岗亭用蒸发冷却空调的开发及应用研究

严 政，黄 翔，鞠昊宏，黄华铃，胡嘉麟

（西安工程大学，陕西西安 710048）

1 前言

随着全球变暖和“城市热岛效应”问题的日益加重，近几年全国大部分地区的平均气温均达到了35 ℃，部分地区的最高温度甚至达到40 ℃以上。有资料显示，全球变暖会将进一步加强，然而中国未来气候变暖幅度明显更大，就整体而言，中国区域平均地表气温将上升 2.7～2.9 ℃［1］，对于户外工作者而言，伴随极端的高温天气而来的是对人们身体健康甚至是生命安全的威胁，这给我国所提倡以人为本的可持续发展理念相驳，因此，不管是从户外工作者个人，还是整个社会发展而言，户外工作者的降温问题亟待解决。

随着“十三五”计划的推进，我国制冷空调行业在此期间以及未来要朝着节能、环保、安全的制冷方向发展［2］，蒸发冷却就是符合其发展方向的一种制冷空调技术，它不使用压缩机，仅有舒配系统耗能，且用水作为制冷剂，因此蒸发冷却空调是一种环保高效且经济的冷却方式；它还具有较低的冷却设备成本，能大幅度降低用电量和用电高峰期对电能的要求，且投资、运维费用的节省程度都是传统的机械制冷无法比拟的［3］。蒸发冷却技术可广泛应用于居住建筑和公共建筑中的舒适性冷却中并可在传统的工业领域提高工人的舒适性［4］。目前，蒸发冷却设备在户外已经有了实际应用。

对于保障我们出行与安全的交警会长时间地在户外工作，他们急需一种适用于夏季户外的降温空调产品。我校与澳蓝实业有限公司联合开发了国内首台岗亭用蒸发冷却空调，旨在为执勤交警在炎炎夏日营造一个相对舒适的工作环境。本文对国内首个实际应用的岗亭用蒸发冷却空调样机的开发及测试做简要介绍，并对改进前后的岗亭用蒸发冷却空调做了对比分析。

2 岗亭用蒸发冷却空调的开发

2.1 岗亭用蒸发冷却空调冷却方式的选择

目前直接蒸发冷却形式分为高压微雾式和滴水填料式2种。笔者在如图1所示的岗亭上进行试验了高压微雾式与滴水填料式的降温效果，测试结果如表1所示。交警站台是由2个大小不一的六面柱组成。下面的大柱体的边长为1.5 m，小的柱体边长为1.2 m，从站台底面到顶棚最低处的高为2.55 m。

表1 高压微雾式和滴水填料式的降温效果对比

经过试验对比研究2种直接蒸发冷却的降温效果，从表1中可以看出，采用高压微雾式能达到最大温降幅度为2.3 ℃，而采用滴水填料式能达到最大的温降幅度为11.2 ℃。一方面采用滴水填料式的冷却方式的降温效果明显好于采用高压微雾式所能达到的降温效果；另一方面由于采用高压微雾式的直接蒸发冷却相较于滴水填料式的直接蒸发冷却更易受横向气流的影响，加之由于高压微雾的喷嘴需要较好的雾化特性才能有利于空气与水的热湿交换［5］，且喷嘴长期暴露在户外环境中容易被堵塞等问题。因此，最终选取滴水填料式作为岗亭用蒸发冷却空调的冷却方式。

2.2 岗亭用蒸发冷却空调的原理

岗亭用蒸发冷却空调采用的是滴水填料式的直接蒸发冷却，利用喷淋水（循环水）的喷淋雾化或淋水填料层直接与待处理的室外空气接触，由于喷淋水的温度一般都低于待处理空气（即新风）的温度，空气不断将自身显热传递给水而得以降温；与此同时，部分喷淋水（循环水）也会不断吸收空气中的热量而蒸发，蒸发后的水蒸汽随后被带入室内，于是新风即得以降温，又实现了加湿，所以这种利用空气的显热换得潜热的处理过程，既可称为空气的直接蒸发冷却，又可称为空气的绝热加湿。待处理空气通过直接蒸发冷却所实现的空气处理过程为加湿降温过程，其极限温度是空气的湿球温度。工作原理如图1所示［5，6］。

图1 滴水填料式直接蒸发冷却通风空调原理示意

2.3 岗亭用蒸发冷却空调的湿球效率

根据蒸发冷却的原理，岗亭用蒸发冷却空调的湿球效率可以通过下式计算［7］，即

式中 t1——室外空气干球温度，℃

t2——蒸发式冷气机出风的干球温度，℃

ts1——室外空气的湿球温度，℃

2.4 影响岗亭空调降温效果的因素

为了得到影响岗亭空调降温效果的影响因素和了解户外岗亭送风的特点，笔者在岗亭上使用蒸发式冷气机进行试验，测试期间所用蒸发式冷气机的额定风量为6000 m3/h，功率为0.15 kW，冷气机的外形尺寸为750 mm×550 mm×130 mm，填料尺寸为675 mm×645 mm×100 mm，出风口尺寸为540 mm×540 mm，送风口采用的是可以根据用户需求任意摆动的双层百叶送风口。

经过测试可得，当冷气机在2000，4000和6000 m3/h的风量条件下运行时其水平射程分别是1.6，2.4，3.0 m ；其所覆盖的有效面积分别是1.3，2.9，4.9 m2。而交警站台（六棱柱面积）的面积为2 m2，因此，使用该蒸发式冷气机送风完全可以覆盖整个站台，但是测试期间笔者发现送风易被自然风和由于周围环境扰动形成的横向气流卷吸带走。

特殊的使用场合也决定了蒸发冷却空调送风受特殊因素的影响，笔者经过前期测试总结了影响蒸发冷却技术在户外降温效果的影响因素，即户外环境与室内相比无围护结构，完全开放；户外微环境的送风气流易受外界横向气流的干扰；在户外使用蒸发冷却空调时太阳辐射对水温的影响比室内大等因素，其主要影响因素是户外微环境的送风气流易受外界横向气流的干扰。因此，蒸发冷却空调在户外岗亭使用时要充分考虑自然风速场和由于周围环境扰动形成的风速场产生的横向气流。

2.5 岗亭用蒸发冷却空调试验样机的开发

根据前期笔者测试分析掌握户外岗亭降温的特点以及充分考虑户外降温的影响因素，我校与福建澳蓝实业有限公司共同研究，最终开发了岗亭用蒸发冷却空调，其设计性能参数如表2所示，其结构如图2所示。

表2 岗亭用蒸发冷却空调参数表

图2 岗亭用蒸发冷却空调结构示意

3 岗亭用蒸发冷却空调的应用研究

3.1 岗亭用蒸发冷却空调概况

岗亭用蒸发冷却空调已安装在西安市临潼区某十字路口的交通岗亭上。该交通岗亭是前往华清池与兵马俑的必经之地，因此，过往车辆众多，早上 8：00—10：00 以及下午 15：00—18：00为车流量的高峰时期。由于蒸发冷却空调属于一种气象空调，其温降效果受到室外气象条件的制约。由于临潼夏季炎热、日照长、多风，且其夏季室外湿球温度为25.8 ℃，根据湿球温度作为单一指标进行划分，西安属于设计三区，即西安属于蒸发冷却技术的适应区［8］。其夏季室外干球温度为35.1 ℃［9］，干湿球温差为9.2 ℃，即岗亭用蒸发冷却空调的制冷驱动式为9.2 ℃。

经过在岗交警的使用之后，就岗亭空调的实际使用效果，笔者以询问和问卷调查的方式对在岗交警的感受进行了调查，调查结果显示，在使用中主要出现了以下3个方面的问题：风口百叶不能很好地将处理后的空气进行散流，造成工作区只有局部凉爽的问题；风口安装高度较低，直吹时间过长有不适感产生；以及感觉风量较小，造成整个岗亭降温不均的问题。

针对岗亭用蒸发冷却空调试运行出现的问题，我们与福建某实业股份有限公司相关的技术人员进行了交流沟通。最终提出的改进方案是将原来的百叶送风口改为球形射流风口，选择更大型号的风机，将原来的变风量的风机改为定风量以及由于风机和风口的改变也导致岗亭空调的外形尺寸和送风管也做了相应的改变，改变前后的结构如图3所示。

图3 改进前、后岗亭用蒸发冷却空调结构示意

3.2 岗亭用蒸发冷却空调的应用测试过程

2016年7月13日至7月23日，笔者对岗亭用蒸发冷却空调进行了测试，其中有5天的阴雨天，因此有效测试日为6天。7月19日为全测试时段在高档位下运行的情况，7月20日为全测试时段在中档位运行的情况，7月21日为全测试时段在低档位的运行情况；在这 3天的测试中，中午的 12：30、13：00和 13：20时循环水箱中的储水量到达最低水位线，因此分别在以上3个时间进行补水将循环水箱加满。

3.3 数据整理及分析

在开始测试前布好测点并让岗亭用蒸发冷却空调预冷10 min，待机器运行稳定后开始统计数据即表中12：00为测试正式开始的时间。其测试数据见表3。

表3 不同档位运行时各参数统计情况

图4 不同档位的湿球效率统计情况

通过岗亭用蒸发冷却空调分别在高、中、低档位运行时的参数统计情况可以看出，如表3所示，岗亭用蒸发冷却空调在运行过程中温降效果明显，最高温降能达到11.6 ℃，最低温降能达到5.2 ℃，高、中、低三挡联合运行能达到的平均温降能达到8.9℃，经测试岗亭用蒸发冷却空调送风气流能保证执勤交警工作区域的温度在24 ℃～28 ℃范围内变化，即岗亭用蒸发冷却空调能为执勤交警创造一个相对舒适的工作环境。通过岗亭用蒸发冷却空调分别在高、中、低档位运行时的湿球效率变化可以看出，如图4所示，在高档位下运行时，岗亭用蒸发冷却空调的湿球效率波动不大，平均湿球效率为70%；在中档位和低档位下运行时，岗亭用蒸发冷却空调的湿球效率波动较大，中档位平均湿球效率为75%；在低档位运行时的平均湿球效率为74%。高、中、低档位联合运行时该样机的平均湿球效率为75.4%，其平均湿球效率在设计范围内（75%～80%），即岗亭用蒸发冷却空调的湿球效率满足设计要求。在高档位运行时岗亭用蒸发冷却空调的湿球效率比中档位和低档位运行时的效率要低，使得空气与湿帘接触的时间变短，从而使得高档时的湿球效率低于中档和低档。

通过对样机在高、中、低3个档位下运行时的水位等数据的测量，试验结果如图5所示。岗亭用蒸发冷却空调的样机在高、中、低档位运行时的耗水量分别为4.2，3.3和2.6 kg/h。

图5 岗亭用蒸发冷却空调不同档位耗水量

3.4 横向气流对温度场的影响分析

岗亭用蒸发冷却空调的额定风量为4000 m3/h，送风口的平均出风速度为4.0 m/s，测试期间周围环境的气流风速最高变化范围在2.3～3.5 m/s之间。由于岗亭用蒸发冷却空调采用上送风的方式，因此，气流在送风方向上的衰减比较明显，且送风气流易受横向气流的影响，从而产生冷热掺混的现象，影响降温效果。

由于改进后的岗亭用蒸发冷却空调还处于设备组装阶段，因此只能在实验室搭建的试验台上，对改进后的岗亭用蒸发冷却空调所采用的球形射流风口进行了相关测试，该试验台的额定风量为4000 m3/h。在没有横向气流干扰的情况下，测得球型射流风口的射流长度可以达到2.5 m左右；用一台风量为10000 m3/h，风速为4 m/s的冷气机模拟单一固定风量的横向气流，试验结果显示该球形喷射口的射流长度可以达到1.5 m左右。送风完全可以覆盖岗亭的站台。

4 改进前后岗亭用蒸发冷却空调的对比分析

改进后的岗亭用蒸发冷却空调采用的是球形喷口送风。由于其具有送风速度高、射程远，射流可以带动周围空气进行强烈地混合，从而使空调区获得较为均匀的速度场和温度场的特点［10］，以及测试结果表明采用球型喷口送风口的改进后的岗亭用蒸发冷却空调的射流区域较改进前采用双层百叶送风口的射流区域大，横向气流影响的效果不明显，且送风气流与周围环境气流冷热掺混的现象没有改进前严重，这样使工作区域能有较强的吹风感。该球形射流风口可以根据使用者的实际降温需要手动调节送风方向，相较于改进前采用的双层百叶送风口省去了控制百叶摆动的电机和安装于风口上面的控制面板，使得改进后的岗亭用蒸发冷却空调的控制操作更加简便，使用球型喷口送风的岗亭用蒸发冷却空调使得送风管道更短，这样经过空调制取的冷风在送风管道内所受到的流动阻力会更小，在空气的舒配上的耗能也相对于改进前小。

5 经济性分析

由岗亭用蒸发冷却空调的基本参数计算可得该交通岗亭用蒸发冷气机的耗电情况如表4所示。表4计算条件为：每天开启时间9：00-17：00（共计8 h），一年使用3个月（共90天），电价0.5元/（kW·h）。

表4 岗亭用冷却空调的耗电量及运行费用情况

岗亭用蒸发冷却空调的年运行费用在21.6～43.2元之间，这与常用的白炽灯耗电大体相当，因此，岗亭用蒸发冷却空调的运行费用是较为节省的，节能潜力巨大。由于改进后的岗亭用蒸发冷却空调处于设备组装阶段，详细参数还未公开，因此，改进后的岗亭用蒸发冷却空调的运行费用无法计算。

6 结论

为解决夏季高温天气在户外工作的交警同志降温问题，我们开发了国内首台岗亭用蒸发冷却空调，经过测试研究，其样机的温降范围为5.2～11.6℃，样机的温降效果明显，能够满足在岗交警对于降温的需求。实测数据显示样机在高、中、低档位运行时的耗水量分别为4.2，3.3和2.6 kg/h；在高、中、低档位运行时的平均湿球效率分别70%、75%、74%，高、中、低档位联合运行时该样机的平均湿球效率为75.4%。改进后的岗亭用蒸发冷却空调较改进前受横向气流的影响更小，且射流覆盖面积更大，能保证在岗交警工作区域由较强的吹风感。

在全球变暖趋势以及城市热岛效应的影响下，岗亭用蒸发冷却空调的开发与使用更具现实意义，因此在我国干燥地区以及中等湿度地区的应用值得进一步推广。

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［5］ 胡士松，刘伟，章玮玮，等.单相阶段板式多喷嘴阵列喷雾冷却的试验研究［J］.流体机械，2015，43（7）：1-5.

［6］ 黄翔.蒸发冷却通风空调系统设计指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

［7］ 黄翔.蒸发冷却空调理论与应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

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［10］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.