王興興，黃　翔，申長軍，鞠昊宏，折建利

（西安工程大學(xué)，陜西西安710048）

西安地區(qū)蒸發(fā)式冷氣機(jī)室內(nèi)外降溫實(shí)驗(yàn)分析

王興興，黃翔，申長軍，鞠昊宏，折建利

（西安工程大學(xué)，陜西西安710048）

主要通過對室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)和室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)在西安不同使用場合的實(shí)驗(yàn)測試，得出兩者各自的溫降效果和效率，室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)溫降范圍為8.8～10.8℃，效率范圍為68%～75%，室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)溫降范圍為9.4～11.5℃，效率范圍為84%～95%。并且通過對已測數(shù)據(jù)的處理，分析出影響機(jī)組風(fēng)量的可能因素，以及干濕球溫度和效率關(guān)系，對兩個機(jī)組的制冷量進(jìn)行簡要分析，并指出該次實(shí)驗(yàn)所需改進(jìn)的地方。

蒸發(fā)式冷氣機(jī)；效率；溫降；實(shí)驗(yàn)

0　引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類逐漸重視能源問題，雖然中國已成為世界節(jié)能和利用新能源第一大國，但供暖空調(diào)所消耗的能源總量已超過一次能源總量的20%[1]，耗量巨大。新能源如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等在很多地方得到應(yīng)用，但在很多應(yīng)該用的地區(qū)，并沒有得到推廣。

“干空氣能”作為一種新能源，全國分布廣泛，儲存量十分豐富，經(jīng)過行業(yè)人士的多年努力，使之以“干空氣能”為載體的蒸發(fā)冷卻技術(shù)在西北地區(qū)，如新疆、甘肅、青海、寧夏等干燥地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[2]。

西安根據(jù)氣象條件劃分屬于中濕度地區(qū)[3]，其夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干濕球溫度之差接近10℃，以干濕球溫差為驅(qū)動力的“干空氣能”儲存也相當(dāng)豐富。蒸發(fā)式冷氣機(jī)作為蒸發(fā)冷卻技術(shù)的主要產(chǎn)品，在西安地區(qū)還沒有得到廣泛應(yīng)用，其很大一部分原因是人們多蒸發(fā)冷卻技術(shù)僅適合在西北干燥地區(qū)的誤解。該文對兩臺不同的蒸發(fā)式冷氣機(jī)在西安市某戶外降溫和某辦公室室內(nèi)降溫進(jìn)行了實(shí)測，根據(jù)測試結(jié)果，對蒸發(fā)式冷氣機(jī)的溫降效果和效率等進(jìn)行了分析。

1　試驗(yàn)測試機(jī)組

1.1機(jī)組概況與工作原理

室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)測試地點(diǎn)為西安某辦公樓屋頂，利用太陽能光伏發(fā)電帶動冷氣機(jī)運(yùn)行，并且冷氣機(jī)其出風(fēng)用于對發(fā)電光伏板進(jìn)行降溫；室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)測試地點(diǎn)為西安某辦公室，其出風(fēng)用于滿足室內(nèi)工作人員的溫濕度需求。

室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)和室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)主要組成部分基本相同，為進(jìn)風(fēng)口、植物纖維過濾填料、水泵、布水器、排水閥等組成。室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)機(jī)組和室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)機(jī)組概況見表1和表2。

表1　室外降溫機(jī)組概況

表2　室內(nèi)降溫機(jī)組概況

室內(nèi)、外蒸發(fā)式冷氣機(jī)的工作原理相同，為蒸發(fā)冷卻技術(shù)中的直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)。新風(fēng)通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)組，與布水器淋濕后的植物纖維填料中的水膜直接接觸，發(fā)生熱濕交換，從而降低空氣的溫度，其在焓濕圖上可近似的認(rèn)為是一個等焓加濕過程。

室外降溫機(jī)組和室內(nèi)降溫機(jī)組各配有一個液晶控制裝置。在液晶控制面板上可以對機(jī)組的相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中運(yùn)行模式有“關(guān)機(jī)”、“待機(jī)”、“制冷”、“通風(fēng)”、“自動”5個狀態(tài)，可根據(jù)需求自動或手動進(jìn)行調(diào)節(jié)。室外降溫機(jī)組風(fēng)速有“5”檔，室內(nèi)降溫機(jī)組風(fēng)速有“8”檔。在實(shí)驗(yàn)測試中，室外降溫機(jī)組處在“5”檔風(fēng)速狀態(tài)運(yùn)行，室內(nèi)降溫機(jī)組處在“5”檔風(fēng)速狀態(tài)運(yùn)行。

2　測試過程與結(jié)果

2.1測試儀器

該次實(shí)驗(yàn)主要對西安地區(qū)室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)和室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)的降溫幅度、蒸發(fā)冷卻效率、運(yùn)行時機(jī)組水溫等做了實(shí)際測試[4]，所用儀器見表3。

表3　測試儀器

式中vj─進(jìn)口平均風(fēng)速，m/s；

v1，v2─各測點(diǎn)風(fēng)速，m/s；

q─風(fēng)量，m3/h；

v─平均風(fēng)速，m/s；

A─面積，m2。

通過表4可計(jì)算出進(jìn)風(fēng)量為1784m3/h，出風(fēng)量為

2.2風(fēng)量測試

2.2.1室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)風(fēng)量測試

室外降溫機(jī)組風(fēng)速有“5”檔，2015年5月26日12：00-16：00測試期間風(fēng)速放置在第“5”檔出。用數(shù)字風(fēng)速儀對進(jìn)、出口風(fēng)速進(jìn)行測試。進(jìn)風(fēng)口有三面，采用每面兩點(diǎn)式測量法，其測點(diǎn)布置示意圖如圖1a）。然后，求出平均值，如公式（1）所示，最后根據(jù)公式（2）求出進(jìn)風(fēng)量。出風(fēng)量的測試方法為四點(diǎn)測試法，其測點(diǎn)布置示意圖如圖1b），然后，求四點(diǎn)平均值，后根據(jù)公式（2）求出出風(fēng)量[5]。1755m3/h，兩者基本相同，后文研究取兩者平均值約為1770m3/h，測試所得風(fēng)量與機(jī)組銘牌的額定風(fēng)量4000m3/h相差較大，原因可以歸納為幾點(diǎn)：

圖1　風(fēng)速測點(diǎn)布置示意圖a）進(jìn)風(fēng)b）出風(fēng)

表4　風(fēng)速和風(fēng)量測試統(tǒng)計(jì)

1）機(jī)組停放時間較長，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)風(fēng)葉等存在灰塵，阻力增大，影響風(fēng)量；

2）機(jī)組從出產(chǎn)至今接近五年，風(fēng)機(jī)內(nèi)部電線等老化，電阻增大，輸出風(fēng)量減??；

3）機(jī)組長時間沒有進(jìn)行維護(hù)管理，影響風(fēng)量；

4）此次測試機(jī)組所需電能全部來自于光伏板所發(fā)電力，供電量可能達(dá)不到額定要求；

5）測試時操作和讀數(shù)存在一定誤差。

2.2.2室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)風(fēng)量測試

室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)總共有8檔，2015年5月30日12：00-15：00測試時檔速放置在“5”檔處。根據(jù)現(xiàn)場測試情況，總共有7個送風(fēng)口，確定送風(fēng)量的時候，取平穩(wěn)管段處的兩個送風(fēng)風(fēng)速的平均值為總送風(fēng)平均值，其風(fēng)量計(jì)算公式與上述室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)一樣。將風(fēng)速和風(fēng)量測試統(tǒng)計(jì)列入表5。

表5　風(fēng)速和風(fēng)量測試統(tǒng)計(jì)

通過表5可計(jì)算出進(jìn)風(fēng)量為9088m3/h，送風(fēng)量為8414m3/h，兩者相差不大。此為“5”檔情況下機(jī)組進(jìn)送風(fēng)風(fēng)量，后文研究取兩者平均值為8751m3/h。

2.3溫降效果及效率

2.3.1室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)溫降情況

2015年5月26日12：00～15：00對室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)的降溫情況進(jìn)行測試，每5min記錄一次數(shù)據(jù)，此時間段對應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口溫度、相對濕度以及出風(fēng)口溫度、相對濕度如圖2所示。

圖2　室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)進(jìn)、出風(fēng)狀態(tài)參數(shù)

由上圖及記錄數(shù)據(jù)可以得出，進(jìn)風(fēng)干球溫度和出風(fēng)溫度變化趨勢基本一樣，進(jìn)風(fēng)干球溫度最大值為36.4℃，最小值為32.1℃，溫度變化范圍32.7～36.5℃，進(jìn)風(fēng)相對濕度最大值為33.9%，最小值為26.3%，相對濕度變化范圍26.3%～33.9%。出風(fēng)溫度變化范圍為23.8～25.5℃，出風(fēng)相對濕度變化范圍為61.4%～67.0%。

在測試期間內(nèi)，儀器每分鐘記錄一次，從12：00開始，以20min為界限，取各時間段的平均值，經(jīng)過處理，可得出進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度與出風(fēng)平均溫度的關(guān)系，記錄在表6和圖3中。

表6　進(jìn)風(fēng)平均干球溫度和出風(fēng)平均溫度統(tǒng)計(jì)

圖3　進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度和出風(fēng)平均溫度

經(jīng)過上表可以很直觀的看出，進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度與出風(fēng)平均溫度之差基本保持恒定，最大差為4.1℃，最小差為3.6℃。這能夠說明該蒸發(fā)式冷氣機(jī)運(yùn)行效果比較穩(wěn)定。

2.3.2室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)溫降情況

圖4　室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)進(jìn)、出風(fēng)狀態(tài)參數(shù)

2015年5月30日12：00～15：00對室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)的降溫情況進(jìn)行測試，其數(shù)據(jù)處理方法和室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)相似，將各時刻對應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口溫度、相對濕度以及出風(fēng)口溫度、相對濕度如圖4所示，進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度與出風(fēng)平均溫度的關(guān)系，可以通過圖5得出。

圖5　進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度和出風(fēng)平均溫度

由上圖可以看出，進(jìn)風(fēng)干球溫度最大值為33.9℃，最小值為29.7℃，溫度變化范圍29.7～33.9℃。進(jìn)風(fēng)相對濕度最大值為44%，最小值為33.4%，相對濕度變化范圍為33.4%～44%。

經(jīng)過上述圖2和圖4可以看出，進(jìn)風(fēng)干球溫度的最大值時刻和進(jìn)風(fēng)相對濕度出現(xiàn)最大值和最小值的時刻并不相同，所以對應(yīng)的驅(qū)動力─干、濕球溫差，并不一定出現(xiàn)在干球溫度最大或者相對濕度最小的時刻[6]。經(jīng)過圖3和圖5可以得出，各機(jī)組的進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度與出風(fēng)平均溫度之差基本保持恒定，說明機(jī)組的降溫效果穩(wěn)定。但室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)與室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)相比進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度與出風(fēng)平均溫度之差明顯大得多，主要原因是測試用的室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)降溫效果較差。

2.3.3室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)效率情況

上文已闡述，蒸發(fā)式冷氣機(jī)運(yùn)用的是直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，因此，評價其性能優(yōu)劣的主要是濕球效率，可以表示為進(jìn)風(fēng)平均干球溫度和出風(fēng)平均溫度之差與進(jìn)風(fēng)平均干濕球溫度之差的比值，用下式表示[7]。

式中ηDEC─直接蒸發(fā)冷卻效率；

tg─進(jìn)風(fēng)平均干球溫度，℃；

t1─出風(fēng)平均溫度，℃；

ts─進(jìn)風(fēng)平均濕球溫度，℃。

根據(jù)測試結(jié)果，將進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)參數(shù)，以及直接蒸發(fā)冷卻效率整理后列在表7中。

表7　進(jìn)、出風(fēng)平均參數(shù)和效率

圖6　進(jìn)、出風(fēng)平均溫度與效率

上圖6為進(jìn)風(fēng)平均溫度和出風(fēng)平均溫度和效率的關(guān)系，從圖中可以更直觀的看出每一時間段內(nèi)機(jī)組的平均效率情況。在14：20～14：40段內(nèi)效率最高為75%，在12：40～13：00內(nèi)效率最低為68%。進(jìn)風(fēng)干濕球溫度與效率變化基本一致，進(jìn)風(fēng)干球溫度增加，效率也隨之增加，反之，則減小。

2.3.4室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)效率情況

圖7　進(jìn)、出風(fēng)平均相對參數(shù)與效率

室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)的效率分析和上述室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)一樣，此處將進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)參數(shù)和直接蒸發(fā)冷卻效率列在圖7中。

通過對室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)和室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)效率分析，可以得出進(jìn)風(fēng)平均干球溫度是直接蒸發(fā)冷卻效率的影響因素，可以總結(jié)為，進(jìn)風(fēng)平均干球溫度越高，直接蒸發(fā)冷卻效率越高，反之效率越低。

2.4制冷量分析

根據(jù)焓濕圖，可以得出直接蒸發(fā)冷卻制冷量計(jì)算公式[8]：

式中Q─制冷量，kW；

ρ─西安地區(qū)空氣密度，kg/m3，取1.1；

cp─空氣比熱，kJ/（kg·K），取1.01；

V─送風(fēng)量，m3/h。

由公式（4）可以看出影響制冷量大小的因素空氣密度、空氣比熱、送風(fēng)量和進(jìn)出風(fēng)溫度。本文測試地區(qū)為西安地區(qū)，因此空氣密度和空氣比熱可以看做定值，所以，送風(fēng)量和進(jìn)出溫差成為影響制冷量的主要因素。

室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)和室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)的制冷量從測試時刻開始，分別以20min和30min為界限，取各時間段的平均值，分別見表8和表9。

根據(jù)表8和表9可以看出，室外蒸發(fā)式冷氣機(jī)最大制冷量為5917.6kW，最小制冷量為4801.7kW，室內(nèi)蒸發(fā)式冷氣機(jī)最大制冷量為31867.7kW，最小制冷量為28086.8kW。兩者在測試期間制冷量波動幅度很小，說明運(yùn)行穩(wěn)定。

3　測試需改進(jìn)之處

該次測試分兩次進(jìn)行，室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)測試時間為2015年5月26日，補(bǔ)水采用自來水，但自來水采用人工補(bǔ)水方法，即從離測試地點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方通過盛水容器將接好的自來水倒入循環(huán)水箱，這樣操作存在距離影響水溫的問題，使得水溫有一定誤差。其二，通過測試出風(fēng)射程及射程范圍的溫濕度可以確定室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)可以放置的位置，但此次測試沒有做具體測試。最后，測試天數(shù)較短，沒有對每個檔位的溫降進(jìn)行逐一測試。

表8　室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)平均制冷量

表9　室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)平均制冷量

室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)測試時間為2015年5月30日，補(bǔ)水采用自動補(bǔ)水裝置，循環(huán)水溫測試時，由于機(jī)組放置位置陽光直曬，當(dāng)打開裝置，測試水溫時，陽光照射，會存在一定偏差。在測試時，僅對送風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行了測試，缺少室內(nèi)點(diǎn)的風(fēng)速。最后，機(jī)組“8”個檔位，沒有對每個檔位的溫降進(jìn)行逐一測試。

總之，不管是蒸發(fā)式冷氣機(jī)用在室內(nèi)，還是室外進(jìn)行降溫，其實(shí)際測試要盡量避免一些誤差，這樣才能更好的反應(yīng)機(jī)組的實(shí)際效果。

4　結(jié)語

（1）在測試條件下，室外降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)降溫最大值為10.8℃，其效率最大為75%；室內(nèi)降溫式蒸發(fā)式冷氣機(jī)溫降最大值為11.5℃，其效率最大值為95%；

（2）室外降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)效率低，其主要原因是植物纖維填料淋水不均勻，沒有形成完整的水膜，存在干點(diǎn)。在最大風(fēng)速條件下，其制冷量與額定制冷量相比較小，其主要原因是機(jī)組本身送風(fēng)量過低造成的。

（3）室內(nèi)降溫蒸發(fā)式冷氣機(jī)效率高，其主要原因，測試當(dāng)天，西安地區(qū)干濕球溫差相對較大，植物纖維填料布水均勻，不存在干點(diǎn)，其制冷量與額定制冷量相差不大，其主要原因是在“5”檔運(yùn)行時，實(shí)際送風(fēng)量與此檔位下對應(yīng)設(shè)計(jì)風(fēng)量接近。

（4）西安地區(qū)雖然為中濕度地區(qū)，但根據(jù)各測試結(jié)果，可以得出，5月底開始西安地區(qū)室外、室內(nèi)采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)進(jìn)行降溫，其整體效果相當(dāng)不錯，仍能夠滿足溫降要求。

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Experimental Analysis of Outdoor and Indoor cooling of Evaporative Air Conditioner in Xi'an

WANG Xing-xing，HUANG Xiang，SHEN Chang-jun，JU Hao-hong，SHE Jian-li
（Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China）

This paper mainly through experimenal test of outdoor cooling of evaporative air conditioner and indoor cooling of evaporative air conditioner in different sites of Xi'an，drawn the both temperature drop and effic-iency of them，the scope of outdoor evaporative air conditioner temperature drop is 8.8～10.8℃，the range of efficie-ncy is 68%～75%，the scope of outdoor evaporative air conditioner temperature drop is 9.4～11.5℃，the range of eff-iency is 84%～95%.And through the processing of measured data，analysis of the possible factors that affect the un-it volume，and the relationship of wet and dry bulb temperature，circulation water temperature with the efficiency，brief analysis of the cooling capacity of two units，and points out where should be improved of this expriement.

evaporative air conditioner；efficiency；temperature drop；expriement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.014

TU83

B

2095-3429（2015）05-0059-06

陜西省統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（編號：2011KTCQ01-10）。

王興興（1989-），男，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：蒸發(fā)冷卻技術(shù)；黃翔（1962-），男，研究生，教授。

2015-09-10

2015-10-10