西安地區蒸發式冷氣機室內外降溫實驗分析

王興興，黃　翔，申長軍，鞠昊宏，折建利

（西安工程大學，陜西西安710048）

西安地區蒸發式冷氣機室內外降溫實驗分析

王興興，黃翔，申長軍，鞠昊宏，折建利

（西安工程大學，陜西西安710048）

主要通過對室外降溫蒸發式冷氣機和室內降溫蒸發式冷氣機在西安不同使用場合的實驗測試，得出兩者各自的溫降效果和效率，室外降溫蒸發式冷氣機溫降范圍為8.8～10.8℃，效率范圍為68%～75%，室內降溫蒸發式冷氣機溫降范圍為9.4～11.5℃，效率范圍為84%～95%。并且通過對已測數據的處理，分析出影響機組風量的可能因素，以及干濕球溫度和效率關系，對兩個機組的制冷量進行簡要分析，并指出該次實驗所需改進的地方。

蒸發式冷氣機；效率；溫降；實驗

0　引言

進入21世紀以來，人類逐漸重視能源問題，雖然中國已成為世界節能和利用新能源第一大國，但供暖空調所消耗的能源總量已超過一次能源總量的20%[1]，耗量巨大。新能源如太陽能、風能、生物質能等在很多地方得到應用，但在很多應該用的地區，并沒有得到推廣。

“干空氣能”作為一種新能源，全國分布廣泛，儲存量十分豐富，經過行業人士的多年努力，使之以“干空氣能”為載體的蒸發冷卻技術在西北地區，如新疆、甘肅、青海、寧夏等干燥地區得到廣泛的應用[2]。

西安根據氣象條件劃分屬于中濕度地區[3]，其夏季空氣調節室外計算干濕球溫度之差接近10℃，以干濕球溫差為驅動力的“干空氣能”儲存也相當豐富。蒸發式冷氣機作為蒸發冷卻技術的主要產品，在西安地區還沒有得到廣泛應用，其很大一部分原因是人們多蒸發冷卻技術僅適合在西北干燥地區的誤解。該文對兩臺不同的蒸發式冷氣機在西安市某戶外降溫和某辦公室室內降溫進行了實測，根據測試結果，對蒸發式冷氣機的溫降效果和效率等進行了分析。

1　試驗測試機組

1.1機組概況與工作原理

室外降溫蒸發式冷氣機測試地點為西安某辦公樓屋頂，利用太陽能光伏發電帶動冷氣機運行，并且冷氣機其出風用于對發電光伏板進行降溫；室內降溫蒸發式冷氣機測試地點為西安某辦公室，其出風用于滿足室內工作人員的溫濕度需求。

室外降溫蒸發式冷氣機和室內降溫蒸發式冷氣機主要組成部分基本相同，為進風口、植物纖維過濾填料、水泵、布水器、排水閥等組成。室外降溫蒸發式冷氣機機組和室內降溫蒸發式冷氣機機組概況見表1和表2。

表1　室外降溫機組概況

表2　室內降溫機組概況

室內、外蒸發式冷氣機的工作原理相同，為蒸發冷卻技術中的直接蒸發冷卻技術。新風通過進風口進入機組，與布水器淋濕后的植物纖維填料中的水膜直接接觸，發生熱濕交換，從而降低空氣的溫度，其在焓濕圖上可近似的認為是一個等焓加濕過程。

室外降溫機組和室內降溫機組各配有一個液晶控制裝置。在液晶控制面板上可以對機組的相關性能參數進行設置。其中運行模式有“關機”、“待機”、“制冷”、“通風”、“自動”5個狀態，可根據需求自動或手動進行調節。室外降溫機組風速有“5”檔，室內降溫機組風速有“8”檔。在實驗測試中，室外降溫機組處在“5”檔風速狀態運行，室內降溫機組處在“5”檔風速狀態運行。

2　測試過程與結果

2.1測試儀器

該次實驗主要對西安地區室外降溫蒸發式冷氣機和室內降溫式蒸發式冷氣機的降溫幅度、蒸發冷卻效率、運行時機組水溫等做了實際測試[4]，所用儀器見表3。

表3　測試儀器

式中vj─進口平均風速，m/s；

v1，v2─各測點風速，m/s；

q─風量，m3/h；

v─平均風速，m/s；

A─面積，m2。

通過表4可計算出進風量為1784m3/h，出風量為

2.2風量測試

2.2.1室外降溫式蒸發式冷氣機風量測試

室外降溫機組風速有“5”檔，2015年5月26日12：00-16：00測試期間風速放置在第“5”檔出。用數字風速儀對進、出口風速進行測試。進風口有三面，采用每面兩點式測量法，其測點布置示意圖如圖1a）。然后，求出平均值，如公式（1）所示，最后根據公式（2）求出進風量。出風量的測試方法為四點測試法，其測點布置示意圖如圖1b），然后，求四點平均值，后根據公式（2）求出出風量[5]。1755m3/h，兩者基本相同，后文研究取兩者平均值約為1770m3/h，測試所得風量與機組銘牌的額定風量4000m3/h相差較大，原因可以歸納為幾點：

圖1　風速測點布置示意圖a）進風b）出風

表4　風速和風量測試統計

1）機組停放時間較長，導致風機風葉等存在灰塵，阻力增大，影響風量；

2）機組從出產至今接近五年，風機內部電線等老化，電阻增大，輸出風量減小；

3）機組長時間沒有進行維護管理，影響風量；

4）此次測試機組所需電能全部來自于光伏板所發電力，供電量可能達不到額定要求；

5）測試時操作和讀數存在一定誤差。

2.2.2室內降溫式蒸發式冷氣機風量測試

室內降溫蒸發式冷氣機總共有8檔，2015年5月30日12：00-15：00測試時檔速放置在“5”檔處。根據現場測試情況，總共有7個送風口，確定送風量的時候，取平穩管段處的兩個送風風速的平均值為總送風平均值，其風量計算公式與上述室外降溫式蒸發式冷氣機一樣。將風速和風量測試統計列入表5。

表5　風速和風量測試統計

通過表5可計算出進風量為9088m3/h，送風量為8414m3/h，兩者相差不大。此為“5”檔情況下機組進送風風量，后文研究取兩者平均值為8751m3/h。

2.3溫降效果及效率

2.3.1室外降溫式蒸發式冷氣機溫降情況

2015年5月26日12：00～15：00對室外降溫蒸發式冷氣機的降溫情況進行測試，每5min記錄一次數據，此時間段對應的進風口溫度、相對濕度以及出風口溫度、相對濕度如圖2所示。

圖2　室外降溫蒸發式冷氣機進、出風狀態參數

由上圖及記錄數據可以得出，進風干球溫度和出風溫度變化趨勢基本一樣，進風干球溫度最大值為36.4℃，最小值為32.1℃，溫度變化范圍32.7～36.5℃，進風相對濕度最大值為33.9%，最小值為26.3%，相對濕度變化范圍26.3%～33.9%。出風溫度變化范圍為23.8～25.5℃，出風相對濕度變化范圍為61.4%～67.0%。

在測試期間內，儀器每分鐘記錄一次，從12：00開始，以20min為界限，取各時間段的平均值，經過處理，可得出進風平均濕球溫度與出風平均溫度的關系，記錄在表6和圖3中。

表6　進風平均干球溫度和出風平均溫度統計

圖3　進風平均濕球溫度和出風平均溫度

經過上表可以很直觀的看出，進風平均濕球溫度與出風平均溫度之差基本保持恒定，最大差為4.1℃，最小差為3.6℃。這能夠說明該蒸發式冷氣機運行效果比較穩定。

2.3.2室內降溫式蒸發式冷氣機溫降情況

圖4　室內降溫蒸發式冷氣機進、出風狀態參數

2015年5月30日12：00～15：00對室內降溫蒸發式冷氣機的降溫情況進行測試，其數據處理方法和室外降溫式蒸發式冷氣機相似，將各時刻對應的進風口溫度、相對濕度以及出風口溫度、相對濕度如圖4所示，進風平均濕球溫度與出風平均溫度的關系，可以通過圖5得出。

圖5　進風平均濕球溫度和出風平均溫度

由上圖可以看出，進風干球溫度最大值為33.9℃，最小值為29.7℃，溫度變化范圍29.7～33.9℃。進風相對濕度最大值為44%，最小值為33.4%，相對濕度變化范圍為33.4%～44%。

經過上述圖2和圖4可以看出，進風干球溫度的最大值時刻和進風相對濕度出現最大值和最小值的時刻并不相同，所以對應的驅動力─干、濕球溫差，并不一定出現在干球溫度最大或者相對濕度最小的時刻[6]。經過圖3和圖5可以得出，各機組的進風平均濕球溫度與出風平均溫度之差基本保持恒定，說明機組的降溫效果穩定。但室外降溫式蒸發式冷氣機與室內降溫式蒸發式冷氣機相比進風平均濕球溫度與出風平均溫度之差明顯大得多，主要原因是測試用的室外降溫式蒸發式冷氣機降溫效果較差。

2.3.3室外降溫式蒸發式冷氣機效率情況

上文已闡述，蒸發式冷氣機運用的是直接蒸發冷卻技術，因此，評價其性能優劣的主要是濕球效率，可以表示為進風平均干球溫度和出風平均溫度之差與進風平均干濕球溫度之差的比值，用下式表示[7]。

式中ηDEC─直接蒸發冷卻效率；

tg─進風平均干球溫度，℃；

t1─出風平均溫度，℃；

ts─進風平均濕球溫度，℃。

根據測試結果，將進風、出風參數，以及直接蒸發冷卻效率整理后列在表7中。

表7　進、出風平均參數和效率

圖6　進、出風平均溫度與效率

上圖6為進風平均溫度和出風平均溫度和效率的關系，從圖中可以更直觀的看出每一時間段內機組的平均效率情況。在14：20～14：40段內效率最高為75%，在12：40～13：00內效率最低為68%。進風干濕球溫度與效率變化基本一致，進風干球溫度增加，效率也隨之增加，反之，則減小。

2.3.4室內降溫式蒸發式冷氣機效率情況

圖7　進、出風平均相對參數與效率

室內降溫式蒸發式冷氣機的效率分析和上述室內降溫蒸發式冷氣機一樣，此處將進風、出風參數和直接蒸發冷卻效率列在圖7中。

通過對室外降溫式蒸發式冷氣機和室內降溫式蒸發式冷氣機效率分析，可以得出進風平均干球溫度是直接蒸發冷卻效率的影響因素，可以總結為，進風平均干球溫度越高，直接蒸發冷卻效率越高，反之效率越低。

2.4制冷量分析

根據焓濕圖，可以得出直接蒸發冷卻制冷量計算公式[8]：

式中Q─制冷量，kW；

ρ─西安地區空氣密度，kg/m3，取1.1；

cp─空氣比熱，kJ/（kg·K），取1.01；

V─送風量，m3/h。

由公式（4）可以看出影響制冷量大小的因素空氣密度、空氣比熱、送風量和進出風溫度。本文測試地區為西安地區，因此空氣密度和空氣比熱可以看做定值，所以，送風量和進出溫差成為影響制冷量的主要因素。

室外降溫蒸發式冷氣機和室內降溫蒸發式冷氣機的制冷量從測試時刻開始，分別以20min和30min為界限，取各時間段的平均值，分別見表8和表9。

根據表8和表9可以看出，室外蒸發式冷氣機最大制冷量為5917.6kW，最小制冷量為4801.7kW，室內蒸發式冷氣機最大制冷量為31867.7kW，最小制冷量為28086.8kW。兩者在測試期間制冷量波動幅度很小，說明運行穩定。

3　測試需改進之處

該次測試分兩次進行，室外降溫蒸發式冷氣機測試時間為2015年5月26日，補水采用自來水，但自來水采用人工補水方法，即從離測試地點較遠的地方通過盛水容器將接好的自來水倒入循環水箱，這樣操作存在距離影響水溫的問題，使得水溫有一定誤差。其二，通過測試出風射程及射程范圍的溫濕度可以確定室外降溫蒸發式冷氣機可以放置的位置，但此次測試沒有做具體測試。最后，測試天數較短，沒有對每個檔位的溫降進行逐一測試。

表8　室外降溫蒸發式冷氣機平均制冷量

表9　室內降溫蒸發式冷氣機平均制冷量

室內降溫蒸發式冷氣機測試時間為2015年5月30日，補水采用自動補水裝置，循環水溫測試時，由于機組放置位置陽光直曬，當打開裝置，測試水溫時，陽光照射，會存在一定偏差。在測試時，僅對送風風速進行了測試，缺少室內點的風速。最后，機組“8”個檔位，沒有對每個檔位的溫降進行逐一測試。

總之，不管是蒸發式冷氣機用在室內，還是室外進行降溫，其實際測試要盡量避免一些誤差，這樣才能更好的反應機組的實際效果。

4　結語

（1）在測試條件下，室外降溫式蒸發式冷氣機降溫最大值為10.8℃，其效率最大為75%；室內降溫式蒸發式冷氣機溫降最大值為11.5℃，其效率最大值為95%；

（2）室外降溫蒸發式冷氣機效率低，其主要原因是植物纖維填料淋水不均勻，沒有形成完整的水膜，存在干點。在最大風速條件下，其制冷量與額定制冷量相比較小，其主要原因是機組本身送風量過低造成的。

（3）室內降溫蒸發式冷氣機效率高，其主要原因，測試當天，西安地區干濕球溫差相對較大，植物纖維填料布水均勻，不存在干點，其制冷量與額定制冷量相差不大，其主要原因是在“5”檔運行時，實際送風量與此檔位下對應設計風量接近。

（4）西安地區雖然為中濕度地區，但根據各測試結果，可以得出，5月底開始西安地區室外、室內采用蒸發式冷氣機進行降溫，其整體效果相當不錯，仍能夠滿足溫降要求。

[1]黃翔.空調工程[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]黃翔.蒸發冷卻空調理論與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

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[6]張鑫.《發電廠蒸發冷卻通風空調系統設計規程》中基礎專題研究[D].西安：西安工程大學，2015.

[7]約翰·瓦特，威爾·布朗.蒸發冷卻空調技術手冊[M].黃翔，武俊梅，譯.北京：機械工業出版社，2009.

[8]汪超.直接蒸發冷卻空調制冷量的探討[A].中國制冷學會2009年學術年會論文集[C].2009，1224～1228.

Experimental Analysis of Outdoor and Indoor cooling of Evaporative Air Conditioner in Xi'an

WANG Xing-xing，HUANG Xiang，SHEN Chang-jun，JU Hao-hong，SHE Jian-li
（Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China）

This paper mainly through experimenal test of outdoor cooling of evaporative air conditioner and indoor cooling of evaporative air conditioner in different sites of Xi'an，drawn the both temperature drop and effic-iency of them，the scope of outdoor evaporative air conditioner temperature drop is 8.8～10.8℃，the range of efficie-ncy is 68%～75%，the scope of outdoor evaporative air conditioner temperature drop is 9.4～11.5℃，the range of eff-iency is 84%～95%.And through the processing of measured data，analysis of the possible factors that affect the un-it volume，and the relationship of wet and dry bulb temperature，circulation water temperature with the efficiency，brief analysis of the cooling capacity of two units，and points out where should be improved of this expriement.

evaporative air conditioner；efficiency；temperature drop；expriement

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.014

TU83

B

2095-3429（2015）05-0059-06

陜西省統籌創新工程計劃項目（編號：2011KTCQ01-10）。

王興興（1989-），男，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：蒸發冷卻技術；黃翔（1962-），男，研究生，教授。

2015-09-10

2015-10-10