关于蒸发冷却空调气候分区术语的探讨

夏 青,黄 翔,殷清海

(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048)

0 前 言

蒸发冷却空调技术作为一种节能、环保、可持续发展的空调技术[1],越来越受到许多学者、工程师、研究者以及生产制造企业的广泛重视,都对其作了大量的研究和应用推广工作。但如任何技术一样,蒸发冷却空调技术在推广的过程中存在着种种困难,发展并不十分理想。我国对蒸发冷却空调的产品和工程设计尚无相应的标准规范,导致其在实际生产和工程应用中处于比较混乱的状态。目前,通过对蒸发冷却空调技术实际应用的研究表明,针对不同地区,由于其气候条件和地理位置不同,采用的蒸发冷却空调方式是不同的。与此同时,受大气环流系统和区域本身自然地理条件和人类活动的特殊性,决定了气候变化的区域性,也决定了对不同气候背景下蒸发冷却空调适用性进行分区研究的必要性。因此,对于不同气候区域术语规范的说明必不可少。

1 蒸发冷却空调气候分区术语重要性

中国气候类型复杂多样,大部分地区位于北温带和亚热带,属大陆性季风气候区,四季分明,冬寒夏热。由于幅员辽阔,地貌复杂多样,南北气候差异很大,受海上风及地理位置等因素的影响,形成湿热、温湿、干旱及半干旱等多样气候条件[2],而蒸发冷却空调是一种 “气象空调”,与气候紧密相连,气候条件是影响蒸发冷却空调使用效果的因素之一,不同的气候条件以及蒸发冷却空调技术自身的特点,决定了蒸发冷却空调在不同的地区有不同的适用性。因此,划分蒸发冷却气候适应区,对于推进蒸发冷却空调在我国部分替代传统机械制冷空调的进程和选择蒸发冷却空调方式以达到节能的目的有重要的参考价值,同时对降低建筑能耗、缓解电力压力和臭氧层空洞以及温室效应等都具有十分重要的意义[3]。

术语是定义明确的专业名词,规范的术语常常要通过业界权威机构审定通过,在专业范围内仅具有单义。术语标准是其他标准制定的前提和基础,也只有正确使用标准术语,才能达到有效交流的目的。

目前,在我国许多学科和专业领域,都存在一个术语标准化方面的问题急需解决。在蒸发冷却空调技术领域的情况也同样如此。

蒸发冷却空调术语标准化工作还比较薄弱,术语使用也不规范。大多数人对蒸发冷却空调气候分区术语概念模糊,导致了蒸发冷却空调设计和使用方法混乱,使对该类产品的认识还停留在效果差、湿度大、档次低,只能在要求不高的大空间公共场所内作为降温换气使用,大大地限制了蒸发冷却空调的使用范围[4]。

2 蒸发冷却空调干湿地区划分

中国的大部分地区位于北温带,气候温和,四季分明,适宜人类居住与生存。大陆性季风气候是中国气候的主要特点。每年9月至次年4月,干寒的冬季风从西伯利亚和蒙古高原吹来,寒冷干燥,南北温差甚大。每年的4月至9月,暖湿的夏季风从东部和南部海洋吹来,普遍高温多雨,南北温差甚小。中国从南至北呈现出赤道带、热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带六个温度带;降水量从东南向西北逐渐减少,各地年平均降水量差异很大,东南沿海可达1500毫米以上,而西北内陆还不到200毫米。

根据年降水量的不同,我国进行了干湿地区的划分,划分原则是:一个地方的干湿程度由降水量和蒸发量的对比关系决定,降水量大于蒸发量,该地区就湿润;降水量小于蒸发量,该地区就干燥。中国各地干湿状况差异很大,共划分为4个干湿地区:湿润区、半湿润区、半干旱区和干旱区,见表1。

表1 我国干湿地区的划分

3 蒸发冷却技术在我国各区域适用性分析

由于蒸发冷却具有节能、环保等多种优良品质,符合现代空调的发展方向,已经引起越来越多的国内外业界人士的关注。对于蒸发冷却空调的能耗分析、应用状况、各区域的适用性及应用形式等各方面的研究都有不少。就蒸发冷却空调技术在我国各区域适用性分区就已有几种方法,多种多样的气候条件加上蒸发冷却技术独特的特点决定了蒸发冷却空调在不同的地区有不同的适用性,因此,通过蒸发冷却技术在我国的适用性区域划分能更好地选择蒸发冷却空调方式以达到节能的目的。

区域划分的关键是分区指标的确定。根据焓值和含湿量两个参数作为分区指标,将室外空气状态参数在焓湿图上划分为四个区域,但此方法确定方案时较为麻烦[5]。而对于蒸发冷却空调技术来说,影响其效果的主要因素是室外湿球温度,空气温降主要取决于湿球温度,因此一种更简单的分区方法,即以湿球温度作为单一指标进行区域划分[12,6],见表2。

表2 按湿球温度的分区

另外,还有一种区域划分的方式,就是将室外空气干球温度和湿球温度同时考虑。这样按干球温度和湿球温度可将室外空气状态参数在焓湿图上划分为五个区域,见表3。

表3 按干球温度和湿球温度的分区

4 蒸发冷却空调气候分区术语诠释

对于以上的通过室外空气湿球温度分区的方法,蒸发冷却空调的气候适应区被分为三个区域,分别为干燥地区、中等湿度地区以及高湿度地区。下面就一一诠释以上三个气候分区术语。

4.1 湿空气

气象学专用名词湿空气是干空气和水蒸气的混合物,即指含有水蒸气的空气,而完全不含水蒸气的空气称为干空气。湿空气中水蒸气的含量很少,它与干空气的质量比在千分之几到千分之二十几的范围内,并且常随着季节、气候等各种条件而变化。由于水蒸气量的变化,会直接影响到人体的舒适感,工业生产过程,产品质量和设备维护。因此尽管水蒸气的含量很少,它却是影响空气物理性质的一个重要因素。同时,空气中水蒸气含量的变化又会使湿空气的物理性质随之发生变化,而湿空气的物理性质不仅取决于它的组成成分,而且与它所处的状态有关。湿空气的状态通常用压力,温度,相对湿度,含湿量以及焓等参数表示,这些参数成为湿空气的状态参数。

4.2 干燥地区

所谓 “干燥地区”即指当某一地区室外空气湿球温度小于23℃时,该地区可称为干燥地区。在蒸发冷却空调领域中,此术语在不同地区、不同研究者中会有各种不同的叫法,目前出现最多的叫法,当属 “干旱地区”。而现代汉语词典对 “干燥”一词的解释为:“没有水分或水分很少”,而对 “干旱”的解释为:“因降水不足而土壤、气候干燥”,由此可以看出两者所指的着重点不同。气象干旱也称大气干旱,根据气象干旱等级的中华人民共和国国家标准,气象干旱是指某时段内,由于蒸发量和降水量的收支不平衡,水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象[7]。气象干旱通常主要以降水的短缺作为指标。在自然界,气象干旱一般有两种类型:一类是由气候、海陆分布、地形等相对稳定的因素在某个相对固定的地区常年形成的水分短缺现象,这类气象干旱也可称之为干燥或气候干旱,另一类是各种气象因子 (如:降水、气温等)的年纪或季节变化形成的随机性异常水分短缺现象,称为大气干旱,在多数情况下所说的干旱通常指这类干旱,也称气象干旱。由此可见,干燥地区是指一类常年水分短缺的固定地区,而干旱地区则是随季节性变化形成的随机性异常灾害性天气现象。因此,通过以上分析可知,在蒸发冷却空调技术中,用“干燥地区”作为蒸发冷却空调适用性地区分析更确切。

干燥地区如新疆、甘肃、青海、宁夏等地,干湿球温差较大,室外湿球温度一般低于23℃,露点温度相对较低,空气含湿量低,海拔高、昼夜温差大。从焓湿图上看 (图1),室外空气状态点在室内设计状态点左上方,蒸发冷却空调可以采用以下几种方案,即单纯采用直接蒸发冷却、一级间接蒸发冷却+直接蒸发冷却及两级间接蒸发冷却+直接蒸发冷却等集中式蒸发冷却空调系统,而不必使用机械制冷就能达到舒适性空调处理效果[8]。

图1 干燥地区夏季空气处理焓湿图

4.3 中等湿度地区

术语 “中等湿度地区”简称 “中湿度地区”,即指当某一地区室外空气湿球温度大于23℃小于28℃时,该地区可称为中等湿度地区。而术语 “中等湿度地区”的使用也存在很严重的混乱问题,对此术语的认识存在不一致,有些称为 “潮湿地区”;还有些称为 “半干旱地区”或是 “半湿润地区”等等,没有一个统一的标准。现代汉语词典对 “潮湿”的解释为:含有比正常状态下较多的水分,从解释中我们可以看到这只是一个很笼统的概念,没有量的体现,不能定型的为蒸发冷却空调处理方案和设备选型起到准确的评价,因此不能作为 “中等湿度地区”的代名词。而 《采暖通风与空气调节术语标准》中对湿度的定义为:表征空气中水蒸气含量的多少或干湿程度的物理量[9]。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少,则空气越干燥;水汽越多,则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下,常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。此外,术语 “半干旱地区”或是 “半湿润地区”具有片面性,因为 “中等湿度地区”即包括一部分 “半干旱地区”,也包括一部分 “半湿润地区”,而且通过以上的分析,我们也得知 “干旱”一词用在蒸发冷却空调技术中也是不起恰当的,因此正确的术语名称应为 “中等湿度地区”。

应用蒸发冷却技术受到限制,通常要和机械制冷相结合以达到满意的空调效果。从焓湿图上看(图2),室外空气状态点在室内设计状态点右上方,可以用间接蒸发冷却对空调新风进行预冷,也可以在炎热夏季利用间接蒸发冷却降温,同时提高空气流速,来改善人的热环境,及利用直接蒸发冷却扩大传热温差,提高某些空调和制冷设备的性能等[10]。

图2 中等湿度地区夏季空气处理焓湿图

4.4 高湿度地区

术语 “高湿度地区”即指当某一地区室外空气湿球温度大于28℃时,该地区可称为高湿度地区。一般我们有时会误称为 “高等湿度地区”,以此和“中等湿度地区”对应,而这恰恰是错误的。现代汉语词典对 “等”的某一解释为 “种;类”,而蒸发冷却空调气候适应区被分为三个区域,分别为干燥地区、中等湿度地区以及高湿度地区,如果我们将干燥地区和高湿度地区看作是一条直线的两个顶点,那除了两个顶点以外剩下的中间部分,比如上面所述的 “半干旱地区”或是 “半湿润地区”,此类的符合室外空气湿球温度大于23℃小于28℃的一类地区统称为 “中等湿度地区”。此外,也有用“湿润地区”代替 “高湿度地区”,原因同上述,即不能体现空气中含水分多少一种量的概念,“湿润”只是指一种干湿状态。所以在蒸发冷却空调技术中,术语 “高湿度地区”的叫法更准确。

高湿度地区如广东、福建等地,夏季室外空气的含湿量过大,单靠蒸发冷却技术无法得到满意的送风状态,通常可以和除湿技术相结合,即将室外空气 (或室外与室内的混合空气)用除湿剂经吸收或吸附处理成干燥空气,就和干燥地区一样,也可以用蒸发冷却空调实现舒适性空调的目的。图3为除湿加蒸发冷却处理过程的示意焓湿图[11]。

图3 高湿度地区夏季空气处理焓湿图

5 结语

蒸发冷却空调是一种 “气象空调”,与气候紧密相联,气候条件是影响蒸发冷却空调使用效果的因素之一,这就决定了蒸发冷却空调在不同的地区有不同的实用性。因此,本文按室外湿球温度将蒸发冷却空调气候适用区分为三个区域,并分别对三个术语的标准化做出了探讨。

蒸发冷却空调术语需要标准化,对于蒸发冷却空调气候适用区术语标准化问题优显得非常重要。术语标准是重要的基础标准,正确使用标准术语是实现有效交流的前提和保证。而只有正确的空调处理方案和设备选型,才是节能的前提。

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