译文—自然通风冷却装置的设计与应用.doc

译文——《自然通风冷却塔的设计与应用》
Nader V. Chalfun 博士
亚利桑那州大学建筑学院 副教授
新疆建筑设计研究院 刘鸣（译）
摘要：自然向下通风的蒸发冷却器是由亚利桑那州大学和环境研究实验室近来发明的，这些类似冷却塔的装置是由设在顶部的湿膜和喷淋装置组成，在自然重力作用下提供冷风。在干热地区，这一装置可用来冷却居住、商业建筑以及室外公共、私人的活动区。本文主要介绍国内、国际一些干热地区最新冷却塔的建设和运用并介绍冷却塔的技术性能。近来的实例包括：正在建设由一系列冷却塔构成的南非“Botswance技术中心总部办公楼”和沙特阿拉伯利雅得用来为室外公共活动场所提供冷气的“皇室事务和市政部所属环境塔”。
1、简介：
加湿装置浸没在水中的强制机械通风冷风机已在美国的西南沙漠地区使用多年，该冷却机组用风机驱动空气通过湿帘来冷却建筑、循环水泵则不断输送水加湿施帘。自然蒸发通风的冷却塔仅用循环水泵不需要风机；有的设计省去循环泵，利用生活给水系统的压力，通过控制给水管喷淋压力给湿帘加湿，不用任何电力。
最初，由美国得克萨斯亚利桑那州环境研究实验室和亚利桑那大学的科学家和工程师设计和发明的这一冷却塔装置，它由设在顶部的湿膜和喷淋装置或者其它一些冷却装置组成，通过重力自然作用提供冷风。这些冷却塔也被称之为倒烟囱，就像热气流在烟囱里向上一样，这里，冷气柱则向下流。冷空气的风量取决于蒸发冷却装置的效率、塔的高度、塔的断面积以及空气流经湿帘、塔和出风口的阻力（见图1）。冷却塔的热性能评估详见由Tompsonet给出的文献3，自然通风蒸发冷却塔的其它参考资料详见由Givoni
和Sodha给出的文献4、5。 图1
2、计算：
为了事先预测冷却塔的性能，本文作者与美国得克萨斯亚利桑那州环境研究实验室的科学家一道编制出相应的计算程序。冷却塔提供的冷空气流量可按照以下公式计算：
（1）
既风量的大小取决于空气的密度和室外风速；.是空气密度(lb/ft3),是塔内平均温度下空气的密度, 是室外空气密度, 是塔内外空气密度的差值， Vt 、Vw 分别代表塔内、室外风速(ft/s)，流经塔的空气总阻力系数，gc牛顿定律转换系数 (32.2 lbm-ft/lbfs2)，g是重力加速度(ft/s2)， Z代表有效塔高（湿帘底部至出风口的上部的距离（见图1）, DCwp 是室外塔的进出风口风压差值，Cwp 在迎风面是正值而在背风面是负值，受冷却作用塔内冷空气向下流动，有的时候Cwp也可能是负值，因为风使得空气流动停止或反向向上。.
如无风压，则上面公式可以简化为： （2）
塔内空气的密度很大程度是由室外决定的，如： 室外空气的温度、湿度、大气压力和塔顶蒸发冷却湿帘的性能。湿帘的效率为通过湿帘前后的空气干球温差值与空气的干球温度和湿球温度的差值的比值。湿帘的效率:
（3）
塔的设计应遵循典型气象年的气象资料，此外还应考虑：纬度、经度、海拔前提下。在室外无风状态下计算，塔的主要设计要点： 1) 湿膜的宽、高、厚以及深度位置, 2) 井道的面积、高度、出口大小, 3)出口测的形式或者底部排风口的形式 4)塔井将服务的区域（室内或室外）。
当用户选择出需要计算的特殊月份，计算机程序就可给出六组单位相关数据资料： 1)周围环境情况：干球温度, 湿球温度, 相对湿度和空气密度. 2) 塔内情况: 空气温度、相对湿度、空气密度和流速. 3) 塔外情况: 空气流速和流量. 4)湿帘的蒸发效率. 5)进入塔内的室外空气干球温度和送出空气温度之间的温差. 6) 单位小时耗水量.冷却塔月度平均用水量以及总日用水量.
3.近期工程项目：
在过去一些年，作者和亚利桑那州环境研究实验室的研究团队（ERL）已帮助完成设计了几项国内、国际工程. 都采用了先进的节能建筑构造工艺——被动式冷却装置冷却塔。下面选择介绍二个采用冷却塔来服务室内、室外环境的工程项目。
3.1. 博斯瓦纳技术中心 (BTC)
该技术研究学院位于博斯瓦纳市的伽巴柔尼（Gabarone），最终定稿的设计是为满足该中心总部的办公与实验室用房需要。新建筑设计体现了博斯瓦纳技术中心 (BTC)对特别适合当地的新技术支持，从本项目可以取得经验和技术转移，造福于当地社会。
博斯瓦纳市的气候具有半干旱气候特征，迦巴柔尼（Gabarone）则属于半沙漠气候，靠近萨哈拉大沙漠，降雨量少，雨季多在夏季或气温较热的季节，年降雨量500mm。夏季平均气温26°C (79°F)，不经常出现的高温是36°C (86°F)。冬季六月份（注：南半球），偶有雾，迦巴柔尼（Gabarone）的平均温度是12.8°C (55°F) 。
作者的作用就是与业主委员会、当地的建筑师工程师团队合作使得蒸发冷却塔在建筑内能有机结合，并使其性能最优。
这栋二层高的建筑面积2000 m² (18,000 ft²) ，分为四个区每个区有一大约 250 m² (2,300 ft²) 院子. 四个区域划分见图2所示。 A 区包括接待、图书馆、会议室、主任办公室和与院子相通的开式通道。 B 区和D 区上面有办公、实验室下面是商店，它有一封闭的庭院。 C区一层有电子、计算机实验室，而楼上是办公室。中间的院子用于交通、会议、和展示场所。 图2、建筑平面布置
由于通过计算机模拟计算，容易改进建筑的
保温设计，为事先了解该建筑物的热负荷性能特点，特意采用改进版CalPas3 程序计算，对建筑区域按照图二建立模型。采用被动式太阳能建筑技术与高性能 外保温相结合技术，此建筑模型的供热制冷年耗热量预测值分别是629.1 MBTU/Yr, or 34.9 KBTU/ft².而常规此类型同规模建筑的冷指标是70.0 KBTU/ft².Yr 项目对标准和特殊能耗和被动式太阳能改进技术进行了对比性研究。这一研究分析了双层玻璃，保温结构、保温反射屋面、遮阳、内百叶窗帘、内暴露面、夜间房间恒温器复位对该建筑产生的影响，这一系列措施预测将导致89.9%的热负荷、24%的冷负荷减少。
对比性研究是基于热泵的条件下。蒸发冷却在干热地区可削减冷负荷和降温已被证明是有效地的技术措施；模拟计算要求在每一个区域都要有相应的蒸发冷却塔并产生冷却风量降温。
起初，方案设计为四个区域推荐设计了7个冷却塔。为了能为每一区域提供足够的空气量，通过模拟设计计算需要为每一区域匹配一个或多个冷却塔。在D区域由于较大的冷量需求，需设置三个适当大小的冷却塔；由于办公室面向一庭院开放，特附设一冷却塔以改变庭院气候。基于投资费用考虑，冷却塔的最终设计结果削减至
4个、如图3，但它们的规格进行了
必要调整。 图3 拥有4个冷却塔的博斯瓦纳技术中心 (BTC)建筑
3.2. 皇室事务和市政部环境Rowdah
新楼是皇室事务和市政部所属的（MOMRA）新附属建筑，被认为是沙特阿拉伯利雅得市一座重要健康概念的建筑。该建筑在利雅得市的一个最重要大街the King Fahd的突出位置。该工程建筑形式简洁、结构干练、最成功的是它室内、室外空间的有机结合。
皇室事务和市政部所属的（MOMRA）新建筑呈一个80*80*30米大立方体形状，在其中种植有1000棵棕榈树和大量其它树木与低矮灌木，有一些石头自然地把这些树木分割成4个景观花园，在西北角的1/4花园设置有一露天休闲区，本作者经PDC设计公司引荐，作为主要建筑师负责设计这一区域的空气环境。要将这一休闲区设计成一个示范项目，展示室外空间的热舒适与周围环境控制的协调。在这里植入有：冷却塔、凉爽的露天及帐篷、花草、蔬菜、草药、养鱼的池塘、无土种植温室、喷泉（见图4）。 图4 作者手绘的花园、气候控制的环境塔效果图
这个冷却塔是新建筑的附属建筑，他聪明地将阿拉伯风塔与现 代蒸发冷却技术相结合，参观者的视线被从建筑物到塔之间的伸展的帐篷所吸引。塔由当地石灰装饰成石头颜色。
冷却塔的高度25.2mr如图5塔的四周外围锯齿状风口外部尺寸从最大8*8米到最小6*6米,蒸发冷却装置设在塔的顶部，它有一些列不断被循环水喷淋的湿帘组成。当外部干空气通过湿帘时，空气被冷却加湿，被冷却的空气比周围的热空气重，沿着塔开始下降，当这股空气下降在塔的上方就留有一个真空，使得更多的外部干空气通过湿帘进入塔内，形成不断下降的冷空气通风，在塔低部构成一个冷空气湖 。这一过程完全不需要风机作为动力。
冷却塔的设计选择是通过CoolT©The软件计算，塔的设计 图5 建成后的冷却塔
计算工况是依照典型年份最热六月下午3:00的一天，当地的室外空气温41.7°C 被冷却到18.4°C到23.3°C ，该冷空气在塔底部与周围空气相混合产生一定温升流出塔外，模型计算的温度和相对湿度结果都限在一定的范围，该系统是天气越热性能就越优越。
4.致谢：译文略.
5. 参考文献：
(1)
Thompson, T., Hydraulically controlled valve for a cool tower and the like. U.S. Pat. 5,121,770 1992.
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(3)
Thompson, T., Chalfoun, N., & Yoklic, M., Estimating the Thermal Performance of Natural Down-draft evaporative coolers, Energy Convers. Mgmt. Vol. 35, No.11, pp. 909-915, El Sevier Science Ltd, Pergamon (1994)
(4)
Givoni, B., Modeling a passive evaporative cooling tower. Proceedings of the 1991 Solar World Congress, Denver Colorado, U.S.A., pp. 3067-3071 (1991).
(5)
Sodha, M., et. Al. Thermal Performance of a room coupled to an evaporative cooling tower. Proceedings of the 1991 Solar World Congress, Denver, Colorado, U.S.A., pp. 3095-3100 (1991).
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(7)
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(9)
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(15)
Chalfoun, N., et al Planning & Architectural Criteria with Respect to Climate: Thermal Behavior of Building Envelope. Egyptian Academy of Scientific Research and Technology, Cairo, Egypt, 1990.

编者按
1、自然通风冷却塔——“倒烟囱”；2、地面辐射供冷；3、开式地下水热泵技术；这些都是当今美国最新的工程设计技术 。其中，“倒烟囱”不仅对设备专业人员对建筑师们也有很大的启发，符合新疆干热气候地区特性，是极好的地域性技术。由于不用除湿，没有潜热负荷；室内干燥，不易结露，同样，在新疆使用的地面辐射供热系统加以改进就能实现地面辐射供冷，这一技术也特别适合新疆，希望这些新技术能应引起同行们的重视。
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