蒸發式冷氣機在西安某高校食堂的應用

杜 鴻 強天偉 徐宏錦

（西安工程大學 西安 710048）

0 引言

隨著社會經濟的發展，建筑能耗的占比較大，一些發達國家的建筑能耗達到了所有總能耗的30%～40%，而暖通空調占比大約占全國總能耗的22.75%左右[1]。如果能夠采取相應的措施來減少空調能耗，將會減輕國家的能源壓力。傳統機械制冷空調具有初投資大、運行費用高等特點，導致能源消耗大，因此對蒸發冷卻空調的研究與應用就顯得尤為重要[2,3]，而目前，蒸發冷卻設備廣泛出現在全球很多干燥的國家和地區，應用于大型工廠、倉庫、商場等住所[4]。

目前，高校食堂常用的通風降溫系統有兩種：第一種是采用自然通風或是與機械通風相結合的方式；第二種是采用機械制冷空調系統進行降溫。自然通風加機械排風投資低，但效果并不理想。而如果采用機械降溫，初投資和運行費用較高并且新風量不足。研究表明，在炎熱的夏季，高溫會造成人體內的消化液分泌減少，使就餐人員出現食欲下降，精神狀況差[5]。因此，高校食堂的通風降溫系統需要保證室內人均所需的新風量和舒適的室內空氣環境。

本文通過對西安某高校食堂進行蒸發式冷氣機系統通風降溫系統設計，并對其降溫效果進行實測與理論分析，指出了其中存在的問題，為蒸發式冷氣機系統在高校食堂的應用提供了設計和運行依據。

1 蒸發式冷氣機工作原理

直接蒸發冷卻技術應用最廣泛的就是蒸發式冷氣機，其主要是由蒸發風機、蒸發冷卻填料、水泵、噴淋水系統、控制系統以及外殼組成。其工作過程為給水泵將水輸送到噴淋系統中，由噴嘴將水均勻地噴灑在蒸發冷卻填料上，此時室外空氣由風機輸送到填料處，并在填料層中與水進行熱濕交換，最終將被冷卻的室外空氣送入室內[6]。蒸發式冷氣機實物圖如圖1所示。

圖1 蒸發式冷氣機實物圖Fig.1 Physical picture of evaporative air conditioner

蒸發式冷氣機的空氣處理過程焓濕圖如圖2所示。

圖2 蒸發式冷氣機空氣處理i-d 圖Fig.2 Evaporative air conditioner air treatment i-d diagram

由于水與空氣接觸蒸發并在該過程中進行熱濕交換吸收空氣中的顯熱，空氣的溫度被處理到接近室外空氣的濕球溫度，然后送入室內與室內空氣進行熱濕交換并將室內空氣降低至設計溫度。其中，W 點表示室外狀態點，O 點表示送風狀態點，ts是室外狀態點為W 點時的空氣濕球溫度。

2 系統方案設計

2.1 工程概況

本項目位于陜西省西安市長安區，該建筑為一層大空間房間，分為東側餐廳和西側的浴室，四周墻體主要為磚混結構，屋頂也為磚混結構，保溫效果較好。外窗為塑鋼單層玻璃窗，大門為普通單層玻璃門，其在用餐時間（中午11:30～13:30）常開。該餐廳長42m，寬25m，高4m，主要分為就餐區域、操作區域以及洗消間與倉儲衛生區域，其中就餐區域南北長度為15m，操作區域長度為10m。圖3 為該食堂建筑平面圖。

圖3 食堂建筑平面圖Fig.3 Canteen building plan

2.2 方案設計

用冷負荷系數法對本項目夏季冷負荷進行計算，通過圍護結構進入該餐廳室內的熱量和用餐高峰期時室內人員的散熱量是該餐廳最主要的冷負荷[7]，本項目建筑負荷的計算結果，結果如表1所示，設計的方案為采用蒸發式冷氣機直接噴出、氣流組織為直進直出（北進南出）全面通風降溫的方案。

表1 冷負荷計算結果Table 1 Cooling load calculation result

由表1 的結果可以看出，該食堂一天中的最大冷負荷值出現在中午12:00，最大的冷負荷值為126.47kW。

式中，L為蒸發式冷氣機的實際送風量，m3/h；Q為室內的冷負荷，kW；ρ為系統出風口的空氣密度；Cp為空氣比熱；tn為室內設計溫度。

根據公式（1）計算得出，蒸發式冷氣機系統需要的總送風量為119559.13m3/h，機械排風量為送風量的80%，因此機械排風量應不小于95647.2m3/h。因此選擇18000 風量的蒸發式冷氣機7 臺、22000 風量的排風機5 臺，其設備選型參數如表2所示。

表2 蒸發式冷氣機系統設備參數表Table 2 Evaporative air conditioner system equipment parameter table

3 能耗與技術經濟性分析

3.1 能耗分析

本項目食堂位于陜西省西安市長安區，根據項目的建筑圍護情況以及室內熱環境特點，選取蒸發式冷氣機系統進行室內的通風降溫，而目前高校食堂內大多采用柜式空調進行降溫，因此本文選取了柜式空調進行備選。

通風降溫系統總能耗為設備功率乘以設備的全年運行時間，蒸發式冷氣機系統的耗能設備為蒸發式冷氣機以及排風機，系統能耗計算結果如表3所示。

表3 蒸發式冷氣機系統能耗統計Table 3 Energy consumption statistics of evaporative air conditioner system

采用傳統的柜式空調器系統，則系統具體能耗計算結果如表4所示。

表4 柜式空調器系統能耗統計Table 4 Energy consumption statistics of cabinet air conditioner system

由表3、4 可知，柜式空調器系統的全年能耗為12349.2kWh，而蒸發式冷氣機系統的全年能耗為3739.2kWh，為柜式空調器系統的69.7%，節能效果顯著。

3.2 經濟計算分析

對于此項目，兩種通風降溫方案都是可行的，但是在經濟性方面存在很大的差異，而經濟因素往往決定著此方案是否可行，因此以下主要就初投資、年運行費用兩方面，選擇壽命周期為10年進行了總費用的統計，結果[8]如表5所示。

表5 兩種通風降溫系統總投資費用統計Table 5 Statistics of total investment cost of two ventilation cooling systems

從表5 可以看出，柜式空調器系統和蒸發式冷氣機分別在其10年的壽命周期內，總投資費用為197206 元和104334 元，相較于柜式空調器，蒸發式冷氣機系統節約了92872 元，節約成本大約為柜式空調器的一半，因此，從經濟性來看，蒸發式冷氣機較好。

4 數據測試及分析

4.1 測試方案

本次項目測試日期為2019年8月26日到8月31日，選取晴天進行測試，測試儀器為德國testo-410 多功能風速儀，主要測試參數為溫度、濕度和風速，溫度精度及其測試范圍分別為±0.5℃、-10℃～+50℃，濕度精度及其范圍分別為±2.5%RH、0%～100%RH，風速精度及其測試范圍分別為±0.2m/s、0.4～20m/s。測試時間段為11:00～13:00，此時間段就餐人數較多，室內熱濕負荷較大。本次測點共設10 個點，測點1 為室外測點，測點2～10 為室內測點。考慮到就餐人員身體主干的高度，根據GB/T5701-2008《室內熱環境條件》對測點的要求[9]，室內測點高度選定為坐姿時1.1m，在南北方向，第一排測點（2、3、4）距離北墻1 米，并且南北向三排測點之間兩兩相距7 米；在東西方向，第一列測點（2、5、8）距離東墻5米，并且東西向三列測點之間兩兩相距16 米。室外測點高度選取為站姿時1.7m，距離東墻向外2米。每個測點的測試時間為3 分鐘，測點布置如圖4所示。

圖4 食堂測點布置圖Fig.4 Canteen measuring point layout

4.2 測試結果與分析

影響人體熱舒適性的因素有溫度、相對濕度、風速以及熱輻射量等，本文將選用2019年8月29日時食堂的空氣溫度、相對濕度數據進行采集并分析。其中，在11:00 時蒸發式冷氣機未開啟，11:30時處于剛開啟狀態。

從圖5 可以看出，在測試期間（11:30～13:00），該食堂就餐區域的溫度變化范圍為26.1 ℃～28.5℃。從東西方向來看，測點2 處平均溫度最高，為27.9℃，同時測點5、測點8 處的平均溫度均高于同時處西側測點的溫度，主要原因是2、5、8 測點處于東側區域，冷負荷較大；在南北方向，第一排測點（2、3、4）存在著送風盲區，因此其溫度比后兩排的溫度略高，而第三排測點（8、9、10）因為靠近操作間，熱負荷較大，同時冷風隨著吹風距離的增加，冷量存在著衰減現象，因此，其溫度也較第二排高。

圖5 就餐區域溫度測試結果圖Fig.5 Temperature test results of dining area

從圖6 可以看出，在測試期間，該食堂此就餐區域內最大的相對濕度值是測點6 處的89.8%，最小值是測點2 處的67.8%。從南北方向來看，第一排測點（2、3、4）值較小，分析其原因為，測點處于送風口的下方，冷風不能送達，而第三排測點的值卻明顯高于前面兩排，其原因為，操作間區域有一道玻璃隔板阻擋，排風不順暢導致其排風滯留而引起的；在東西方向，在東側的測點值較小，主要是因為東側靠近大門，空氣易于外界空氣交換導致，同時還有一部分空氣通過走廊流動到后門并排出。

圖6 就餐區域相對濕度測試結果圖Fig.6 Relative humidity test results in the dining area

表6 體現了該食堂就餐區域室內空氣溫度和相對濕度隨著測試時間的變化而產生的變化，其室內平均溫度和相對濕度的值分別取同時刻測點2～10 溫度和相對濕度的算術平均值。

表6 就餐區域溫度和相對濕度平均值Table 6 Average value of temperature and relative humidity in dining area

由表6 可以看出，在未開啟蒸發式冷氣機之前，就餐區域的平均溫度在28.1℃，平均相對濕度為56.8%，11:30 處于剛開啟狀態，室內平均溫度為27.3℃，未達到穩定狀態，在開啟一段時間后，溫度逐漸穩定在26.7℃左右，表明了蒸發式冷氣機在對該食堂降溫有一定的效果；而平均相對濕度在11:30 處于剛開啟的狀態時，室內的相對濕度值達到了77.1%，在開啟一段時間后，就餐區域的相對濕度逐漸穩定在84%左右，此時室內濕度較大，將會影響人體表面的汗液蒸發，進而影響人體舒適度。

5 結論

通過對西安高校食堂的實地調研以及通風降溫系統設計，并與傳統的柜式空調進行能耗與經濟性分析，結果表明蒸發式冷氣機系統有良好的節能與經濟性；分別采集其運行時的參數并進行了分析，蒸發式冷氣機系統在高校食堂中對于降溫有一定的效果，也能較好改善空氣品質，但采用此系統，空氣中相對濕度值較高，會影響人體舒適感，對于控制濕度有一定的局限性。