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空调·论文

“一带一路”干燥地区蒸发冷却通风空调系统设计参数及其对设计方法的影响研究
2017-04-24 | 中国暖通空调网 |【
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李依轩,黄 翔,陈丽媛,雷梦娜,康雅雄
西安工程大学

[摘 要]通过对2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals 中关于“一带一路 ”沿线国家的干湿球温度进行分析发现,“一带一路 ”沿线国家有很大一部分地区属于干燥地区。并且以乌鲁木齐、银川、西宁、兰州为例,分析了中美两国标准中给出的夏季空调室外设计计算参数的差异,并提出了适应于干燥地区的室外空气设计计算参数。且采用中美两国标准中给出的夏季室外设计计算参数和提出的适应于干燥地区的室外空气计算参数分别计算了新风冷负荷、室内湿负荷、新风机组承担负荷比例及其特点,以及空气—水空调系统采用不同的室外计算工况而采取完全不同的空气处理方案,不适应当地气候特点的设计工况将导致不合适的技术方案。计算分析了蒸发冷却冷水机组的出水温度,提出了适应于“一带一路”干燥地区的设计方法。

[关键词]一带一路;干燥地区;蒸发冷却;设计参数;出水温度

2013 年,习近平总书记提出了“一带一路”战略构想,它将是未来几年我国发展的重点[22]。而目前关于“一带一路”的研究大多集中在其提出的依据、意义[20],以及其对各国政治、文化和经济的影响[21] 等方面,关于某一技术在“一带一路”沿线国家的具体应用进行分析的文章却较少。本文经分析得出,“一带一路”沿线有较大一部分地区属于干燥地区,蒸发冷却在该地区有较好的适用性,而在干燥地区的独特气候条件下研究蒸发冷却在其应用的文章[1, 2] 却较少。而且目前国内尚没有符合我国国情的供干燥地区单独使用的设计参数与设计方法,而正确的室外设计计算参数及设计方法又是工程设计的基础。目前,设计人员通常采用现行暖通规范中的夏季空调室外计算干球温度和湿球温度或夏季通风室外计算干球温度和相对湿度作为蒸发冷却室外设计计算参数。由文献[1, 4] 知,两种方法对于干燥地区蒸发冷却设计都有一定的不合理性。因此确定合理的干燥地区蒸发冷却用室外设计计算参数及设计方法,是亟需研究的问题。本文以西北五省的独特气候条件为例,分析了合理的设计参数及设计参数对蒸发冷却通风空调系统设计方法的影响。本文提出了更为适合的室外设计计算参数和蒸发冷却相关负荷及比例设计方法,本文为蒸发冷却在“一带一路”沿线的干燥地区应用提供一定的理论支撑。

1 “一带一路”气象参数分析

1.1 “一带一路”沿线各国蒸发冷却的应用条件

“干空气能”作为一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源,空气越干燥其吸收水分的能力越强,“干空气能”就越富足。而“一带一路”沿线国家大多属于沙漠热带气候、温带大陆型气候等较干燥的气候条件[21],空气中蕴含着丰富的“干空气能”,利用该能源通过蒸发冷却原理可以作为空调冷源解决室内供冷的问题,以较少的能源消耗营造一个舒适的室内环境,同时蒸发冷却可以对这些地区空气中的灰沙进行过滤,提高室内空气品质,以较小的代价改善这些欠发达地区的民生问题[18]。而且“一带一路”沿线国家大多属于发展中国家,如图1 所示,大部分国家的人均GDP少于10000 美元,支付相对较高的机械制冷空调初投资及运行费用较困难。并且若是都采用传统机械制冷空调,需要建设更多电厂,消耗更多的能源,因而,蒸发冷却在不提高建筑成本、不降低生活质量的前提下能够有效解决夏季室内降温问题[19],在“一带一路”有较好的应用前景(图1)。

(2013 年)“一带一路”沿线国家人均GDP
1 2013 年)“一带一路”沿线国家人均GDP

1.2 蒸发冷却在“一带一路”沿线的适用性分析

“一带一路”沿线国家干湿球温度差统计
2 “一带一路”沿线国家干湿球温度差统计

对于蒸发冷却,干球温度和湿球温度的差值是其主要驱动势,而取同时刻相对应的干球温度和湿球温度之差对其适应性进行分析才较为合理。由于2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals[10] 中的气象数据考虑了蒸发冷却用气象参数中干湿球温度的耦合作用,因此图2 中数据均摘自2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals[10] 附录:各地设计参数(APPENDIX: DESIGN CONDITIONS FOR SELECTED LOCATIONS)中空调用干球温度及同一时刻的湿球温度(Cooling DB/MCWB),且选择年不保证率为1% 时的气象数据对“一带一路”沿线干空气能状况及蒸发冷却的适用性进行分析,如图2 所示。

由图2 可以看出,“一带一路”沿线国家的干湿球温度差都较大,其温差约为6~25℃,且湿球温度值也较低,均低于25℃,“干空气能”富足,蒸发冷却在“一带一路”沿线有较好的应用条件;而干湿球温差大最显著表现就是室外气候干热。因此,“一带一路”沿线有较大一部分地区属于干燥地区,且蒸发冷却适合在干燥地区进行应用,故本文针对“一带一路”沿线干燥地区独有的气候特点研究蒸发冷却的设计参数及设计方法。

2 我国干燥地区蒸发冷却设计参数对比分析

由上面的分析,可以得出蒸发冷却在“一带一路”沿线干燥地区有较好的应用前景与应用条件,而正确的室外设计计算参数及设计方法又是工程应用的基础。我国的西北五省既是“一带一路”沿线的典型城市,又是典型的干燥地区,因此,本文以乌鲁木齐、银川、西宁和兰州为例,对我国干燥地区蒸发冷却设计参数与设计方法进行研究。

由于蒸发冷却的驱动势是干球温度和湿球温度之差,只有合理准确的确定蒸发冷却用室外设计计算参数才能真实反映蒸发冷却的适用性及应用情况,目前国内尚未有统一标准规定蒸发冷却用室外空气计算参数。设计人员通常采用现行暖通规范中的夏季空调室外计算干球温度和湿球温度,而该夏季空调室外设计计算参数是将干球温度与湿球温度分别统计,没有考虑其耦合作用。实际上当室外干球温度较高时空气含湿量并不同时较高,在西北干燥地区这种差别更为显著。新风的含湿量偏大,对设备的除湿能力也产生了影响,对高效的蒸发冷却的应用范围起到了抑制作用,如表1 所示。

1) 本文的统计值和美国ASHRAE 标准同时考虑了干球温度和湿球温度耦合作用。根据典型气象年参数统计的室外计算湿球温度值与美国ASHRAE 的规定值较为接近,偏差小于1.0℃,而统计得到的室外计算干球温度与美国ASHRAE 的规定值偏差小于2.5℃,基本吻合。统计数值与ASHRAE 数值相差较小,且由于统计年限、原始数据来源或标准高低等不同,各国给出的同一地点的室外设计计算参数不完全相同,是合理的现象。

2) 夏季通风室外设计计算参数的干湿球温度值均比根据典型气象年参数统计的室外计算干湿球温度值及ASHRAE 的干湿球温度值都小许多。在一些蒸发冷却系统用作通风系统的场所,如工厂、数据机房、户外等,由于这些场所室内温湿度要求不是很高,因此,选用夏季室外通风参数作为蒸发冷却通风空调系统的夏季室外设计计算参数设计依据较为合理。

3) 当空调室内设计工况为干球温度26℃、相对湿度50% 时,本文统计工况和ASHRAE 标准工况下,银川、兰州新风只有显热冷负荷,并不需要除湿。但如果按照暖通规范[8] 的空调设计参数,在银川和兰州,新风同时存在热湿负荷,需要降温除湿。

3 我国干燥地区负荷计算问题

3.1 新风负荷

室内冷负荷主要有以下几方面的内容:照明散热、人体散热、室内用电设备散热、透过玻璃窗进入室内日照量、经玻璃窗的温差传热以及维护结构不稳定传热。对于集中空调系统的冷负荷,除了以上空调区域的计算冷负荷,若空调方式为风机盘管加新风,则还应包括补偿新风引起的冷负荷,以及风、水系统引起的附加冷负荷和冷热抵消引起的附加冷负荷。新风复合可由式(1)计算。

Q=qm,W (hWx-hNx) 1

式中:Q 为新风负荷(kW);qm,W 为新风量(kg/s);hWx 为室外新风比焓(k J/kg);hNx 为室内空气比焓(kJ/kg)。

1 夏季室外设计工况空气参数对比分析表①
夏季室外设计工况空气参数对比分析表①

注:① 室外大气压:乌鲁木齐取911.2hPa;银川取883.9 hPa;西宁取772.9 hPa;兰州取843.2 hPa;② 室内设计工况参数按乌鲁木齐大气压计算;③ 摘自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736—2012 夏季空气调节室外设计计算参数;室外设计含湿量与室外设计相对湿度均在当地大气压力下,根据焓湿图查询得到;④ 摘自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736—2012 夏季通风室外设计计算参数;室外设计湿球温度与室外设计含湿量均在当地大气压力下,根据焓湿图查询得到;⑤ 应用从清华大学DeSTDesigners Simulation Toolkit)能耗模拟软件中导出西北干燥地区乌鲁木齐、银川、西宁、兰州四个主要城市典型气象年逐时气象参数统计全年不保证50h 的干球温度与所对应的平均湿球温度确定;⑥ 摘自2009 ASHRAE Handbook-Fundamental 附录: 各地设计参数(APPENDIX: DESIGN CONDITIONS FOR SELECTED LOCATIONS)中年不保证率为1% 时的空调用干球温度及同一时刻的湿球温度值(Cooling DB/MCWB);⑦ 该值为在当地大气压、干球温度和湿球温度的计算值。

由式(1)可以看出,新风冷负荷与室外新风焓值密切相关,由于空气焓值是湿球温度的单值函数,因此,室外湿球温度决定了新风负荷的大小。表2 以兰州为例,室内设计干球温度26℃、相对湿度50%,对不同室外设计工况下新风负荷进行了计算。

2 不同室外设计工况下对新风负荷的影响
不同室外设计工况下对新风负荷的影响

从表2 可以看出,根据暖通规范空调设计计算工况(以下简称暖规)计算的新风负荷较大,而根据典型气象年逐时气象参数统计工况(以下简称统计)计算的新风负荷较小,美国ASHRAE 工况(以下简称AS)计算的无新风负荷。然而,位于干燥地区的兰州新风负荷应该很小,可是由于室外设计计算参数选取偏差,额外增加了空调设备的负荷。

3.2 湿负荷

室内湿负荷主要由人体散湿量,水面散湿量和食品的散湿量组成,干燥地区室外空气干燥,干空气能丰富,往往大多数时候室内含湿量是大于室外含湿量的。另外,新风量的多少也是影响空调负荷的重要因素之一,从GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》给出的公共建筑主要空间的人均设计新风量中选取典型的办公30m3/h、影剧院20m3/h、教室10m3/h,因为一些高密人群建筑,人均设计新风量较小,一般在10m3/h 左右,因此,选取以上3 个典型的人均新风量。以西宁为例,室内设计干球温度26℃、相对湿度50%,选取人均散湿量为109g/h,表3 对不同室外设计工况下室内含湿量情况进行计算。

3 不同室外设计工况下对室内含湿量的影响
不同室外设计工况下对室内含湿量的影响

由表3 可以看出在暖通规范空调设计计算工况下,室内最终含湿量为109-6.67=-17.65(g/h),也就是说此时室内含湿量充足,需要除湿;然而在根据典型气象年逐时气象参数统计工况和美国ASHRAE 工况下,室内最终的含湿量分别为-7.66g/h -4.32g/h,表示室内含湿量是损失的,需要加湿。同样是西宁地区,在不同的室外设计工况下,产生了完全相反的效果。另外,在表3 也可看出,新风量为20m3/h 10m3/h 时,在3 种工况下,都是需要除湿的,可见在干燥地区新风量的大小是十分重要的,对于蒸发冷却空气水系统,如果按照室内人员数量考虑,即潜热负荷,设计时所选取的新风机组的新风量很小,不能满足一般空调系统要求的室内换气次数不小于5 /h 的要求,这样会导致对室内卫生条件不利,室内空调环境空气质量较差,因此,新风机组容量不能单纯按室内人员数量来确定;从制取高温冷水的蒸发冷却冷水机组的规模、投资,以及运行费用的综合考虑,适当增加各系统的新风量,可以减少冷水机组负荷、占地面积和设备投资,降低冷水系统的运行费用。综上所述,空气水蒸发冷却空调系统应综合考虑节能和满足室内卫生条件要求,以及设备投资和运行费用等因素。

由表3 中水蒸汽分压力项目可以看出,在暖规工况下,室内水蒸汽分压力小于室外水蒸汽分压力,空气水分是由外至内;在统计和ASHRAE 工况下,室内水蒸汽分压力大于室外水蒸汽分压力,空气水分是由内至外。由于干燥地区本身的特质,其空气水分的传递方向应该与潮湿地区的方向相反,即由内至外,可见暖通规范[8]的空调设计参数与当地气候特点差异较大,以此为设计依据的设计方案将是不适合的。

3.3 新风机组承担负荷比例

3.1 分析我们可知,在暖规工况下,存在新风负荷,对于空气水系统,新风机组需要承担这一部分新风负荷,但对于室内湿负荷较大的场所,新风机组还需要承担一部分室内热湿负荷。图3, 4 以银川为例,分别是在暖规工况下新风机组只承担新风负荷和承担新风负荷及热湿负荷的空调过程焓湿图。

 暖规工况下新风机组只承担新风负荷空调过程
3 暖规工况下新风机组只承担新风负荷空调过程
4 暖规工况下新风机组承担新风负荷+室内热湿负荷空调过程

图中,W. . 为银川在暖规工况下的室外设计状态点;N 为室内状态点;O 为送风状态点;L1 为新风经过新风机组处理后的机器露点;L2 为回风经干式风机盘管处理后的机器露点。图3,新风机组只承担新风负荷,选取室内状态点N 等焓线与相对湿度线的交点作为新风机组的机器露点,干式风机盘管机组机器露点的相对湿度值可取90%;图4,新风机组承担新风负荷+ 室内热湿负荷,选取室内状态点N 湿球温度与露点温度连线上的任意一点作为新风机组的机器露点。两种情况,经新风机组处理后的空气与干式风机盘管配合,消除室内热、湿负荷。可是我们注意到,送风状态点OL1, L2 的左侧,也就是说室内还要额外增加除湿装置才能达到送风状态点。

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