杜 鴻 強(qiáng)天偉 徐宏錦

（西安工程大學(xué) 西安 710048）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能耗的占比較大，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑能耗達(dá)到了所有總能耗的30%～40%，而暖通空調(diào)占比大約占全國(guó)總能耗的22.75%左右[1]。如果能夠采取相應(yīng)的措施來(lái)減少空調(diào)能耗，將會(huì)減輕國(guó)家的能源壓力。傳統(tǒng)機(jī)械制冷空調(diào)具有初投資大、運(yùn)行費(fèi)用高等特點(diǎn)，導(dǎo)致能源消耗大，因此對(duì)蒸發(fā)冷卻空調(diào)的研究與應(yīng)用就顯得尤為重要[2,3]，而目前，蒸發(fā)冷卻設(shè)備廣泛出現(xiàn)在全球很多干燥的國(guó)家和地區(qū)，應(yīng)用于大型工廠、倉(cāng)庫(kù)、商場(chǎng)等住所[4]。

目前，高校食堂常用的通風(fēng)降溫系統(tǒng)有兩種：第一種是采用自然通風(fēng)或是與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的方式；第二種是采用機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行降溫。自然通風(fēng)加機(jī)械排風(fēng)投資低，但效果并不理想。而如果采用機(jī)械降溫，初投資和運(yùn)行費(fèi)用較高并且新風(fēng)量不足。研究表明，在炎熱的夏季，高溫會(huì)造成人體內(nèi)的消化液分泌減少，使就餐人員出現(xiàn)食欲下降，精神狀況差[5]。因此，高校食堂的通風(fēng)降溫系統(tǒng)需要保證室內(nèi)人均所需的新風(fēng)量和舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境。

本文通過(guò)對(duì)西安某高校食堂進(jìn)行蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)通風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)其降溫效果進(jìn)行實(shí)測(cè)與理論分析，指出了其中存在的問(wèn)題，為蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)在高校食堂的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)和運(yùn)行依據(jù)。

1 蒸發(fā)式冷氣機(jī)工作原理

直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用最廣泛的就是蒸發(fā)式冷氣機(jī)，其主要是由蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)冷卻填料、水泵、噴淋水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及外殼組成。其工作過(guò)程為給水泵將水輸送到噴淋系統(tǒng)中，由噴嘴將水均勻地噴灑在蒸發(fā)冷卻填料上，此時(shí)室外空氣由風(fēng)機(jī)輸送到填料處，并在填料層中與水進(jìn)行熱濕交換，最終將被冷卻的室外空氣送入室內(nèi)[6]。蒸發(fā)式冷氣機(jī)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)式冷氣機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of evaporative air conditioner

蒸發(fā)式冷氣機(jī)的空氣處理過(guò)程焓濕圖如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)式冷氣機(jī)空氣處理i-d 圖Fig.2 Evaporative air conditioner air treatment i-d diagram

由于水與空氣接觸蒸發(fā)并在該過(guò)程中進(jìn)行熱濕交換吸收空氣中的顯熱，空氣的溫度被處理到接近室外空氣的濕球溫度，然后送入室內(nèi)與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱濕交換并將室內(nèi)空氣降低至設(shè)計(jì)溫度。其中，W 點(diǎn)表示室外狀態(tài)點(diǎn)，O 點(diǎn)表示送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，ts是室外狀態(tài)點(diǎn)為W 點(diǎn)時(shí)的空氣濕球溫度。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

本項(xiàng)目位于陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)，該建筑為一層大空間房間，分為東側(cè)餐廳和西側(cè)的浴室，四周墻體主要為磚混結(jié)構(gòu)，屋頂也為磚混結(jié)構(gòu)，保溫效果較好。外窗為塑鋼單層玻璃窗，大門為普通單層玻璃門，其在用餐時(shí)間（中午11:30～13:30）常開。該餐廳長(zhǎng)42m，寬25m，高4m，主要分為就餐區(qū)域、操作區(qū)域以及洗消間與倉(cāng)儲(chǔ)衛(wèi)生區(qū)域，其中就餐區(qū)域南北長(zhǎng)度為15m，操作區(qū)域長(zhǎng)度為10m。圖3 為該食堂建筑平面圖。

圖3 食堂建筑平面圖Fig.3 Canteen building plan

2.2 方案設(shè)計(jì)

用冷負(fù)荷系數(shù)法對(duì)本項(xiàng)目夏季冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入該餐廳室內(nèi)的熱量和用餐高峰期時(shí)室內(nèi)人員的散熱量是該餐廳最主要的冷負(fù)荷[7]，本項(xiàng)目建筑負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果如表1所示，設(shè)計(jì)的方案為采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)直接噴出、氣流組織為直進(jìn)直出（北進(jìn)南出）全面通風(fēng)降溫的方案。

表1 冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果Table 1 Cooling load calculation result

由表1 的結(jié)果可以看出，該食堂一天中的最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在中午12:00，最大的冷負(fù)荷值為126.47kW。

式中，L為蒸發(fā)式冷氣機(jī)的實(shí)際送風(fēng)量，m3/h；Q為室內(nèi)的冷負(fù)荷，kW；ρ為系統(tǒng)出風(fēng)口的空氣密度；Cp為空氣比熱；tn為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。

根據(jù)公式（1）計(jì)算得出，蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)需要的總送風(fēng)量為119559.13m3/h，機(jī)械排風(fēng)量為送風(fēng)量的80%，因此機(jī)械排風(fēng)量應(yīng)不小于95647.2m3/h。因此選擇18000 風(fēng)量的蒸發(fā)式冷氣機(jī)7 臺(tái)、22000 風(fēng)量的排風(fēng)機(jī)5 臺(tái)，其設(shè)備選型參數(shù)如表2所示。

表2 蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)表Table 2 Evaporative air conditioner system equipment parameter table

3 能耗與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 能耗分析

本項(xiàng)目食堂位于陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)，根據(jù)項(xiàng)目的建筑圍護(hù)情況以及室內(nèi)熱環(huán)境特點(diǎn)，選取蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)的通風(fēng)降溫，而目前高校食堂內(nèi)大多采用柜式空調(diào)進(jìn)行降溫，因此本文選取了柜式空調(diào)進(jìn)行備選。

通風(fēng)降溫系統(tǒng)總能耗為設(shè)備功率乘以設(shè)備的全年運(yùn)行時(shí)間，蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)的耗能設(shè)備為蒸發(fā)式冷氣機(jī)以及排風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)能耗計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)Table 3 Energy consumption statistics of evaporative air conditioner system

采用傳統(tǒng)的柜式空調(diào)器系統(tǒng)，則系統(tǒng)具體能耗計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 柜式空調(diào)器系統(tǒng)能耗統(tǒng)計(jì)Table 4 Energy consumption statistics of cabinet air conditioner system

由表3、4 可知，柜式空調(diào)器系統(tǒng)的全年能耗為12349.2kWh，而蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)的全年能耗為3739.2kWh，為柜式空調(diào)器系統(tǒng)的69.7%，節(jié)能效果顯著。

3.2 經(jīng)濟(jì)計(jì)算分析

對(duì)于此項(xiàng)目，兩種通風(fēng)降溫方案都是可行的，但是在經(jīng)濟(jì)性方面存在很大的差異，而經(jīng)濟(jì)因素往往決定著此方案是否可行，因此以下主要就初投資、年運(yùn)行費(fèi)用兩方面，選擇壽命周期為10年進(jìn)行了總費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果[8]如表5所示。

表5 兩種通風(fēng)降溫系統(tǒng)總投資費(fèi)用統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of total investment cost of two ventilation cooling systems

從表5 可以看出，柜式空調(diào)器系統(tǒng)和蒸發(fā)式冷氣機(jī)分別在其10年的壽命周期內(nèi)，總投資費(fèi)用為197206 元和104334 元，相較于柜式空調(diào)器，蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)節(jié)約了92872 元，節(jié)約成本大約為柜式空調(diào)器的一半，因此，從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，蒸發(fā)式冷氣機(jī)較好。

4 數(shù)據(jù)測(cè)試及分析

4.1 測(cè)試方案

本次項(xiàng)目測(cè)試日期為2019年8月26日到8月31日，選取晴天進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器為德國(guó)testo-410 多功能風(fēng)速儀，主要測(cè)試參數(shù)為溫度、濕度和風(fēng)速，溫度精度及其測(cè)試范圍分別為±0.5℃、-10℃～+50℃，濕度精度及其范圍分別為±2.5%RH、0%～100%RH，風(fēng)速精度及其測(cè)試范圍分別為±0.2m/s、0.4～20m/s。測(cè)試時(shí)間段為11:00～13:00，此時(shí)間段就餐人數(shù)較多，室內(nèi)熱濕負(fù)荷較大。本次測(cè)點(diǎn)共設(shè)10 個(gè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1 為室外測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)2～10 為室內(nèi)測(cè)點(diǎn)。考慮到就餐人員身體主干的高度，根據(jù)GB/T5701-2008《室內(nèi)熱環(huán)境條件》對(duì)測(cè)點(diǎn)的要求[9]，室內(nèi)測(cè)點(diǎn)高度選定為坐姿時(shí)1.1m，在南北方向，第一排測(cè)點(diǎn)（2、3、4）距離北墻1 米，并且南北向三排測(cè)點(diǎn)之間兩兩相距7 米；在東西方向，第一列測(cè)點(diǎn)（2、5、8）距離東墻5米，并且東西向三列測(cè)點(diǎn)之間兩兩相距16 米。室外測(cè)點(diǎn)高度選取為站姿時(shí)1.7m，距離東墻向外2米。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間為3 分鐘，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 食堂測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Canteen measuring point layout

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

影響人體熱舒適性的因素有溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速以及熱輻射量等，本文將選用2019年8月29日時(shí)食堂的空氣溫度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析。其中，在11:00 時(shí)蒸發(fā)式冷氣機(jī)未開啟，11:30時(shí)處于剛開啟狀態(tài)。

從圖5 可以看出，在測(cè)試期間（11:30～13:00），該食堂就餐區(qū)域的溫度變化范圍為26.1 ℃～28.5℃。從東西方向來(lái)看，測(cè)點(diǎn)2 處平均溫度最高，為27.9℃，同時(shí)測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)8 處的平均溫度均高于同時(shí)處西側(cè)測(cè)點(diǎn)的溫度，主要原因是2、5、8 測(cè)點(diǎn)處于東側(cè)區(qū)域，冷負(fù)荷較大；在南北方向，第一排測(cè)點(diǎn)（2、3、4）存在著送風(fēng)盲區(qū)，因此其溫度比后兩排的溫度略高，而第三排測(cè)點(diǎn)（8、9、10）因?yàn)榭拷僮鏖g，熱負(fù)荷較大，同時(shí)冷風(fēng)隨著吹風(fēng)距離的增加，冷量存在著衰減現(xiàn)象，因此，其溫度也較第二排高。

圖5 就餐區(qū)域溫度測(cè)試結(jié)果圖Fig.5 Temperature test results of dining area

從圖6 可以看出，在測(cè)試期間，該食堂此就餐區(qū)域內(nèi)最大的相對(duì)濕度值是測(cè)點(diǎn)6 處的89.8%，最小值是測(cè)點(diǎn)2 處的67.8%。從南北方向來(lái)看，第一排測(cè)點(diǎn)（2、3、4）值較小，分析其原因?yàn)椋瑴y(cè)點(diǎn)處于送風(fēng)口的下方，冷風(fēng)不能送達(dá)，而第三排測(cè)點(diǎn)的值卻明顯高于前面兩排，其原因?yàn)?，操作間區(qū)域有一道玻璃隔板阻擋，排風(fēng)不順暢導(dǎo)致其排風(fēng)滯留而引起的；在東西方向，在東側(cè)的測(cè)點(diǎn)值較小，主要是因?yàn)闁|側(cè)靠近大門，空氣易于外界空氣交換導(dǎo)致，同時(shí)還有一部分空氣通過(guò)走廊流動(dòng)到后門并排出。

圖6 就餐區(qū)域相對(duì)濕度測(cè)試結(jié)果圖Fig.6 Relative humidity test results in the dining area

表6 體現(xiàn)了該食堂就餐區(qū)域室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度隨著測(cè)試時(shí)間的變化而產(chǎn)生的變化，其室內(nèi)平均溫度和相對(duì)濕度的值分別取同時(shí)刻測(cè)點(diǎn)2～10 溫度和相對(duì)濕度的算術(shù)平均值。

表6 就餐區(qū)域溫度和相對(duì)濕度平均值Table 6 Average value of temperature and relative humidity in dining area

由表6 可以看出，在未開啟蒸發(fā)式冷氣機(jī)之前，就餐區(qū)域的平均溫度在28.1℃，平均相對(duì)濕度為56.8%，11:30 處于剛開啟狀態(tài)，室內(nèi)平均溫度為27.3℃，未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在開啟一段時(shí)間后，溫度逐漸穩(wěn)定在26.7℃左右，表明了蒸發(fā)式冷氣機(jī)在對(duì)該食堂降溫有一定的效果；而平均相對(duì)濕度在11:30 處于剛開啟的狀態(tài)時(shí)，室內(nèi)的相對(duì)濕度值達(dá)到了77.1%，在開啟一段時(shí)間后，就餐區(qū)域的相對(duì)濕度逐漸穩(wěn)定在84%左右，此時(shí)室內(nèi)濕度較大，將會(huì)影響人體表面的汗液蒸發(fā)，進(jìn)而影響人體舒適度。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)西安高校食堂的實(shí)地調(diào)研以及通風(fēng)降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)的柜式空調(diào)進(jìn)行能耗與經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)有良好的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性；分別采集其運(yùn)行時(shí)的參數(shù)并進(jìn)行了分析，蒸發(fā)式冷氣機(jī)系統(tǒng)在高校食堂中對(duì)于降溫有一定的效果，也能較好改善空氣品質(zhì)，但采用此系統(tǒng)，空氣中相對(duì)濕度值較高，會(huì)影響人體舒適感，對(duì)于控制濕度有一定的局限性。