徐洲，劉鳴，曾婷婷，王玉嬌

（1. 新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院；2. 新疆建筑設(shè)計研究院）

0 引言

與濕熱氣候區(qū)不同，我國西北地區(qū)夏季多屬干熱氣候，全年降雨量小，夏季室外空氣較為干燥，含濕量、濕球溫度低，夏季通風(fēng)空調(diào)經(jīng)?？梢灾苯佑檬彝庑嘛L(fēng)除去室內(nèi)的濕負(fù)荷，這一地區(qū)冷水機(jī)組的主要任務(wù)是消除室內(nèi)外顯熱負(fù)荷。由于不需要除濕或除濕量很小，冷水機(jī)組的冷凍水供回水溫度則不需要采用7 ℃～12 ℃，改用高溫的冷凍水即能滿足空調(diào)系統(tǒng)的制冷需求，這一措施可提高制冷機(jī)組的制冷量、提高能效；此外，冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度密切相關(guān)，其實(shí)際出水溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷卻塔的名義工況30 ℃～35 ℃，這對冷水機(jī)組的能效提高，尤其是降低電耗是又一有利因素；所以，干熱氣候區(qū)采用高溫冷水機(jī)組可大幅降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，在這類地區(qū)設(shè)計選擇冷水機(jī)組時，應(yīng)基于氣候特征和空調(diào)制冷的需求統(tǒng)籌考慮相關(guān)問題。

干熱氣候區(qū)的室外空氣干燥，室內(nèi)相對濕度?。ㄊ覂?nèi)濕度大于室外），即使供水溫度在10 ℃～13 ℃的情況下也不會出現(xiàn)結(jié)露，這與在潮濕氣候區(qū)的溫濕度獨(dú)立采用16 ℃～21 ℃的高溫冷水機(jī)組[3]要求不同；但與溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)一樣，空調(diào)盤管處于干工況運(yùn)行，不存在著易產(chǎn)生吊頂水患和因盤管潮濕納垢而滋生細(xì)菌的缺點(diǎn)。

1 室外空氣設(shè)計計算參數(shù)的正確選用

我國現(xiàn)行的《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50736）［1］等設(shè)計文件中，規(guī)定夏季空調(diào)室外計算干、濕球溫度（圖1中狀態(tài)點(diǎn)W）是歷年平均不保證50 h的干、濕球溫度，二者各自獨(dú)立、互不相關(guān)。但是，實(shí)際生活中的室外計算的干、濕球溫度總是同時出現(xiàn)，相互關(guān)聯(lián)的，在焓濕圖上必須同時已知二個空氣參數(shù)，才可確定空氣的全部狀態(tài)參數(shù)。由于定義方式不同，往往導(dǎo)致室外設(shè)計計算干濕球溫度值差異很大，這一問題在干熱氣候區(qū)表現(xiàn)得尤為突出，結(jié)果對空調(diào)制冷設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果影響很大。

美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）［2］的現(xiàn)行手冊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定夏季空調(diào)室外計算干球溫度和濕球溫度是同時出現(xiàn)且相互關(guān)聯(lián)，給出不同不保證率分別為0.4 %、1 %及2 %，換算為對應(yīng)年不保證小時數(shù)分別為35 h、87 h及175 h，這與我國暖通規(guī)范采用的累年不保證時間為50 h不同，為解決ASHRAE規(guī)定不保證小時數(shù)與我國暖通規(guī)范的不一致問題，筆者利用EXCEL表按照ASHRAE對不同室外計算參數(shù)的定義方法，分別找出典型城市累年不保證50小時的干球溫度與濕球溫度同時耦合的對應(yīng)值［4］。當(dāng)計算常規(guī)冷水機(jī)組和對應(yīng)的空調(diào)機(jī)組時，規(guī)定采用以干球溫度為主同時耦合對應(yīng)的濕球溫度（圖1-1中狀態(tài)點(diǎn)Wg）；當(dāng)設(shè)計計算冷卻塔、蒸發(fā)冷卻設(shè)備時，應(yīng)采用以濕球溫度為主同時耦合對應(yīng)的干球溫度（圖1-1中狀態(tài)點(diǎn)Ws）。冷卻塔、蒸發(fā)冷卻是空氣與水的熱濕交換，水吸收空氣中的熱量由液體變?yōu)樗魵猓? ℃時，水變成水蒸氣所需的汽化潛熱是2500 kJ/kg），空氣在與水的不斷接觸中，空氣溫度不斷降低，濕度同時增加，經(jīng)過充分的熱濕交換后，最終循環(huán)水的水溫、空氣的干球溫度不同程度趨近空氣的濕球溫度，因此，計算冷卻塔的出水溫度時，應(yīng)用以空氣的濕球溫度為主同時耦合對應(yīng)的干球溫度來衡量蒸發(fā)冷卻性能效果的關(guān)鍵性指標(biāo)。對由于同一濕球溫度出現(xiàn)的日期不同,選用所有相同濕球溫度日期中相對濕度最高日期對應(yīng)的干球溫度［5］。論文［6］中，作者曾用以干球溫度為主同時耦合對應(yīng)的濕球溫度方式，分析過干熱氣候區(qū)的冷水機(jī)組性能與選擇，但這與ASHRAE的標(biāo)準(zhǔn)要求不符。

圖1-1 烏魯木齊夏季空調(diào)室外計算參數(shù)

圖1-2 蘭州夏季空調(diào)室外計算參數(shù)

圖1-3 銀川夏季空調(diào)室外計算參數(shù)

從表1或圖1-1、1-2、1-3可以發(fā)現(xiàn)烏魯木齊、克拉瑪依、蘭州、酒泉、銀川、西寧、呼和浩特七個城市采用夏季室外空氣干、濕球溫度的定義不同，得出的室外空氣狀態(tài)差異很大，其中采用以干球溫度為主同時耦合對應(yīng)濕球溫度（Wg） 的室外空氣含濕量、濕球溫度最小，以此組數(shù)據(jù)計算得出同規(guī)格冷卻塔的出水溫度應(yīng)最低；以濕球溫度為主同時耦合對應(yīng)的干球溫度（Ws） 的室外空氣含濕量和濕球溫度略小于我國定義的室外空氣參數(shù)（W），以此組數(shù)據(jù)計算得出同規(guī)格冷卻塔的出水溫度略低于W狀態(tài)點(diǎn)的出水溫度。在典型干熱氣候區(qū)，烏魯木齊、克拉瑪依、蘭州、酒泉、銀川等城市三種不同定義的空氣含濕量和濕球溫度之間差異則很大。所以，采用正確的夏季室外空氣計算干、濕球溫度和含濕量，對干熱氣候區(qū)的空調(diào)制冷設(shè)計結(jié)果將產(chǎn)生不可忽略的影響。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)下，各城市夏季室外設(shè)計計算的干、濕球溫度和含濕量

2 冷卻塔出水溫度計算

室外空氣計算干球溫度與濕球溫度的不同同時影響冷卻塔的出水溫度，相比之下，濕球溫度的影響更為顯著。根據(jù)傳熱傳質(zhì)的關(guān)系及冷卻過程中熱量與濕量守恒求解冷卻方程式。常見有辛普森近似積分法、梯形近似積分法、拋物線積分法以及平均焓差法。筆者采用辛普森近似求解法，當(dāng)計算精度要求不高，△t＜15 ℃時，可用下式簡化：

上式中N為冷卻數(shù)，代表冷卻任務(wù)的大小，與周圍環(huán)境空氣參數(shù)有關(guān)；△t為冷卻塔進(jìn)出水溫差（℃）i1”-i2代表進(jìn)水溫度的飽和空氣焓與排出塔的空氣焓的差（kJ/kg）；im”-im代 表進(jìn)出水平均溫度下的飽和空氣焓與進(jìn)出塔的平均空氣焓的差（kJ/k g），i2”-i1代表出水溫度下的飽和空氣焓與進(jìn)入塔內(nèi)的空氣焓的差（kJ/kg）；利用N”=A”λm求解冷卻塔出水溫度，N”為冷卻塔特性數(shù)，取決于冷卻塔構(gòu)造；A”、m為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，取決于淋水裝置構(gòu)造、形式尺寸等；λ為氣水比。

取冷卻塔冷卻水流量為100 t/h，△t=5 ℃，采用塑料斜波50×20×60 °—1000，A”=1.59，m=0.67，軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量G為56000 m3/h，實(shí)際淋水面積為 8 m2。根據(jù)辛普森近似求解法及，N=N”得出上述八個不同城市的冷卻塔出水溫度（℃）。

由表2可知，在以干球溫度為主同時耦合對應(yīng)濕球溫度（Wg）的所有城市冷卻塔的冷卻水出水溫度最低，以此數(shù)據(jù)選擇冷卻塔的規(guī)格會與冷水機(jī)組匹配偏小，造成機(jī)組的實(shí)際制冷量下降；若采用暖通規(guī)范的室外計算參數(shù)（W），冷卻塔的冷卻水出水溫度最高（高海拔西寧市除外），勢必會使得冷卻塔與冷水機(jī)組匹配偏大，造成浪費(fèi)；只有在以濕球溫度為主同時耦合對應(yīng)干球溫度（Ws） 冷卻塔的冷卻水出水溫度與制冷機(jī)組最匹配，可以保證制冷系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。在以前已發(fā)的論文中，盡管采用了干、濕球溫度相互關(guān)聯(lián)，都是以干球溫度為主同時耦合對應(yīng)濕球溫度進(jìn)行分析計算的，這一結(jié)論會誤導(dǎo)工程技術(shù)人員和工程實(shí)際使用的結(jié)果。

表2 各市夏季室外設(shè)計參數(shù)對應(yīng)的冷卻塔出水溫度（℃）

3 高溫螺桿冷機(jī)出水溫度分析

干熱氣候區(qū)冷卻塔的冷卻水出水溫度隨濕球溫度相應(yīng)降低，冷凍水溫度也同時提高，在冷水機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器配置不變的情形下，如冷水機(jī)組冷凍水溫度一味提高，勢必會減小壓縮機(jī)的壓差，對于螺桿式冷水機(jī)組，機(jī)組的潤滑油回油問題至關(guān)重要。須考慮維持一定的壓縮比，才能保證機(jī)組安全正常運(yùn)行。國家冷水機(jī)組的名義工況是冷凍水進(jìn)出水溫度為7/ 12 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫度30/35 ℃，如圖2；對應(yīng)的蒸發(fā)溫度為5 ℃，蒸發(fā)壓力為0.35 MPa，冷溫度為37 ℃，對應(yīng)的冷凝壓力為0.9375 MPa；常規(guī)螺桿冷水機(jī)組的高低壓差近似為0.59 MPa，如圖3。若以R134a制冷劑為例，設(shè)定冷凍水、冷卻水的平均溫度與制冷劑的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度換熱的溫差同為4.5 ℃［7］。如圖3壓焓圖所示。對于螺桿冷水機(jī)組壓縮機(jī)潤滑油泵的正常運(yùn)行與否取決于壓縮機(jī)排氣壓力與吸氣壓力的壓差。壓差達(dá)到0.43 MPa, 油泵停止運(yùn)行［8］， 這是供油靠排氣壓力與吸氣壓力的壓差保證，取能夠使機(jī)組潤滑油正常供回油的最小壓差不小于0.4 MPa，確定的機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凍水溫度。在確定了冷卻水出水溫度的條件下，通過對比計算也就確定了可以使螺桿機(jī)組回油正常情況下的最高蒸發(fā)溫度。不同地區(qū)、城市的濕球溫度不同，計算得出的冷卻塔出水溫度不同，螺桿冷水機(jī)組相應(yīng)的冷凝溫度也不同，按照最小壓差原則即可確定該螺桿冷水機(jī)組在城市的冷凍水最高出水溫度。

圖2 某干熱氣候區(qū)冷水機(jī)組與名義工況出水溫度

圖3 某干熱氣候區(qū)冷水機(jī)組與名義工況壓焓圖

比較表3中的七個城市，冷卻塔的冷卻水平均溫度越低，冷凍水的允許出水溫度就越低；這對烏魯木齊、蘭州、酒泉、西寧四城市的冷水機(jī)組冷凍水的最高出水溫度有較嚴(yán)格限制，工程師設(shè)計高溫冷水機(jī)組時，不應(yīng)高于此規(guī)定值；對于克拉瑪依、銀川、呼和浩特三城市由于濕球溫度相對較大，冷凍水的允許最高出水溫度已很高（大于16 ℃），空調(diào)工程上一般不會設(shè)置如此高的冷凍水供水溫度，這一限制溫度的參考意義不大。

表3 不同城市冷凍水出水溫度

表3中給出的最小壓差是一安全數(shù)值，受制冷劑、壓縮機(jī)等因素影響，各企業(yè)冷水機(jī)組產(chǎn)品的最小壓差未必一樣，所以，工程上，干熱氣候區(qū)機(jī)械制冷的空調(diào)冷凍水設(shè)計溫度和設(shè)備規(guī)格選用，不僅要滿足空調(diào)系統(tǒng)的顯熱、潛熱負(fù)荷的要求，還要結(jié)合各地室外濕球溫度與選用產(chǎn)品的提出控制下的最小壓差，求出實(shí)際的最高冷凍水供水溫度，才能保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

當(dāng)然，系統(tǒng)冷凍水的水溫并非越高越好（銀川、呼和浩特、克拉瑪依），過高的冷水進(jìn)水溫度會降低機(jī)組盤管的冷卻能力，造成末端盤管規(guī)格偏大；使得單位風(fēng)量所能提供給室內(nèi)的制冷量降低，這會增加風(fēng)機(jī)的能耗和噪聲，降低系統(tǒng)整體能效；當(dāng)盤管冷水溫度低于工作環(huán)境空氣露點(diǎn)3.0～6.0 ℃時，盤管表面處于干工況, 又能充分利用盤管的冷卻能力［9］。故確定合適的冷凍水進(jìn)水溫度對于冷水機(jī)組選擇和空調(diào)系統(tǒng)有著重要的意義。

4 結(jié)語

在干熱氣候區(qū)，工程技術(shù)人員設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)氖彝鈿庀髤?shù)，冷卻塔出水溫度應(yīng)以室外空氣濕球溫度為主同時耦合對應(yīng)干球溫度為依據(jù)進(jìn)行計算。冷水機(jī)組的設(shè)計工況與國家現(xiàn)行冷水機(jī)組的名義工況差別巨大，采用高溫冷水時機(jī)組的實(shí)際性能COPn、NPLV有很大提高，并涉及到安全運(yùn)行問題，另外，工程師無法直接采用國家現(xiàn)行冷水機(jī)組的名義工況數(shù)據(jù)，能效考核依據(jù)也不一樣?；谶@些特殊性，建議制定出國家干熱氣候區(qū)的冷水機(jī)組名義工況及能效考核標(biāo)準(zhǔn)。