蒸发冷却与置换通风复合空调系统测试研究.doc

蒸发冷却与置换通风复合空调系统测试研究
西安工程大学 黄翔 向瑾 武俊梅
摘要: 本文分析了现有蒸发冷却空调系统和置换通风空调系统存在不足,对蒸发冷却与置换通风复合系统结合机理及优点进行了叙述。对新疆大学体育馆空调系统工程进行了现场测试, 实测数据表明选择二级蒸发冷却空气处理机组处理后送风空气达成了设计要求, 指出工作区水平方向上温度分布均匀, 工作区垂直温度梯度与送风速度成反百分比关系。经过实测, 提议蒸发冷却与置换通风复合空调系统应用于本类似测试建筑物时, 系统送风速度范围取0.4～0.5 m/s。
关键词: 蒸发冷却; 置换通风; 测试; 温度梯度
0 引言
国家“十一五”计划提出了节能降耗和污染减排计划目标, 蒸发冷却空调技术是适应这一时代背景技术, 现在, 此技术在中国西北地域, 尤其是新疆地域近百个工程中得到了应用[1]。然而在这些工程中, 通常都采取传统顶部混合送风系统, 此系统却存在能耗高, 风道尺寸大, 噪音较大问题。
多年来, 伴随置换通风技术在中国不停研究与发展, 此技术已应用到了很多实际工程中, 而且越来越受到设计人员和业主高度重视。然而因为受空间、 垂直温度梯度及送风速度限制, 置换通风所能提供风量和冷量较小。对于冷负荷较大场所, 通常都与辐射末端（冷却顶板或辐射地板）结合使用。
笔者经过研究[2][3], 对蒸发冷却与置换通风复合空调系统进行了理论和设计方法分析。本文对新疆大学体育馆工程进行了现场测试, 实测数据表明选择二级蒸发冷却空气处理机组处理后送风空气达成了设计要求, 并分析了工作区垂直方向温度梯度改变情况, 以及随送风速度（送风量）改变关系。
1 蒸发冷却与置换通风
1.1蒸发冷却存在不足
蒸发冷却只能实现对空气等焓降温和等湿降温两个冷却过程（图1所表示）, 被处理空气最大降温到空气露点温度, 从而决定蒸发冷却温降是有限。现在所使用多级蒸发冷却最多为三级结构, 降温靠近被处理空气露点温度。混合通风中, 当大温差送风时, 就再要增加机组处理功效段, 或继续增加间接段, 或增加除湿段, 以满足要求。这么机组成本、 运行费用也随之增加。 图1 蒸发冷却处理过程图
1.2置换通风存在不足
a. 送风温度高, 供冷能力有限
置换通风因为热力分层现象而使得室内温度场存在一显著垂直温度分布, 从舒适性考虑, 这一垂直温差不应太大, 以免人体产生脚凉头暖不适感。根据ISO7730标准, 对于静坐着活动量水平, 地板上方0.1m和1.1m间垂直温差不应大于3℃。出于此种考虑, 送风温差通常为4～6℃, 送风温度通常为19～21℃。又因为受空间和送风速度限制, 所以置换通风所能提供风量和冷量也就较小。对于冷负荷较大场所, 通常都与辐射末端（冷却顶板或辐射地板）结合使用, 由冷却顶板负责大部分室内负荷, 而置换通风负责少部分负荷。
b. 与机械制冷结合, 能耗过大
常规机械制冷供水温度为5～9℃, 通常为7℃, 处理后送风空气温度通常为16℃左右, 而置换通风送风温度为, 这就使得机械制冷空调机组处理后送风空气还需加热升温处理, 从而增加能耗。另外, 机械制冷因为使用制冷压缩机, 压缩机本身也是一个高能耗部件。
如上所述, 将蒸发冷却与置换通风相结合起来, 不仅能够发挥相互优点, 更能够相互填补各自不足。
1.3蒸发冷却与置换通风结合
蒸发冷却+置换通风空调系统不一样于蒸发冷却+混合通风空调系统, 它适适用于关键热源和污染源是观众, 另外灯光负荷也占相当百分比汇报厅、 影剧院等部分公共大厅建筑中, 另外还有部分高大工业厂房中。这一类建筑中, 热污染流形成一个自下而上流动, 靠近顶棚地方空气温度及污染源浓度均高于下部区域。应用置换通风系统将蒸发冷却机组处理全新风新鲜空气直接送向观众, 而在顶棚周围设排风口将热污染空气排走, 会产生良好通风效果和节能效益。
在西北地域置换通风系统中, 蒸发冷却比常规机械制冷有着显著节能优势。常规机械制冷冷水供水温度为5—9ºC, 通常为7 ºC, 处理空气温度通常为16 ºC左右, 而置换通风系统中送风温差不受限制[4], 所以送风温度可靠近室温, 这就使得机械制冷空调机组处理空气还需加热处理, 增加了能耗。而蒸发冷却系统能够克服这点, 当系统冷水供水温度为18ºC左右时, 不管经一级或两级蒸发冷却机组处理空气, 则能够满足置换通风送风温度要求。而在一些干燥地域, 尤其在新疆地域, 可直接利用天然冷源或冷却塔来提供18ºC左右冷水。由此可见, 置换通风系统在中国西北地域与蒸发冷却空调系统结合起来, 不仅有着独特天然条件, 而且无需再热系统, 能够达成节能效果。
2 工程测试结果分析
2.1工程概况
实测对象为新疆大学体育馆, 该馆是一座多功效体育建筑, 呈方形平面（93.5m×65.3m）, 中间方形比赛大厅面积910m2, 能容纳4200个观众席。大厅最高点标高29.2m, 大厅周围1~2层部署有训练馆, 乒乓球馆, 器械健美馆, 跆拳道馆等。观众席采取蒸发冷却与置换通风复合空调系统, 阶梯形观众席下为送风静压箱, 送风口为方形风口, 设置在观众席阶梯踢面上。观众席设计温度23℃~27℃, 相对湿度≤80%。新风机组选择二级蒸发冷却空气处理机组, 全负荷运行时, 新风依次经过间接蒸发冷却段、 直接蒸发冷却段后进入室内。
2.2实测手段与方法
空气处理机组测试, 关键测试了不一样室外温度条件下, 空气经蒸发冷却机组处理后送风温度值。
观众席温度场测试是在基础没有些人员负荷情况下进行。考虑到体育馆对称性, 所以只在包含南墙半个馆内部署了测线。每条测线上沿竖直方向部署测点以测出温度沿高度改变, 测线上各测点相对高度位置见图2, 其它测线上测点部署与测线1相同。送风、 排风温度测点分别在对应位置处部署, 并经过在截面上测多点取平均方法取得平均温度。各测试对象及测量仪表见表1。 图2 测线1各点位置部署图
表1 测试对象及其仪表
对象
仪器、 仪表
厂家
室外干、 湿球温度
通风干湿球温度计
上海科荣仪表有限企业
工作区空气温度
0.1℃刻度水银温度计
河北省红星仪表厂
工作区风速
温湿度/风速仪
清华同方
2.3测试结果与分析
测试时间为7月12日和7月13日。
a. 机组处理后空气温度随室外空气温度改变关系
对所测数据进行整理, 选择了7组数据进行分析。

图3 机组处理后空气温度随室外空气温度改变关系
图3为测出室外空气干球温度、 室外空气湿球温度、 空气处理后在风机前温度及观众席中间看台送风口处送风温度。从图中能够看出, 室外空气干球温度越高, 湿球温度越小, 即空气越干燥, 则二级蒸发冷却机组处理空气温降越大。经二级蒸发冷却处理后空气干球温度比处理前空气湿球温度低, 按效率公式计算, 效率超出100%, 符合二级蒸发冷却机组特征。
观众席送风口处送风温度在19℃~22℃之间。依据置换通风设计计算[3], 通常置换通风送风温差为4~6℃。本空调系统设计中, 观众席人员停留区设计温度为23℃~28℃, 送风口处送风温度基础满足要求, 空调系统选择二级蒸发冷却机组达成了蒸发冷却与置换通风相结合空调系统设计要求。
送风机前到送风口之间处理空气温升为4.5℃左右, 就通常设计而言, 此值偏大, 说明保温方法做还不够好。假如将保温设施做到位, 控制温升在2℃左右, 则机组处理后空气温度就会高部分, 所需处理空气冷量就少部分, 投资就会降低。
另外, 送风温度升高, 不仅降低了空气处理设备能耗, 而且还延长了室外冷空气无偿供冷时间。
b. 垂直和水平温度分布及其随送风速度（送风量）改变关系
（1）测试位置为主席台对面中间区域看台, 红色座椅区。3组测线分别部署在此区域第一排（测线2）、 第三排（测线3）、 第六排（测线4）, 测线距离送风口0.4m, 中间区域看台总落差3m。测试时间为7月12日下午15:40, 晴天, 室外干球温度t=32.8℃, 室外湿球温度ts=16.5℃。现场实测图见图4。

图4 新疆大学体育馆现场测试图
（1）工作区空气温度随高度和测线改变
如图5所表示, 三条测线上温度都随高度增加而升高。第六排测线上各高度温度都比下两层测线上各高度温度高。

图5各测线上断面温度随高度改变 图6 各测线上断面风速随高度改变 （2）工作区风速随高度和测线改变
如图6所表示, 三条测线上风速都随高度增加而降低, 在某一高度风速会降低到可忽略不计。
（3）送风速度对垂直温度分布影响
结合图5、 图6能够看出, 送风风速对垂直温度梯度有较大影响。风速越大, 垂直温度梯度越大。
因为置换通风送风方法属于非等温自由射流。对于非等温自由射流, 因为射流与周围介质密度不一样, 在浮力和重力不平衡条件下, 射流将发生变形, 即水平射出（或与水平面成一定角度射出）射流轴将发生弯曲, 其判据为阿基米德数Ar[5]。
阿基米德数是一个简单比率, 其能够表示为浮力和惯性力比值, 定义式为[6]:
（1）
式中: 为冷热空气密度差（kg/m3）; g为重力加速度（取9.81m/s2）; L为特征长度（m）; 为空气密度（kg/m3）; 为空气流速特征（m/s）。
实际上阿基米德数有多个表示形式, 也可表示成温度差和浓度差等, 但基础原因表示是一样。阿基米德数Ar可简单地了解为, Ar值越大, 浮力作用越起主导作用; Ar值越小, 惯性力（或速度）将越起主导作用。
考虑射流轴弯曲轴心轨迹计算式可用下式[5]:
（2）
式中各符号意义见图7。Ar值大小决定射流弯曲大小。当yi, d0, xi和α为定值时, Ar值与角度β成反比。
从式（1）可知, 当g, L和ρ为定值, Δρ改变很小时, 出风口风速越大, 则阿基米德数Ar值越小, 那么射流弯曲角度β变大, 竖直y方向速度分量也变大, 则垂直向上风量变大。假如工作区计算冷负荷不变, 依据送风风量与温差成反百分比关系, 则工作区温度梯度变小。
从第一排测线测试结果可得出, 送风风速在0.25 m/s左右, 坐姿时人体头脚温差靠近3℃, 符合ISO7330标准要求人体舒适范围。图7 非等温射流轨迹计算
第三、 第六排送风风速在0.45 m/s左右, 坐姿时人体头脚温差介于2~3℃之间。相同送风速度下, 高位置测线上垂直温度梯度越小。以上数据实在室内工作区基础没人情况下, 测试得出, 假如考虑到有实际人员负荷, 则工作区温度梯度又有变大趋势。
（2）测试位置为主席台东南角中间区域看台, 绿色座椅区。3组测线分别部署在此区域第一排（测线5）、 第三排（测线6）、 第六排（测线7）, 测线距离送风口0.4m, 第五排到第九排总落差1.6m。测试时间为7月12日下午15:40, 晴天, 室外干球温度t=32.8℃, 室外湿球温度ts=16.5℃。现场实测图见图8。

图8 新疆大学体育馆绿座椅看台现场测试图 图9 垂直方向上温度分布
1）工作区人体热源以上水平温度分布
如图9所表示, 三条测线上温度都随高度增加而升高。在人体坐姿时头部以上绝对高度处, 即测线52.5m相对高度、 测线61.8m相对高度及测线71.1m相对高度, 空气温度大致相等, 说明人体热源以外, 水平方向上空气温度分布均匀。
2）结果分析
置换通风是以浮力作用为动力源而形成空气自然对流射流为关键特征通风空调方法, 不开照明系统, 体育馆内关键热源是人体, 室内空气将沿着人体周围进行自然对流换热, 吸热后空气自然上升。因为人员头部以上没有发烧源, 所以空气温度相对稳定, 在同一高度温度改变几乎很小。所以, 在热源以上, 水平方向上空气温度分布均匀。
3 结论
依据实测得出, 空调系统方法为蒸发冷却与置换通风复合系统体育馆, 空气处理机组选择二级蒸发冷却, 经处理后送风温度达成了室内设计要求。
馆内夏季温度分布含有以下特征:
（1）厅内温度场在人体上部水平方向分布比较均匀, 竖直方向含有下低上高特征, 2m以下温度梯度愈加显著。
（2）工作区垂直方向温度梯度与送风速度（送风量）成反百分比关系。测试送风速度范围为0.2～1.1m/s, 送风风速在0.25 m/s左右, 坐姿时人体头脚温差靠近3℃, 符合ISO7330标准要求人体舒适范围。送风风速在0.45 m/s左右, 坐姿时人体头脚温差介于2~3℃之间。提议蒸发冷却与置换通风复合空调系统应用于本类似测试建筑物时, 系统送风速度范围取0.4～0.5 m/s。

参考文件
[1] 黄翔．中国外蒸发冷却空调技术研究进展（1）[J]．暖通空调, , 37（2）: 24-28
[2] 向瑾, 黄翔, 武俊梅.蒸发冷却与置换通风相结合空调系统应用分析[J].建筑节能, , 35（7）: 12-14
[3] 向瑾, 黄翔, 武俊梅.蒸发冷却与置换通风复合空调系统设计探讨[C].西安:通风学组技术交流大会
[4] 公共建筑节能设计标准GB50189-[S].北京:中国建筑工业出版社,
[5] 赵荣义, 范存养等．空气调整（第三版）[M]．北京: 中国建筑工业出版社.1994
[6] 周敏．置换通风技术经济性和设计方法研究[D]．西安建筑科技大学,