干燥地区间接-直接蒸发冷却设备的适用性分析

孙铁柱 王 鑫 王 祺 孙 欢

（西安工程大学，陕西西安，710048）

蒸发冷却空调技术是一种环保、高效、经济的冷却方式，在碳达峰碳中和的双碳目标背景下，更应该得到大力推广。蒸发冷却技术最早应用在纺织厂，其空调形式是直接蒸发冷却技术喷水室，因直接蒸发冷却制取的冷风或冷水温度最低是室外空气的湿球温度，其应用范围受到一定的限制，因此目前已有纺织厂应用间接-直接蒸发冷却技术为车间制取冷量。但对于间接-直接蒸发冷却设备［1-3］的研究大多数集中在设备的耗水量、COP等性能，尚未发现对蒸发冷却设备在不同地区出风出水温度进行分析。为了配合蒸发冷却技术［4-6］在干燥地区的应用，本研究依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中全国民用建筑供暖通风与空调室外气象参数［7-9］，对夏季空调室外设计湿球温度小于23 ℃的89 个干燥地区进行了数据分析，选择了18 个具有代表性的城市，以60%、65%、70%、75%和80%不同湿球效率的间接蒸发冷却器［10］计算出可降低的不同湿球温度程度，并分析了采用间接-直接蒸发冷却技术可制取的冷风冷水极限温度［11］，为蒸发冷却技术在干燥地区的纺织厂、民用建筑等应用提供一定的理论参考。

1 室外湿球温度降低程度分析

1.1 间接蒸发冷却技术

一般间接蒸发冷却段由不同类型的间接蒸发冷却器组成，分为内冷式和外冷式，用以处理进入直接蒸发冷却段的空气，如图1 所示。

图1 间接蒸发冷却器原理图

间接蒸发冷却的主要目的是对空气进行等湿降温［12］，在间接-直接蒸发冷却设备中，间接蒸发冷却段的目的是为了降低室外空气的湿球温度再送入直接蒸发冷却段，便于获取更低温度的冷风或冷水。

1.2 不同地区湿球温度降低程度分析

依据GB 50736—2012，湿球温度小于23 ℃为干燥地区，从分布来看，南方城市占比较少，大部分是北方城市。选取全国18 个典型城市，采用湿球效率（η）为60%、65%、70%、75%和80%的间接蒸发冷却器时，计算出对室外空气湿球温度降低程度，如图2 所示。可以看出，对于同一城市来说间接蒸发冷却器的湿球效率越高，湿球温度降低程度越大。在湿球效率为60%时，可将这些地区湿球温度最低降低0.48 ℃、最高降低3.20 ℃；在湿球效率为65% 时，最低降低0.52 ℃、最高降低3.50 ℃；在湿球效率为70%时，最低降低0.56 ℃、最高降低3.80 ℃；在湿球效率为75% 时，最低降低0.60 ℃、最高降低4.10 ℃；在湿球效率为80% 时，最低降低0.63 ℃、最高降低4.40 ℃。在这18 个城市中，乌鲁木齐湿球温度降幅最大，黄山降幅最小。

图2 不同湿球效率下湿球温度降低程度

图3 为湿球效率为65%、70%、75%、80%时与湿球效率为60%可降低湿球温度的差值对比，分别用Δt1、Δt2、Δt3和Δt4表示。可以看出，间接蒸发冷却器湿球效率越高，降低湿球温度程度越高，其湿球效率每提高5 个百分点，湿球温降多降低0.12 ℃～0.30 ℃。二连浩特、阿里地区、海西州、乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉州随着湿球效率的增加，湿球温度降低幅度变化较大，黄山变化较小。

图3 不同湿球效率与湿球效率60%对入口空气湿球温度降低程度对比

2 间接-直接蒸发冷却设备制取冷水（风）温度分析

2.1 极限温度分析

利用18 个城市的标准工况点，配制不同湿球效率间接蒸发冷却器的间接-直接蒸发冷却设备制取冷水（风）的极限温度如图4 所示。可以看出，制备的冷风冷水温度最低的城市为阿里地区，在配备湿球效率为60%、65%、70%、75%和80%间接蒸发冷却器下，可制备的极限温度分别为6.89 ℃、6.66 ℃、6.44 ℃、6.21 ℃和5.98 ℃；制备的冷风冷水温度最高城市为延安，可制备的极限温 度 分 别 为21.44 ℃、21.32 ℃、21.20 ℃、21.08 ℃和20.96 ℃；制备的最低极限温度与最高极限温度相差分别为14.55 ℃、14.66 ℃、14.76 ℃、14.87 ℃和14.98 ℃。

图4 间接-直接蒸发冷却设备出水（风）极限温度

2.2 实际制备冷风温度分析

本研究将不同湿球效率的间接蒸发冷却器与不同厚度的填料结合制取冷风，使出风相对湿度（φ）分别达到90%和95%，然后计算出实际出风温度，如图5 和图6 所示。

图5 间接-直接蒸发冷却设备制取冷风温度情况

图6 间接-直接蒸发冷却设备制取冷风温度与标况湿球温度对比情况

在配备60%、65%、70%、75%和80%湿球效率的间接蒸发冷却器时，将空气处理到相对湿度为90%时，出风温度只有石嘴山明显高于标况湿球温度，六盘水、黄山、晋中出风温度与标况湿球温度相差无几，其余城市出风温度均低于标况湿球温度。在处理到相对湿度为95% 时，配备60%、65%、70%、75%和80%湿球效率的间接蒸发冷却器时，所有干燥城市出风温度均低于标况湿球温度。

2.3 实际制备冷水温度分析

将不同湿球效率的间接蒸发冷却器与取冷幅高0.5 ℃和1.0 ℃的填料结合制取冷水，然后计算出不同的实际出水温度，如图7 和图8 所示。

图7 间接-直接蒸发冷却设备制取冷水温度情况

图8 制取冷水温度与标况湿球温度对比情况

填料段取冷幅高0.5 ℃时，18 个城市在间接蒸发冷却器湿球效率为60%时，有黄山、阿坝州、拉萨3 个城市制取的水温度高于标况湿球温度，其余城市制取的水温度都低于标况湿球温度。填料段取冷幅高1.0 ℃时，在间接蒸发冷却器湿球效率为60%时，有晋中、黄山、阿里地区3 个城市制取的水温度高于标况湿球温度；湿球效率为65%时，有晋中、黄山、阿坝州、拉萨、阿里地区5个城市高于标况湿球温度；湿球效率为70%、75%、80%时，有晋中、黄山、阿坝州和拉萨4 个城市高于标况湿球温度；其余城市制取的水温度均低于标况湿球温度。

3 间接-直接蒸发冷却技术在典型场所应用分析

3.1 间接-直接蒸发冷却技术在纺织厂应用分析

在纺织厂车间，机器散热量大，生产工艺对温湿度要求较高，需要人为控制车间温湿度。一般情况下，在过渡季节，室外温度不是很高时，仅通过采用喷水室对纺织车间进行等焓降温处理即可满足送风温湿度要求；在夏季，室温温度较高时，有些地区喷水室满足不了要求，需要其他辅助制冷方式，比如复合间接蒸发器或者联合机械制冷以满足要求。

在全国范围内以转杯纺为例，夏季车间推荐温度范围为25 ℃～30 ℃，相对湿度58%～65%。假定某转杯纺车间夏季室内温度设计为25 ℃、相对湿度60%，根据焓湿图将空气相对湿度处理到90%可得送风温度为20.4 ℃。根据不同湿球效率间接蒸发冷却器计算的各个城市制取的冷风温度可满足要求的城市统计情况如表1 所示。

表1 设备满足转杯纺车间送风要求城市数量和占比

从表1 和图5 分析可得，在送风温度要求为20.4 ℃，间接-直接蒸发冷却设备在配备湿球效率为60% 的间接蒸发冷却器时，出风温度低于20.4 ℃的城市为包头、二连浩特、黄山、阿坝州、拉萨、阿里地区、张掖、海西州、乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉州11 个城市，占比达到61.1%；当间接-直接蒸发冷却设备在配备湿球效率为65%及以上的间接蒸发冷却器时，另增城市漠河满足要求；而张家口、晋中、六盘水、红河州、延安、石嘴山不能满足送风要求，需要机械制冷辅助。

3.2 间接-直接蒸发冷却技术在民用建筑应用分析

在民用建筑应用以温湿度独立控制系统为例，依据GB 50736—2012，当采用温湿度独立控制系统时，空调房间设计温度范围为24 ℃～26 ℃，负担显热冷水的冷水机组空调供水温度不宜低于16 ℃。

以办公楼为例，假定某办公楼夏季室内设计要求为干球温度24 ℃，相对湿度60%，空调供水温度为18 ℃，根据焓湿图算得其新风送风温度为19.6 ℃。根据上述计算，能满足供水和送风温度要求的城市情况如表2 所示。

表2 不同湿球效率设备下满足办公楼送风和供水要求的城市数量和占比

从表2 和图7 分析可得，在送风温度要求为19.6 ℃，供水温度为18 ℃，间接-直接蒸发冷却设备在配备湿球效率为60%～65%的间接蒸发冷却器时，送风温度低于19.6 ℃的城市为二连浩特、阿坝州、拉萨、阿里地区、张掖、海西州、乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉州9 个城市，占比达到50%；供水温度低于18 ℃的城市为二连浩特、阿坝州、拉萨、阿里地区、海西州、乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉州8 个城市，占比达到44.4%。当间接-直接蒸发冷却设备在配备湿球效率为70%及以上的间接蒸发冷却器时，新增满足送风要求城市为包头、漠河和黄山，新增满足供水要求城市为张掖。而张家口、晋中、六盘水、红河州、延安、石嘴山不能满足送风要求，需要机械制冷辅助。

4 结论

依据GB 50736—2012 中全国民用建筑供暖通风与空调室外气象参数，对其中夏季空调室外设计湿球温度小于23 ℃的18 个干燥地区间接-直接蒸发冷却空调设备制取的冷水（风）温度进行分析可得主要结论如下。

（1）干燥地区因干湿球温差大，使蒸发冷却设备制取的冷水（风）效果更好。要使间接-直接蒸发冷却设备出水温度低于湿球温度，配备不同湿球效率的间接蒸发冷却器其填料段的冷幅高取值是不同的，比如湿球效率分别为60%、65%、70%、75%、80%时，在18 个城市应用填料段对应冷幅高取值范围分别为0.48 ℃～3.20 ℃、0.52 ℃～3.50 ℃、0.56 ℃～3.80 ℃、0.60 ℃～4.10 ℃、0.63 ℃～4.40 ℃。要使间接-直接蒸发冷却设备制备冷风，出风温度低于湿球温度，不同城市需要配备的湿膜厚度不同。

（2）间接-直接蒸发冷却设备在干燥地区纺织厂（比如转杯纺车间）应用时，在包头、二连浩特、黄山、阿坝州、拉萨、阿里地区、张掖、海西州、乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉州11 个城市完全可以满足送风温度要求，而在张家口、晋中、延安等城市则还另外需要机械制冷辅助。间接-直接蒸发冷却设备在干燥地区民用建筑应用温湿度独立控制系统时，二连浩特、阿坝州、拉萨、阿里地区、海西州、乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉州8 个城市完全可以满足供水和送风温度要求。

总之，在干燥地区因其气候较为干燥，蒸发驱动势更大，间接-直接蒸发冷却设备出水（风）温度效果最好，在多数城市可以完全满足供水（风）温度要求，而无需机械制冷。