计人员通常采用现行暖通规范中的夏季空调室外计算干球温度和湿球温度或夏季通风室外计算干球温度和相对湿度作为蒸发冷却室外设计计算参数。

由文献[1,4]知，两种方法对于干燥地区蒸发冷却设计都有一定的不合理性。

因此确定合理的干燥地区蒸发冷却用室外设计计算参数及设计方法，是亟需研究的问题。

本文以西北五省的独特气候条件为例，分析了合理的设计参数及设计参数对蒸发冷却通风空调系统设计方法的影响。

本文提出了更为适合的室外设计计算参数和蒸发冷却相关负荷及比例设计方法，本文为蒸发冷却在“一带一路”沿线的干燥地区应用提供一定的理论支撑。

 1 “一带一路”气象参数分析

1.1“一带一路”沿线各国蒸发冷却的应用条件

“干空气能”作为一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源，空气越干燥其吸收水分的能力越强，“干空气能”就越富足。

而“一带一路”沿线国家大多属于沙漠热带气候、温带大陆型气候等较干燥的气候条件[21]，空气中蕴含着丰富的“干空气能”，利用该能源通过蒸发冷却原理可以作为空调冷源解决室内供冷的问题，以较少的能源消耗营造一个舒适的室内环境，同时蒸发冷却可以对这些地区空气中的灰沙进行过滤，提高室内空气品质，以较小的代价改善这些欠发达地区的民生问题[18]。

而且“一带一路”沿线国家大多属于发展中国家，如图1所示，大部分国家的人均GDP少于10000美元，支付相对较高的机械制冷空调初投资及运行费用较困难。

并且若是都采用传统机械制冷空调，需要建设更多电厂，消耗更多的能源，因而，蒸发冷却在不提高建筑成本、不降低生活质量的前提下能够有效解决夏季室内降温问题[19]，在“一带一路”有较好的应用前景（图1）。

图1（2013年）“一带一路”沿线国家人均GDP

1.2蒸发冷却在“一带一路”沿线的适用性分析

图2“一带一路”沿线国家干湿球温度差统计

对于蒸发冷却，干球温度和湿球温度的差值是其主要驱动势，而取同时刻相对应的干球温度和湿球温度之差对其适应性进行分析才较为合理。

由于2009ASHRAEHandbook-Fundamentals[10]中的气象数据考虑了蒸发冷却用气象参数中干湿球温度的耦合作用，因此图2中数据均摘自2009ASHRAEHandbook-Fundamentals[10]附录：

各地设计参数（APPENDIX:

DESIGNCONDITIONSFORSELECTEDLOCATIONS）中空调用干球温度及同一时刻的湿球温度（CoolingDB/MCWB），且选择年不保证率为1%时的气象数据对“一带一路”沿线干空气能状况及蒸发冷却的适用性进行分析，如图2所示。

由图2可以看出，“一带一路”沿线国家的干湿球温度差都较大，其温差约为6~25℃，且湿球温度值也较低，均低于25℃，“干空气能”富足，蒸发冷却在“一带一路”沿线有较好的应用条件；而干湿球温差大最显著表现就是室外气候干热。

因此，“一带一路”沿线有较大一部分地区属于干燥地区，且蒸发冷却适合在干燥地区进行应用，故本文针对“一带一路”沿线干燥地区独有的气候特点研究蒸发冷却的设计参数及设计方法。

 2 我国干燥地区蒸发冷却设计参数对比分析

由上面的分析，可以得出蒸发冷却在“一带一路”沿线干燥地区有较好的应用前景与应用条件，而正确的室外设计计算参数及设计方法又是工程应用的基础。

我国的西北五省既是“一带一路”沿线的典型城市，又是典型的干燥地区，因此，本文以乌鲁木齐、银川、西宁和兰州为例，对我国干燥地区蒸发冷却设计参数与设计方法进行研究。

由于蒸发冷却的驱动势是干球温度和湿球温度之差，只有合理准确的确定蒸发冷却用室外设计计算参数才能真实反映蒸发冷却的适用性及应用情况，目前国内尚未有统一标准规定蒸发冷却用室外空气计算参数。

设计人员通常采用现行暖通规范中的夏季空调室外计算干球温度和湿球温度，而该夏季空调室外设计计算参数是将干球温度与湿球温度分别统计，没有考虑其耦合作用。

实际上当室外干球温度较高时空气含湿量并不同时较高，在西北干燥地区这种差别更为显著。

新风的含湿量偏大，对设备的除湿能力也产生了影响，对高效的蒸发冷却的应用范围起到了抑制作用，如表1所示。

（1）本文的统计值和美国ASHRAE标准同时考虑了干球温度和湿球温度耦合作用。

根据典型气象年参数统计的室外计算湿球温度值与美国ASHRAE的规定值较为接近，偏差小于1.0℃，而统计得到的室外计算干球温度与美国ASHRAE的规定值偏差小于2.5℃，基本吻合。

统计数值与ASHRAE数值相差较小，且由于统计年限、原始数据来源或标准高低等不同，各国给出的同一地点的室外设计计算参数不完全相同，是合理的现象。

（2）夏季通风室外设计计算参数的干湿球温度值均比根据典型气象年参数统计的室外计算干湿球温度值及ASHRAE的干湿球温度值都小许多。

在一些蒸发冷却系统用作通风系统的场所，如工厂、数据机房、户外等，由于这些场所室内温湿度要求不是很高，因此，选用夏季室外通风参数作为蒸发冷却通风空调系统的夏季室外设计计算参数设计依据较为合理。

（3）当空调室内设计工况为干球温度26℃、相对湿度50%时，本文统计工况和ASHRAE标准工况下，银川、兰州新风只有显热冷负荷，并不需要除湿。

但如果按照暖通规范[8]的空调设计参数，在银川和兰州，新风同时存在热湿负荷，需要降温除湿。

 3 我国干燥地区负荷计算问题

3.1新风负荷

室内冷负荷主要有以下几方面的内容：

照明散热、人体散热、室内用电设备散热、透过玻璃窗进入室内日照量、经玻璃窗的温差传热以及维护结构不稳定传热。

对于集中空调系统的冷负荷，除了以上空调区域的计算冷负荷，若空调方式为风机盘管加新风，则还应包括补偿新风引起的冷负荷，以及风、水系统引起的附加冷负荷和冷热抵消引起的附加冷负荷。

新风复合可由式

（1）计算。

Q=qm,W（hWx-hNx）

（1）

式中：

Q为新风负荷（kW）；qm,W为新风量（kg/s）；hWx为室外新风比焓（kJ/kg）；hNx为室内空气比焓（kJ/kg）。

表1夏季室外设计工况空气参数对比分析表①

注：

①室外大气压：

乌鲁木齐取911.2hPa；银川取883.9hPa；西宁取772.9hPa；兰州取843.2hPa；②室内设计工况参数按乌鲁木齐大气压计算；③摘自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736—2012夏季空气调节室外设计计算参数；室外设计含湿量与室外设计相对湿度均在当地大气压力下，根据焓湿图查询得到；④摘自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736—2012夏季通风室外设计计算参数；室外设计湿球温度与室外设计含湿量均在当地大气压力下，根据焓湿图查询得到；⑤应用从清华大学DeST（Designer’sSimulationToolkit）能耗模拟软件中导出西北干燥地区乌鲁木齐、银川、西宁、兰州四个主要城市典型气象年逐时气象参数统计全年不保证50h的干球温度与所对应的平均湿球温度确定；⑥摘自2009ASHRAEHandbook-Fundamental附录:

各地设计参数（APPENDIX:

DESIGNCONDITIONSFORSELECTEDLOCATIONS）中年不保证率为1%时的空调用干球温度及同一时刻的湿球温度值（CoolingDB/MCWB）；⑦该值为在当地大气压、干球温度和湿球温度的计算值。

由式

（1）可以看出，新风冷负荷与室外新风焓值密切相关，由于空气焓值是湿球温度的单值函数，因此，室外湿球温度决定了新风负荷的大小。

表2以兰州为例，室内设计干球温度26℃、相对湿度50%，对不同室外设计工况下新风负荷进行了计算。

表2不同室外设计工况下对新风负荷的影响

从表2可以看出，根据暖通规范空调设计计算工况（以下简称暖规）计算的新风负荷较大，而根据典型气象年逐时气象参数统计工况（以下简称统计）计算的新风负荷较小，美国ASHRAE工况（以下简称AS）计算的无新风负荷。

然而，位于干燥地区的兰州新风负荷应该很小，可是由于室外设计计算参数选取偏差，额外增加了空调设备的负荷。

3.2湿负荷

室内湿负荷主要由人体散湿量，水面散湿量和食品的散湿量组成，干燥地区室外空气干燥，干空气能丰富，往往大多数时候室内含湿量是大于室外含湿量的。

另外，新风量的多少也是影响空调负荷的重要因素之一，从GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》给出的公共建筑主要空间的人均设计新风量中选取典型的办公30m3/h、影剧院20m3/h、教室10m3/h，因为一些高密人群建筑，人均设计新风量较小，一般在10m3/h左右，因此，选取以上3个典型的人均新风量。

以西宁为例，室内设计干球温度26℃、相对湿度50%，选取人均散湿量为109g/h，表3对不同室外设计工况下室内含湿量情况进行计算。

表3不同室外设计工况下对室内含湿量的影响

由表3可以看出在暖通规范空调设计计算工况下，室内最终含湿量为109-6.67=-17.65（g/h），也就是说此时室内含湿量充足，需要除湿；然而在根据典型气象年逐时气象参数统计工况和美国ASHRAE工况下，室内最终的含湿量分别为-7.66g/h和-4.32g/h，表示室内含湿量是损失的，需要加湿。

同样是西宁地区，在不同的室外设计工况下，产生了完全相反的效果。

另外，在表3也可看出，新风量为20m3/h和10m3/h时，在3种工况下，都是需要除湿的，可见在干燥地区新风量的大小是十分重要的，对于蒸发冷却空气–水系统，如果按照室内人员数量考虑，即潜热负荷，设计时所选取的新风机组的新风量很小，不能满足一般空调系统要求的室内换气次数不小于5次/h的要求，这样会导致对室内卫生条件不利，室内空调环境空气质量较差，因此，新风机组容量不能单纯按室内人员数量来确定；从制取高温冷水的蒸发冷却冷水机组的规模、投资，以及运行费用的综合考虑，适当增加各系统的新风量，可以减少冷水机组负荷、占地面积和设备投资，降低冷水系统的运行费用。

综上所述，空气–水蒸发冷却空调系统应综合考虑节能和满足室内卫生条件要求，以及设备投资和运行费用等因素。

由表3中水蒸汽分压力项目可以看出，在暖规工况下，室内水蒸汽分压力小于室外水蒸汽分压力，空气水分是由外至内；在统计和ASHRAE工况下，室内水蒸汽分压力大于室外水蒸汽分压力，空气水分是由内至外。

由于干燥地区本身的特质，其空气水分的传递方向应该与潮湿地区的方向相反，即由内至外，可见暖通规范[8]的空调设计参数与当地气候特点差异较大，以此为设计依据的设计方案将是不适合的。

3.3新风机组承担负荷比例

经3.1分析我们可知，在暖规工况下，存在新风负荷，对于空气–水系统，新风机组需要承担这一部分新风负荷，但对于室内湿负荷较大的场所，新风机组还需要承担一部分室内热湿负荷。

图3,4以银川为例，分别是在暖规工况下新风机组只承担新风负荷和承担新风负荷及热湿负荷的空调过程焓湿图。

图3暖规工况下新风机组只承担新风负荷空调过程

图4暖规工况下新风机组承担新风负荷+室内热湿负荷空调过程

图中，W暖.空.银为银川在暖规工况下的室外设计状态点；N为室内状态点；O为送风状态点；L1为新风经过新风机组处理后的机器露点；L2为回风经干式风机盘管处理后的机器露点。

图3，新风机组只承担新风负荷，选取室内状态点N等焓线与相对湿度线的交点作为新风机组的机器露点，干式风机盘管机组机器露点的相对湿度值可取90%；图4，新风机组承担新风负荷+室内热湿负荷，选取室内状态点N湿球温度与露点温度连线上的任意一点作为新风机组的机器露点。

两种情况，经新风机组处理后的空气与干式风机盘管配合，消除室内热、湿负荷。

可是我们注意到，送风状态点O在L1,L2的左侧，也就是说室内还要额外增加除湿装置才能达到送风状态点。

图5统计及ASHSER工况下蒸发冷却+干式风机盘管空调过程

图5中，W统.银为银川在统计工况下的室外设计状态点；WAS.银为银川在ASHSER工况下的室外设计状态点；W1为经蒸发冷却新风机组间接段处理后的空气状态点。

由图5可以看出，在统计和ASHSER工况下，完全可以采用蒸发冷却+干式风机盘管的空调系统形式，干式风机盘管不承担室内的湿负荷只承担室内照明、太阳辐射热、人体散热等引起的显热负荷的一部分，室内湿负荷由新风机组承担，新风处理到机器露点L1后，送入室内与由风机盘管处理的室内循环风L2混合达到室内送风状态点。

没有新风负荷，也无需额外的除湿装置，新风机组只需要承担室内湿负荷，在3.2分析中，认为新风机组容量除了承担房间全部潜热负荷外，再承担25%~30%比例的房间显热负荷是比较合理的，适当增加各系统的新风量，可以减少冷水机组负荷、占地面积和设备投资，降低冷水系统的运行费用。

 4 我国干燥地区蒸发冷却通风空调系统水侧工况

目前干燥地区空气–水蒸发冷却空调系统应用的较为广泛，其采用蒸发冷却冷水机组制取的高温冷水进行供冷，作为空气–水系统而言不再是采用常规冷凝除湿空调系统中的低温冷水，从而为天然冷源的使用提供了条件，在节能效果方面也更显优势。

空气–水蒸发冷却空调系统中新风经蒸发冷却新风机组集中处理后送入空调房间，高温冷水由蒸发冷却冷水机组制取后送入室内显热末端。

干式风机盘管是近年来发展并广泛应用的一种空调显热末端形式，其结构更为简单和紧凑。

表4为干式风机盘管名义供冷（热）工况，设计工况下的高温冷水温度一般为16~18℃，高于空调环境的空气露点温度，空气处理过程不再会产生冷凝水，是为空调房间提供显冷量的干式冷却过程。

表4干式风机盘管名义供冷（热）工况

因此，蒸发冷却冷水机组的出水温度是十分关键的，以一级直接蒸发冷却冷水机组和间接蒸发冷却冷水机组为例，根据经验公式2[28]

tw=to-ηw{to-[ts-ηL（ts-tL）]} 

（2）

式中：

tw为蒸发冷却冷水机组出水温度（℃）；to为室外设计干球温度（℃）；ts为室外设计是球温度（℃）；tL为室外设计露点温度（℃）；ηw为蒸发冷却冷水机组水侧效率（%）；ηL为蒸发冷却冷水机组间接段换热器效率（%）。

其中ηw、ηL根据经验值取一组高效率90%、70%；一组低效率80%、60%。

表5以银川为例，分别在高效率和低效率两组效率下对一级间接蒸发冷却冷水机组的出水温度进行计算。

表5不同效率不同室外设计工况下间接蒸发冷却冷水机组的出水温度

由表5可以看出，在暖规工况下蒸发冷却冷水机组的出水温度较高，而在后两种工况下，其出水温度都是在干式风机盘管规定的工况范围内，选用第一种室外设计工况会造成较大的偏差，极大的影响系统设计及设备选型。

因此，根据根据典型气象年逐时气象参数统计的设计参数更为适合。

 5 结束语

（1）空调系统设计方案、计算参数、空调设备设计均应抓住当地的气候特点，进行相应的适应性分析，根据正确的室外设计计算参数选用空调系统。

例如一带一路沿线国家及我国干燥地区干湿球温差较大，蒸发冷却通风空调系统在这些地区实用性极强，但要对这些地区的室外干湿球温度进行点对点、对应性的统计，才能使蒸发冷却在其中发挥真正的作用。

（2）对典型气象年逐时气象参数进行统计，不难发现其参数相较于相关国标[8]中的参数更加准确和具有适用性。

若不对当地气象参数进行实际统计，盲目按照国标参数选取，对于蒸发冷却通风空调系统设计、负荷计算、空调设备选型、运行可靠性及经济性等方面都具有非常重要影响。

（3）对蒸发冷却通风空调系统设计参数对负荷计算和水侧工况的影响，提供了更为适合的室外设计计算参数和蒸发冷却相关负荷及比例设计方法，希望能对于该地区蒸发冷却通风空调设计和节能具有借鉴参考意义。

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