張 鑫,黃 翔,孫 哲,黃從新,秦忠山

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西北電力設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710075; 3.陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)有限責(zé)任公司延安煉油廠,陜西 延安 727406)

0 引 言

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種環(huán)保高效且經(jīng)濟(jì)的冷卻方式,廣泛應(yīng)用于居住建筑和公共建筑,并可在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域如紡織廠、印刷廠、鑄造車(chē)間、動(dòng)力發(fā)電廠等工業(yè)建筑中提高工人的舒適性.蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)可以降低干球溫度,給居住者提供一個(gè)較舒適的環(huán)境,還可通過(guò)控制干球溫度和相對(duì)濕度改善農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境及滿足生產(chǎn)工藝的要求[1].目前相繼修訂和出臺(tái)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2](GB50189—2005)、《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](GB50736—2012)等都對(duì)蒸發(fā)冷卻選擇和應(yīng)用提出了相應(yīng)的要求,但是這些都沒(méi)有明確提到蒸發(fā)冷卻需要使用的室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的確定方法.目前正在編寫(xiě)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)涉及到的蒸發(fā)冷卻的部分以及蒸發(fā)冷卻相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均提出了蒸發(fā)冷卻用室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的概念.

建筑物所在地的室外空氣設(shè)計(jì)參數(shù)是設(shè)計(jì)計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)過(guò)程中的重要設(shè)計(jì)依據(jù),進(jìn)而通過(guò)室外設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)確定空調(diào)負(fù)荷與選擇經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的空調(diào)系統(tǒng).但是常采用的夏季空調(diào)室外計(jì)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(shí)刻的,即空調(diào)室外設(shè)計(jì)狀態(tài)參數(shù)確定的室外狀態(tài)點(diǎn)不能在焓溫圖上表示出來(lái).蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用不飽和空氣的干濕球溫差來(lái)獲取冷量的一種制冷方式,且干濕球溫差也是影響蒸發(fā)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(shí)刻對(duì)應(yīng)的,若將夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度和濕球溫度直接用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析其適應(yīng)性,就存在著不合理.采用合理的方法確定蒸發(fā)冷卻用室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù),是亟需研究的問(wèn)題.

針對(duì)上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)蒸發(fā)冷卻室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了研究,得到可通過(guò)夏季通風(fēng)室外計(jì)算參數(shù)初步判斷蒸發(fā)冷卻全空氣空調(diào)系統(tǒng)的地域適應(yīng)性[4];直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的室外設(shè)計(jì)干球溫度和和設(shè)計(jì)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(duì)建筑熱環(huán)境和不同設(shè)備空氣熱濕處理過(guò)程的影響,濕球溫度是蒸發(fā)冷卻設(shè)備的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)累年平均不保證50h的濕球溫度確定[6].且在ASHRAE 169—2006建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)用氣象數(shù)據(jù)手冊(cè)以及2009版的ASHRAE Handbook—Fundamentals第14章CLIMATIC DESIGN INFORMATION中,氣象數(shù)據(jù)分為空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)和蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)參數(shù),空調(diào)的設(shè)計(jì)參數(shù)是年不保證率為0.4%、1%和2%時(shí)的干球溫度及同期的平均濕球溫度;蒸發(fā)冷卻的設(shè)計(jì)參數(shù)是年不保證率為0.4%、1%和2%時(shí)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(nèi)容的基礎(chǔ)上得出代表城市的蒸發(fā)冷卻用室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù),并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析.

1 蒸發(fā)冷卻用設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的綜合分析

1.1 蒸發(fā)冷卻氣候分區(qū)

我國(guó)是一個(gè)多氣候國(guó)家,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《蒸發(fā)式冷氣機(jī)》[9](GB/T 25860—2010)將各地區(qū)夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度值分為以下3個(gè)地區(qū):(1)干燥地區(qū)(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(diǎn)溫度相對(duì)較低,空氣含濕量低；(2) 中等濕度地區(qū)(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(qū)(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(guò)大.

由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的特征以及在各個(gè)氣候區(qū)應(yīng)用潛力的不同,選擇位于干燥地區(qū)的烏魯木齊(夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度18.2℃)、中等濕度地區(qū)的西安(夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度25.8℃)、高濕度地區(qū)的廣州(夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度27.8℃)3個(gè)城市進(jìn)行蒸發(fā)冷卻用設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的研究.

1.2 逐時(shí)干球溫度和濕球溫度

在分析過(guò)程中需要對(duì)各城市的逐時(shí)氣象參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理,主要使用的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)為:

《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》[10]:以中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室收集的全國(guó)270個(gè)地面氣象臺(tái)站1971～2003年的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)分析、整理、補(bǔ)充源數(shù)據(jù)以及合理的插值計(jì)算,獲得了全國(guó)270個(gè)臺(tái)站的建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集.其內(nèi)容包括根據(jù)觀測(cè)資料整理出的設(shè)計(jì)用室外氣象參數(shù),以及由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成的動(dòng)態(tài)模擬分析用逐時(shí)氣象參數(shù).

建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)[11]:由標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)日氣象數(shù)據(jù)以及不保證率氣象數(shù)據(jù)構(gòu)成.標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)是最為重要的部分,把實(shí)測(cè)的接近平均的12個(gè)月份人為地銜接起來(lái)做成8 760h的氣象數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù).標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)由干球溫度、相對(duì)濕度和含濕量等因素構(gòu)成.標(biāo)準(zhǔn)日氣象數(shù)據(jù)是由每年奇數(shù)月中的標(biāo)準(zhǔn)日氣象數(shù)據(jù)構(gòu)成,不保證率氣象數(shù)據(jù)包括冬夏季不保證率為2.5%和5%的干球溫度和相對(duì)濕度.

烏魯木齊夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)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(tài)逐時(shí)分布見(jiàn)圖1.從圖1中可看出全月最高干球溫度點(diǎn)不是濕球溫度的最高點(diǎn),某些最高干球溫度變化趨勢(shì)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(shí);濕球溫度最大值為22.2℃,在7月8日22時(shí).通過(guò)對(duì)7月份逐時(shí)氣象參數(shù)的統(tǒng)計(jì),室外溫度高于夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干、濕球溫度33.5℃、18.2℃的小時(shí)數(shù)分別為:干球溫度34h,濕球溫度3h.

西安夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)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(tài)逐時(shí)分布見(jiàn)圖2.其中干球溫度最大值為37.9℃,在7月31日17時(shí);濕球溫度最大值為27.1℃,在7月31日20時(shí).通過(guò)對(duì)7月份逐時(shí)氣象參數(shù)的統(tǒng)計(jì),室外溫度高于夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干、濕球溫度35℃，25.8℃的小時(shí)數(shù)分別為:干球溫度26h,濕球溫度6h.

廣州夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)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(tài)逐時(shí)分布見(jiàn)圖3.其中干球溫度最大值為35.6℃,在7月28日15時(shí);濕球溫度最大值為31.6℃,在7月6日10時(shí).通過(guò)對(duì)7月份逐時(shí)氣象參數(shù)的統(tǒng)計(jì),室外溫度高于夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干、濕球溫度34.2℃，27.8℃的小時(shí)數(shù)分別為:干球溫度43h,濕球溫度23h.

圖1 烏魯木齊最熱月逐時(shí)氣象參數(shù)分布圖

圖2 西安最熱月逐時(shí)氣象參數(shù)分布圖

圖3 廣州最熱月逐時(shí)氣象參數(shù)分布圖

由以上對(duì)烏魯木齊、西安、廣州最熱月逐時(shí)氣象參數(shù)的分析得知:干球溫度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的濕球溫度不是最大值,則干球溫度和濕球溫度同時(shí)不保證的狀態(tài)點(diǎn)是不存在的.采用夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度和濕球溫度確定室外空氣狀態(tài)點(diǎn)不能體現(xiàn)蒸發(fā)冷卻由干濕球溫度差驅(qū)動(dòng)制冷的特性.

2 蒸發(fā)冷卻用設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的確定

2.1 計(jì)算參數(shù)的確定方法

在相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上,對(duì)夏季室外設(shè)計(jì)參數(shù)的研究方法如下:

方法一,統(tǒng)計(jì)3個(gè)城市的夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度和相對(duì)濕度占最熱月的干球溫度和相對(duì)濕度的不保證率,以此分析應(yīng)用通風(fēng)參數(shù)的合理與否.若合理的話,通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度和相對(duì)濕度即為確定的夏季室外設(shè)計(jì)參數(shù),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 夏季通風(fēng)參數(shù)和不保證率統(tǒng)計(jì)表

方法二,根據(jù)文獻(xiàn)[10]逐時(shí)氣象參數(shù)對(duì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì),不保證50h的干球溫度仍然采用文獻(xiàn)[3]中的夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度.不保證50h的干濕球溫度之和減去夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度得到設(shè)計(jì)濕球溫度,則確定了夏季室外設(shè)計(jì)干球溫度和濕球溫度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不保證50h干濕球溫度值及設(shè)計(jì)干球溫度

方法三,根據(jù)文獻(xiàn)[3]查得3個(gè)代表城市的夏季空調(diào)計(jì)算濕球溫度ts,根據(jù)文獻(xiàn)[10]中逐時(shí)氣象參數(shù)選取在ts±0.5℃范圍內(nèi)濕球溫度,并對(duì)該范圍內(nèi)濕球溫度相應(yīng)的干球溫度求和,計(jì)算得到干球溫度的平均值,該干球溫度即為夏季室外設(shè)計(jì)干球溫度,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 ts±0.5℃對(duì)應(yīng)的干球溫度值

2.2 計(jì)算參數(shù)的分析

蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的確定之前均按照室外計(jì)算空氣調(diào)節(jié)的干球溫度和濕球溫度,確定室外空氣狀態(tài)點(diǎn).研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)室外空調(diào)干球溫度和濕球溫度不是在同時(shí)刻發(fā)生的,那樣的狀態(tài)點(diǎn)是不存在的,是不合理的、錯(cuò)位的.而蒸發(fā)冷卻對(duì)室外狀態(tài)參數(shù)十分敏感,因此就不能按照完全錯(cuò)位的狀態(tài)點(diǎn)來(lái)確定.參照國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)冷卻設(shè)計(jì)的大量的資料,對(duì)上述3種確定方法及2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals不保證率為0.4%的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析,3個(gè)城市設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 3個(gè)城市設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

通過(guò)以上幾種設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比可以看出不同的統(tǒng)計(jì)方法得到的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)也不盡相同,均有一定的差距.方法一中參數(shù)來(lái)源為夏季通風(fēng)計(jì)算參數(shù),可看出干燥地區(qū)及中等濕度地區(qū)的烏魯木齊、西安與其他方法差距較大，高等濕度地區(qū)的廣州與ASHRAE中不保證率為0.4%參數(shù)差距較?。环椒ǘ枰_定典型參數(shù),當(dāng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)用于不同場(chǎng)所時(shí),隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的改變,氣象參數(shù)會(huì)隨著變化；方法三考慮到了濕球溫度，對(duì)蒸發(fā)冷卻的影響，對(duì)蒸發(fā)冷卻參數(shù)的確定有一定的參考意義.2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals中的氣象數(shù)據(jù)考慮了蒸發(fā)冷卻用氣象參數(shù)中干濕球溫度同時(shí)性的情況,但需要結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情選用適合的氣象參數(shù).

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中，室外狀態(tài)點(diǎn)均由文獻(xiàn)[3]中的夏季空調(diào)室外計(jì)算干濕球溫度,兩者分別由歷年平均不保證50h溫度統(tǒng)計(jì)得到,但是干球溫度和濕球溫度不是同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的.干濕球溫差是影響蒸發(fā)冷卻制冷效率的重要因素,所以按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的氣象參數(shù)仍然存在一定的不合理性.為了確定蒸發(fā)冷卻適用的氣象參數(shù),在相關(guān)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,并且根據(jù)蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的特點(diǎn),使用氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的逐時(shí)氣象參數(shù)確定蒸發(fā)冷卻夏季室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù).夏季室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)由3種方法確定,并且選擇位于干燥地區(qū)、中等濕度地區(qū)、高濕度地區(qū)的3個(gè)代表城市逐個(gè)分析,通過(guò)對(duì)3種方法以及2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals中氣象數(shù)據(jù)的分析,確定合理的適用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)的室外狀態(tài)參數(shù),使蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)得到更廣泛的使用.

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