翔，焦 煜，常健佩，褚俊杰

（1.西安工程大學(xué)，西安 710048；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是一種節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的空調(diào)技術(shù)［1-2］。在我國西北干燥地區(qū)（夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度低于23 ℃的地區(qū)），如新疆、甘肅、青海等干熱氣候區(qū)，在居住建筑中應(yīng)用直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的案例很多，但是直接蒸發(fā)冷卻降溫有限、加濕量大限制應(yīng)用場所的范圍、設(shè)備體積較大等問題［3］，如何解決這些問題，是當(dāng)前行業(yè)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)?；赩aleriyMaisotsenko提出的新型熱力循環(huán)（即M-cycle理論）［4］，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用，使“干空氣能”得到最大限度的利用，采用此技術(shù)的空調(diào)設(shè)備出風(fēng)可以逼近空氣的露點(diǎn)溫度，解決直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備降溫幅度小、體積大的問題［5-6］。為了探究露點(diǎn)式蒸發(fā)冷卻設(shè)備應(yīng)用到干燥地區(qū)居住建筑的使用效果，在新疆喀什地區(qū)建立了示范項(xiàng)目，并根據(jù)現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)對露點(diǎn)式蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備的能效比、制冷量和出風(fēng)空氣的溫濕度等參數(shù)進(jìn)行了評測，為該設(shè)備應(yīng)用于干燥地區(qū)居住建筑提供參考依據(jù)。

1 工程概況

示范項(xiàng)目位于新疆喀什市，屬于居住建筑。建筑高度6.9 m，總建筑面積356 m2，空調(diào)面積188.8 m2，供冷期為6月1日-8月31日，單層住宅高度3.0 m。項(xiàng)目建成于2019年，空調(diào)系統(tǒng)于同年7月份開始投入運(yùn)行?？κ彩袑儆诤洌ˋ）區(qū)，海拔1 288.7 m，大氣壓約876.9 hPa，極端最高溫度為40.1 ℃，晝夜溫差較大（＞10 ℃）?？κ驳貐^(qū)供冷期日室外最高干球溫度和含濕量［7］如圖1所示。

圖1 供冷期日室外最高干球溫度和含濕量

采用Dest建筑能耗模擬軟件模擬供冷期空調(diào)負(fù)荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱、照明、設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷以及人體散熱、散濕冷負(fù)荷。夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為26 ℃，相對濕度50%；夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度 33.8 ℃，濕球溫度 21.2 ℃［8］。

供冷期該建筑冷負(fù)荷的模擬結(jié)果顯示，最大負(fù)荷大多出現(xiàn)在每天的15：00～16：00之間，約為6.8～10.8 kW；最小負(fù)荷多出現(xiàn)在22：00～23：00，最小負(fù)荷在2.2～5.0 kW之間。經(jīng)對供冷期各天空調(diào)供冷能耗需求計(jì)算可知，該建筑夏季供冷總能耗需求為5 144.77 kW·h，即單位面積空調(diào)能耗需求為 27.2 kW·h/（m2·a）。

2 降溫方案

2.1 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)采用露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，如圖2所示。經(jīng)過機(jī)組的室外新風(fēng)被冷卻至18 ℃，考慮管路溫升，設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為19 ℃，機(jī)組機(jī)器露點(diǎn)90%。根據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷和設(shè)計(jì)工況進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算，得到所需總風(fēng)量為2 800 m3/h?？照{(diào)區(qū)域共設(shè)置2套空氣處理及送風(fēng)系統(tǒng)，考慮風(fēng)量富裕系數(shù)1.07，每臺露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)風(fēng)量為1 500 m3/h。

圖2 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

2.2 空調(diào)機(jī)組原理及參數(shù)

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)組主要由露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器、風(fēng)機(jī)與水泵等動力系統(tǒng)以及電氣自控系統(tǒng)所組成。

圖3 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的工作原理如下：空氣被機(jī)組內(nèi)的蝸殼風(fēng)機(jī)吸入后，進(jìn)入露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器被分為兩部分，一部分的空氣全部被帶到下半部分的干通道，穿過節(jié)流孔，作為二次空氣被逐漸轉(zhuǎn)移到濕通道內(nèi)，不斷與噴淋水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻的作用，同時通過換熱板與干通道內(nèi)的一次空氣進(jìn)行顯熱換熱，最后沿濕通道從排風(fēng)口排出［9-11］。另一部分的空氣從露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器上半部分的干通道進(jìn)入，被前一級濕通道內(nèi)的二次空氣（工作空氣）帶走顯熱，焓值降低，實(shí)現(xiàn)預(yù)冷之后，再次經(jīng)過濕簾進(jìn)行等焓冷卻，通過送風(fēng)管道連接送入室內(nèi)用于冷卻降溫；機(jī)組在冷卻器后加裝了直接蒸發(fā)冷卻裝置（濕簾），使產(chǎn)出空氣再次被降溫，這是與以往叉流、逆流、復(fù)合露點(diǎn)式空調(diào)機(jī)組不同的特點(diǎn)。露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器空氣流動路徑如圖4所示、露點(diǎn)式空調(diào)機(jī)組空氣處理過程如圖5所示。

圖4 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器空氣流動路徑

圖5 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組空氣處理過程

該居住建筑所用的空調(diào)機(jī)組的參數(shù)配置如表1所示，設(shè)計(jì)風(fēng)量為1 500 m3/h。露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組總體尺寸為1.460 m×0.665 m×1.760 m，總重量為450 kg。

表1 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的參數(shù)配置

3 測試分析

在本項(xiàng)目中測試的內(nèi)容包括：進(jìn)風(fēng)口溫濕度、排風(fēng)口溫濕度、送風(fēng)口溫濕度，送風(fēng)口風(fēng)速以及機(jī)組逐時耗電量。

溫濕度自計(jì)儀（型號：desto 174H）測量范圍為-20～70 ℃，相對濕度為0%～100%，精度分別為±0.1 ℃和±0.1% RH。采樣時間間隔為1 min。送風(fēng)口的空氣流量由空氣流速和橫截面積間接測量。風(fēng)速儀（型號：desto 410）測量范圍為0.4～20 m/s，精度為0.2 m/s。多功能電表（型號：Acrel），功率、有功電能精度等級為0.5級。

3.1 性能評價指標(biāo)

冷卻效率是蒸發(fā)冷卻器性能評價的重要標(biāo)準(zhǔn)，其中冷卻效率包括濕球效率ηwb：

式中 tdb1——一次空氣入口干球溫度，℃；

tdb2——一次空氣出口干球溫度，℃；

twb1——一次空氣入口濕球溫度，℃；

tdp1——一次空氣入口露點(diǎn)溫度，℃。

濕球效率用來描述一次空氣出口干球溫度接近一次空氣入口濕球溫度的程度，而露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器往往能將空氣冷卻到入口空氣濕球溫度以下，因此又引入露點(diǎn)效率ηdb：

露點(diǎn)效率用來描述一次空氣出口干球溫度接近一次空氣入口露點(diǎn)溫度的程度［8］。

除了冷卻效率以外，制冷量Q也是評價蒸發(fā)冷卻器性能的重要指標(biāo)參數(shù)。

式中 cp，a——空氣的比定壓熱容，kJ/（kg·℃）；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

LC——產(chǎn)出空氣風(fēng)量，m3/h。

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組的COP指的是其制冷量與輸入功率的比值，COP值越大，說明冷卻器效率越高，越節(jié)能。COP的計(jì)算式如下。

式中 P ——空調(diào)機(jī)組的電功率，kW；

V ——空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量，m3/h。

3.2 數(shù)據(jù)測試結(jié)果與分析

3.2.1 露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組測試分析

圖6示出夏季典型日環(huán)境溫度、露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)出口溫度與室內(nèi)相對濕度變化情況，圖7示出機(jī)組進(jìn)出風(fēng)溫度與濕球效率、露點(diǎn)效率的變化情況。從圖中可以看出，室外干球溫度在32.4～36.9 ℃之間變化，進(jìn)風(fēng)口干球溫度在27.0～29.9 ℃之間變化，進(jìn)風(fēng)口濕球溫度在19.4～19.8 ℃之間變化，出風(fēng)口平均溫度19.9 ℃，機(jī)組濕球平均效率101.9%，露點(diǎn)平均效率65%。

環(huán)境溫度與進(jìn)風(fēng)口溫度相差4～5 ℃，是由于機(jī)組放置在建筑的陰面，一天之中不受太陽直射。室內(nèi)溫度平均在25.9 ℃，相對濕度55.1%，滿足人員的熱舒適要求。實(shí)測室外干球溫度相比喀什地區(qū)室外設(shè)計(jì)干球溫度高0.75 ℃，濕球溫度低1.58 ℃，屬于典型的干燥工況。進(jìn)風(fēng)口干球溫度、濕球溫度、出風(fēng)口干球溫度與濕球效率、露點(diǎn)效率規(guī)律不明顯，相關(guān)性不是很大。

圖6 室外環(huán)境、進(jìn)出口溫度與室內(nèi)濕度的變化

圖7 進(jìn)出口溫度、露點(diǎn)效率與濕球效率的變化

通過式（3）計(jì)算機(jī)組制冷量3.8 kW，實(shí)測實(shí)時耗電量0.753 kW，機(jī)組能效比5.0，這也是整個空調(diào)系統(tǒng)的能效比，在測試期間，送風(fēng)口的布點(diǎn)位置在室內(nèi)側(cè)，制冷量的計(jì)算也是通過室內(nèi)送風(fēng)口參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的。能效比過小的主要原因是進(jìn)風(fēng)口的干球溫度過低、與送風(fēng)口的溫差較小，在風(fēng)量一定的情況下，制冷量減少，能效比也隨之變小。

圖8，9分別示出進(jìn)出口溫差與濕球效率、露點(diǎn)效率的變化情況，可以看出，進(jìn)風(fēng)口平均干濕球溫差8.58 ℃，進(jìn)風(fēng)口平均干球、露點(diǎn)溫度溫差13.51 ℃，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的平均干球溫差為8.72 ℃。濕球效率、露點(diǎn)效率變化曲線與進(jìn)出風(fēng)口的溫差變化曲線走勢相同，進(jìn)出風(fēng)口溫差越大，濕球效率與露點(diǎn)效率越大，反之越小。

進(jìn)風(fēng)口平均干濕球溫差與進(jìn)風(fēng)口干球、露點(diǎn)溫度的溫差變化曲線走勢相同，進(jìn)風(fēng)口干濕球溫差越大，則進(jìn)風(fēng)口干球、露點(diǎn)溫度的溫差越大，反之越小。

圖8 進(jìn)出口溫差與濕球效率的變化

圖9 進(jìn)出口溫差與露點(diǎn)效率的變化

圖10示出進(jìn)風(fēng)、送風(fēng)、排風(fēng)含濕量與室內(nèi)含濕量變化情況。露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器和直接蒸發(fā)冷卻器噴水時間為15 s，停止噴淋1 min。根據(jù)典型日進(jìn)風(fēng)、送風(fēng)與排風(fēng)口的參數(shù)，可計(jì)算得出進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)、排風(fēng)的含濕量。其中進(jìn)風(fēng)口平均含濕量10.79 g/kg，送風(fēng)口平均含濕量11.89 g/kg，排風(fēng)口平均含濕量17.15 g/kg，機(jī)組開啟穩(wěn)定后，室內(nèi)平均含濕量11.58 g/kg。

圖10 進(jìn)風(fēng)、送風(fēng)、排風(fēng)含濕量與室內(nèi)含濕量的變化

在運(yùn)行期間，排風(fēng)平均加濕量為6.36 g/kg，新風(fēng)平均加濕量為1.2 g/kg，由于室外含濕量低，室內(nèi)的水蒸氣會從窗戶滲入到室外環(huán)境中，這樣就保證了室內(nèi)相對濕度40%～60%的要求。并由此也計(jì)算出露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的蒸發(fā)損失是直接蒸發(fā)冷卻器蒸發(fā)損失的5.3倍。露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量1 210 m3/h，排風(fēng)量610 m3/h，工作空氣與產(chǎn)出空氣的比值為0.5。經(jīng)過計(jì)算，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的蒸發(fā)損失為4.66 kg/h，直接蒸發(fā)冷卻器的蒸發(fā)損失1.74 kg/h，所以機(jī)組的蒸發(fā)損失為6.4 kg/h。

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)26 ℃，相對濕度50%，焓值52.94 kJ/kg。進(jìn)風(fēng)口平均焓值56.3 kJ/kg，送風(fēng)口平均焓值50.2 kJ/kg，排風(fēng)口平均焓值68.95 kJ/kg，機(jī)組開啟穩(wěn)定后，室內(nèi)平均焓值55.6 kJ/kg。室內(nèi)空氣的焓值比進(jìn)風(fēng)口的焓值低，因?yàn)槭覂?nèi)的溫度低于進(jìn)風(fēng)口的溫度，雖然室內(nèi)含濕量大于進(jìn)風(fēng)口的含濕量，但是干空氣所攜帶的冷量有更明顯的作用。圖11示出進(jìn)風(fēng)、送風(fēng)、排風(fēng)口焓值變化。

圖11 進(jìn)風(fēng)口、送風(fēng)口、排風(fēng)口焓值的變化

圖12示出進(jìn)風(fēng)、送風(fēng)、排風(fēng)口干空氣與水蒸氣焓值變化情況。

圖12 進(jìn)風(fēng)、送風(fēng)、排風(fēng)口干空氣與水蒸氣焓值的變化

從圖中可以看出，排風(fēng)口水蒸氣的焓值＞送風(fēng)口水蒸氣的焓值＞進(jìn)風(fēng)口干空氣的焓值＞進(jìn)風(fēng)口水蒸氣的焓值＞排風(fēng)口干空氣的焓值＞送風(fēng)口干空氣的焓值。送風(fēng)空氣焓值與排風(fēng)空氣焓值之和不等于進(jìn)風(fēng)空氣焓值，是由于循環(huán)水的加入，排風(fēng)（工作空氣）與水在露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器濕通道內(nèi)發(fā)生熱質(zhì)交換，增加了汽化潛熱。經(jīng)過計(jì)算，進(jìn)風(fēng)口、送風(fēng)口、排風(fēng)口以及室內(nèi)干空氣與水蒸氣的焓值占比分別為：51%，40%，37%，47%。送風(fēng)口空氣中水蒸氣的焓值占較大的比例，干空氣的焓值占較小的比例，所以空氣的焓值低，可以吸收室內(nèi)的熱量。排風(fēng)口空氣中水蒸氣的焓值比例為60%，吸收了干通道內(nèi)產(chǎn)出空氣的熱量，在露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中，排風(fēng)口相比進(jìn)風(fēng)口的干空氣焓值降低3.5 kJ/kg，水蒸氣的焓值卻增加了16.1 kJ/kg，水蒸氣焓值增加量是干空氣焓值降低量的4.6倍，說明露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器中空氣的潛熱換熱要大于顯熱換熱。

3.2.2 室內(nèi)環(huán)境測試分析

每臺空調(diào)機(jī)組供4個用戶使用，每個室內(nèi)設(shè)置1個送風(fēng)口，送風(fēng)口類型為雙層百葉柵型送風(fēng)口，本次測試了一層的2個送風(fēng)口的溫濕度參數(shù)以及風(fēng)速。測試結(jié)果顯示：送風(fēng)口1平均溫度在19.9 ℃，相對濕度81.6%。送風(fēng)口2平均溫度在20.9 ℃，相對濕度76.3%。送風(fēng)口溫度與進(jìn)風(fēng)口的平均濕球溫度20.05℃很接近，送風(fēng)口1距離機(jī)組最近，送風(fēng)口4距離風(fēng)口較遠(yuǎn)，為末端風(fēng)口。從送風(fēng)口1至送風(fēng)口2，風(fēng)管溫升為0.15 ℃，溫升范圍很小，符合要求。

機(jī)組實(shí)測送風(fēng)量與額定風(fēng)量相差300 m3/h，每個送風(fēng)口的風(fēng)量根據(jù)用戶者的需求進(jìn)行了調(diào)整。表2為一層送風(fēng)口1與送風(fēng)口2的狀態(tài)參數(shù)。

表2 一層送風(fēng)口1與送風(fēng)口2狀態(tài)參數(shù)

對一層室內(nèi)布置的4個溫濕度測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，結(jié)果如表3所示。通過表中數(shù)據(jù)可以看到，一層房間室內(nèi)參數(shù)均滿足供冷工況熱舒適度Ⅰ級要求［8］。

表3 一層房間室內(nèi)溫濕度參數(shù)

4 結(jié)論

（1）對應(yīng)用于新疆喀什地區(qū)居住建筑的露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行測試并進(jìn)行分析。得出機(jī)組在進(jìn)風(fēng)口干球溫度27.0～29.9 ℃之間時，出風(fēng)口平均溫度為19.9 ℃，機(jī)組平均濕球效率101.9%、露點(diǎn)效率65%、能效比5.0，室內(nèi)可以保證供冷工況熱舒適度Ⅰ級要求。

（2）在運(yùn)行期間，進(jìn)風(fēng)口平均干濕球溫差8.58 ℃，進(jìn)風(fēng)口平均干球、露點(diǎn)溫度溫差13.51 ℃，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的平均干球溫差為8.72 ℃。進(jìn)出風(fēng)口溫差越大，濕球效率與露點(diǎn)效率越大，反之越小。

（3）在運(yùn)行期間，排風(fēng)平均加濕量6.36 g/kg，新風(fēng)平均加濕量為1.2 g/kg，露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器的蒸發(fā)損失為4.66 kg/h，直接蒸發(fā)冷卻器的蒸發(fā)損失1.74 kg/h，機(jī)組的蒸發(fā)損失為6.4 kg/h。

（4）露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量1 210 m3/h，排風(fēng)量610 m3/h，工作空氣與產(chǎn)出空氣的比值為0.5。

（5）排風(fēng)口水蒸氣的焓值＞送風(fēng)口水蒸氣的焓值＞進(jìn)風(fēng)口干空氣的焓值＞進(jìn)風(fēng)口水蒸氣的焓值＞排風(fēng)口干空氣的焓值＞送風(fēng)口干空氣的焓值。進(jìn)風(fēng)口、送風(fēng)口、排風(fēng)口以及室內(nèi)干空氣與水蒸氣的焓值占比分別為：51%，40%，37%，47%。