崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的開發(fā)及應(yīng)用研究

嚴(yán) 政，黃 翔，鞠昊宏，黃華鈴，胡嘉麟

（西安工程大學(xué)，陜西西安 710048）

1 前言

隨著全球變暖和“城市熱島效應(yīng)”問(wèn)題的日益加重，近幾年全國(guó)大部分地區(qū)的平均氣溫均達(dá)到了35 ℃，部分地區(qū)的最高溫度甚至達(dá)到40 ℃以上。有資料顯示，全球變暖會(huì)將進(jìn)一步加強(qiáng)，然而中國(guó)未來(lái)氣候變暖幅度明顯更大，就整體而言，中國(guó)區(qū)域平均地表氣溫將上升 2.7～2.9 ℃［1］，對(duì)于戶外工作者而言，伴隨極端的高溫天氣而來(lái)的是對(duì)人們身體健康甚至是生命安全的威脅，這給我國(guó)所提倡以人為本的可持續(xù)發(fā)展理念相駁，因此，不管是從戶外工作者個(gè)人，還是整個(gè)社會(huì)發(fā)展而言，戶外工作者的降溫問(wèn)題亟待解決。

隨著“十三五”計(jì)劃的推進(jìn)，我國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)在此期間以及未來(lái)要朝著節(jié)能、環(huán)保、安全的制冷方向發(fā)展［2］，蒸發(fā)冷卻就是符合其發(fā)展方向的一種制冷空調(diào)技術(shù)，它不使用壓縮機(jī)，僅有舒配系統(tǒng)耗能，且用水作為制冷劑，因此蒸發(fā)冷卻空調(diào)是一種環(huán)保高效且經(jīng)濟(jì)的冷卻方式；它還具有較低的冷卻設(shè)備成本，能大幅度降低用電量和用電高峰期對(duì)電能的要求，且投資、運(yùn)維費(fèi)用的節(jié)省程度都是傳統(tǒng)的機(jī)械制冷無(wú)法比擬的［3］。蒸發(fā)冷卻技術(shù)可廣泛應(yīng)用于居住建筑和公共建筑中的舒適性冷卻中并可在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域提高工人的舒適性［4］。目前，蒸發(fā)冷卻設(shè)備在戶外已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用。

對(duì)于保障我們出行與安全的交警會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地在戶外工作，他們急需一種適用于夏季戶外的降溫空調(diào)產(chǎn)品。我校與澳藍(lán)實(shí)業(yè)有限公司聯(lián)合開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)，旨在為執(zhí)勤交警在炎炎夏日營(yíng)造一個(gè)相對(duì)舒適的工作環(huán)境。本文對(duì)國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)際應(yīng)用的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)樣機(jī)的開發(fā)及測(cè)試做簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)改進(jìn)前后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)做了對(duì)比分析。

2 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的開發(fā)

2.1 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)冷卻方式的選擇

目前直接蒸發(fā)冷卻形式分為高壓微霧式和滴水填料式2種。筆者在如圖1所示的崗?fù)ど线M(jìn)行試驗(yàn)了高壓微霧式與滴水填料式的降溫效果，測(cè)試結(jié)果如表1所示。交警站臺(tái)是由2個(gè)大小不一的六面柱組成。下面的大柱體的邊長(zhǎng)為1.5 m，小的柱體邊長(zhǎng)為1.2 m，從站臺(tái)底面到頂棚最低處的高為2.55 m。

表1 高壓微霧式和滴水填料式的降溫效果對(duì)比

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究2種直接蒸發(fā)冷卻的降溫效果，從表1中可以看出，采用高壓微霧式能達(dá)到最大溫降幅度為2.3 ℃，而采用滴水填料式能達(dá)到最大的溫降幅度為11.2 ℃。一方面采用滴水填料式的冷卻方式的降溫效果明顯好于采用高壓微霧式所能達(dá)到的降溫效果；另一方面由于采用高壓微霧式的直接蒸發(fā)冷卻相較于滴水填料式的直接蒸發(fā)冷卻更易受橫向氣流的影響，加之由于高壓微霧的噴嘴需要較好的霧化特性才能有利于空氣與水的熱濕交換［5］，且噴嘴長(zhǎng)期暴露在戶外環(huán)境中容易被堵塞等問(wèn)題。因此，最終選取滴水填料式作為崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的冷卻方式。

2.2 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的原理

崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)采用的是滴水填料式的直接蒸發(fā)冷卻，利用噴淋水（循環(huán)水）的噴淋霧化或淋水填料層直接與待處理的室外空氣接觸，由于噴淋水的溫度一般都低于待處理空氣（即新風(fēng)）的溫度，空氣不斷將自身顯熱傳遞給水而得以降溫；與此同時(shí)，部分噴淋水（循環(huán)水）也會(huì)不斷吸收空氣中的熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的水蒸汽隨后被帶入室內(nèi)，于是新風(fēng)即得以降溫，又實(shí)現(xiàn)了加濕，所以這種利用空氣的顯熱換得潛熱的處理過(guò)程，既可稱為空氣的直接蒸發(fā)冷卻，又可稱為空氣的絕熱加濕。待處理空氣通過(guò)直接蒸發(fā)冷卻所實(shí)現(xiàn)的空氣處理過(guò)程為加濕降溫過(guò)程，其極限溫度是空氣的濕球溫度。工作原理如圖1所示［5，6］。

圖1 滴水填料式直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)原理示意

2.3 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的濕球效率

根據(jù)蒸發(fā)冷卻的原理，崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的濕球效率可以通過(guò)下式計(jì)算［7］，即

式中 t1——室外空氣干球溫度，℃

t2——蒸發(fā)式冷氣機(jī)出風(fēng)的干球溫度，℃

ts1——室外空氣的濕球溫度，℃

2.4 影響崗?fù)た照{(diào)降溫效果的因素

為了得到影響崗?fù)た照{(diào)降溫效果的影響因素和了解戶外崗?fù)に惋L(fēng)的特點(diǎn)，筆者在崗?fù)ど鲜褂谜舭l(fā)式冷氣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試期間所用蒸發(fā)式冷氣機(jī)的額定風(fēng)量為6000 m3/h，功率為0.15 kW，冷氣機(jī)的外形尺寸為750 mm×550 mm×130 mm，填料尺寸為675 mm×645 mm×100 mm，出風(fēng)口尺寸為540 mm×540 mm，送風(fēng)口采用的是可以根據(jù)用戶需求任意擺動(dòng)的雙層百葉送風(fēng)口。

經(jīng)過(guò)測(cè)試可得，當(dāng)冷氣機(jī)在2000，4000和6000 m3/h的風(fēng)量條件下運(yùn)行時(shí)其水平射程分別是1.6，2.4，3.0 m ；其所覆蓋的有效面積分別是1.3，2.9，4.9 m2。而交警站臺(tái)（六棱柱面積）的面積為2 m2，因此，使用該蒸發(fā)式冷氣機(jī)送風(fēng)完全可以覆蓋整個(gè)站臺(tái)，但是測(cè)試期間筆者發(fā)現(xiàn)送風(fēng)易被自然風(fēng)和由于周圍環(huán)境擾動(dòng)形成的橫向氣流卷吸帶走。

特殊的使用場(chǎng)合也決定了蒸發(fā)冷卻空調(diào)送風(fēng)受特殊因素的影響，筆者經(jīng)過(guò)前期測(cè)試總結(jié)了影響蒸發(fā)冷卻技術(shù)在戶外降溫效果的影響因素，即戶外環(huán)境與室內(nèi)相比無(wú)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，完全開放；戶外微環(huán)境的送風(fēng)氣流易受外界橫向氣流的干擾；在戶外使用蒸發(fā)冷卻空調(diào)時(shí)太陽(yáng)輻射對(duì)水溫的影響比室內(nèi)大等因素，其主要影響因素是戶外微環(huán)境的送風(fēng)氣流易受外界橫向氣流的干擾。因此，蒸發(fā)冷卻空調(diào)在戶外崗?fù)な褂脮r(shí)要充分考慮自然風(fēng)速場(chǎng)和由于周圍環(huán)境擾動(dòng)形成的風(fēng)速場(chǎng)產(chǎn)生的橫向氣流。

2.5 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)試驗(yàn)樣機(jī)的開發(fā)

根據(jù)前期筆者測(cè)試分析掌握戶外崗?fù)そ禍氐奶攸c(diǎn)以及充分考慮戶外降溫的影響因素，我校與福建澳藍(lán)實(shí)業(yè)有限公司共同研究，最終開發(fā)了崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)，其設(shè)計(jì)性能參數(shù)如表2所示，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)參數(shù)表

圖2 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)結(jié)構(gòu)示意

3 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的應(yīng)用研究

3.1 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)概況

崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)已安裝在西安市臨潼區(qū)某十字路口的交通崗?fù)ど稀Ｔ摻煌◢復(fù)な乔巴A清池與兵馬俑的必經(jīng)之地，因此，過(guò)往車輛眾多，早上 8：00—10：00 以及下午 15：00—18：00為車流量的高峰時(shí)期。由于蒸發(fā)冷卻空調(diào)屬于一種氣象空調(diào)，其溫降效果受到室外氣象條件的制約。由于臨潼夏季炎熱、日照長(zhǎng)、多風(fēng)，且其夏季室外濕球溫度為25.8 ℃，根據(jù)濕球溫度作為單一指標(biāo)進(jìn)行劃分，西安屬于設(shè)計(jì)三區(qū)，即西安屬于蒸發(fā)冷卻技術(shù)的適應(yīng)區(qū)［8］。其夏季室外干球溫度為35.1 ℃［9］，干濕球溫差為9.2 ℃，即崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的制冷驅(qū)動(dòng)式為9.2 ℃。

經(jīng)過(guò)在崗交警的使用之后，就崗?fù)た照{(diào)的實(shí)際使用效果，筆者以詢問(wèn)和問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)在崗交警的感受進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，在使用中主要出現(xiàn)了以下3個(gè)方面的問(wèn)題：風(fēng)口百葉不能很好地將處理后的空氣進(jìn)行散流，造成工作區(qū)只有局部涼爽的問(wèn)題；風(fēng)口安裝高度較低，直吹時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有不適感產(chǎn)生；以及感覺風(fēng)量較小，造成整個(gè)崗?fù)そ禍夭痪膯?wèn)題。

針對(duì)崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)試運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題，我們與福建某實(shí)業(yè)股份有限公司相關(guān)的技術(shù)人員進(jìn)行了交流溝通。最終提出的改進(jìn)方案是將原來(lái)的百葉送風(fēng)口改為球形射流風(fēng)口，選擇更大型號(hào)的風(fēng)機(jī)，將原來(lái)的變風(fēng)量的風(fēng)機(jī)改為定風(fēng)量以及由于風(fēng)機(jī)和風(fēng)口的改變也導(dǎo)致崗?fù)た照{(diào)的外形尺寸和送風(fēng)管也做了相應(yīng)的改變，改變前后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前、后崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)結(jié)構(gòu)示意

3.2 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的應(yīng)用測(cè)試過(guò)程

2016年7月13日至7月23日，筆者對(duì)崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)進(jìn)行了測(cè)試，其中有5天的陰雨天，因此有效測(cè)試日為6天。7月19日為全測(cè)試時(shí)段在高檔位下運(yùn)行的情況，7月20日為全測(cè)試時(shí)段在中檔位運(yùn)行的情況，7月21日為全測(cè)試時(shí)段在低檔位的運(yùn)行情況；在這 3天的測(cè)試中，中午的 12：30、13：00和 13：20時(shí)循環(huán)水箱中的儲(chǔ)水量到達(dá)最低水位線，因此分別在以上3個(gè)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)水將循環(huán)水箱加滿。

3.3 數(shù)據(jù)整理及分析

在開始測(cè)試前布好測(cè)點(diǎn)并讓?shí)復(fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)預(yù)冷10 min，待機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定后開始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)即表中12：00為測(cè)試正式開始的時(shí)間。其測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同檔位運(yùn)行時(shí)各參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

圖4 不同檔位的濕球效率統(tǒng)計(jì)情況

通過(guò)崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)分別在高、中、低檔位運(yùn)行時(shí)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況可以看出，如表3所示，崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)在運(yùn)行過(guò)程中溫降效果明顯，最高溫降能達(dá)到11.6 ℃，最低溫降能達(dá)到5.2 ℃，高、中、低三擋聯(lián)合運(yùn)行能達(dá)到的平均溫降能達(dá)到8.9℃，經(jīng)測(cè)試崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)送風(fēng)氣流能保證執(zhí)勤交警工作區(qū)域的溫度在24 ℃～28 ℃范圍內(nèi)變化，即崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)能為執(zhí)勤交警創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)舒適的工作環(huán)境。通過(guò)崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)分別在高、中、低檔位運(yùn)行時(shí)的濕球效率變化可以看出，如圖4所示，在高檔位下運(yùn)行時(shí)，崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的濕球效率波動(dòng)不大，平均濕球效率為70%；在中檔位和低檔位下運(yùn)行時(shí)，崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的濕球效率波動(dòng)較大，中檔位平均濕球效率為75%；在低檔位運(yùn)行時(shí)的平均濕球效率為74%。高、中、低檔位聯(lián)合運(yùn)行時(shí)該樣機(jī)的平均濕球效率為75.4%，其平均濕球效率在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（75%～80%），即崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的濕球效率滿足設(shè)計(jì)要求。在高檔位運(yùn)行時(shí)崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的濕球效率比中檔位和低檔位運(yùn)行時(shí)的效率要低，使得空氣與濕簾接觸的時(shí)間變短，從而使得高檔時(shí)的濕球效率低于中檔和低檔。

通過(guò)對(duì)樣機(jī)在高、中、低3個(gè)檔位下運(yùn)行時(shí)的水位等數(shù)據(jù)的測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的樣機(jī)在高、中、低檔位運(yùn)行時(shí)的耗水量分別為4.2，3.3和2.6 kg/h。

圖5 崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)不同檔位耗水量

3.4 橫向氣流對(duì)溫度場(chǎng)的影響分析

崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的額定風(fēng)量為4000 m3/h，送風(fēng)口的平均出風(fēng)速度為4.0 m/s，測(cè)試期間周圍環(huán)境的氣流風(fēng)速最高變化范圍在2.3～3.5 m/s之間。由于崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)采用上送風(fēng)的方式，因此，氣流在送風(fēng)方向上的衰減比較明顯，且送風(fēng)氣流易受橫向氣流的影響，從而產(chǎn)生冷熱摻混的現(xiàn)象，影響降溫效果。

由于改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)還處于設(shè)備組裝階段，因此只能在實(shí)驗(yàn)室搭建的試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)所采用的球形射流風(fēng)口進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，該試驗(yàn)臺(tái)的額定風(fēng)量為4000 m3/h。在沒(méi)有橫向氣流干擾的情況下，測(cè)得球型射流風(fēng)口的射流長(zhǎng)度可以達(dá)到2.5 m左右；用一臺(tái)風(fēng)量為10000 m3/h，風(fēng)速為4 m/s的冷氣機(jī)模擬單一固定風(fēng)量的橫向氣流，試驗(yàn)結(jié)果顯示該球形噴射口的射流長(zhǎng)度可以達(dá)到1.5 m左右。送風(fēng)完全可以覆蓋崗?fù)さ恼九_(tái)。

4 改進(jìn)前后崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的對(duì)比分析

改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)采用的是球形噴口送風(fēng)。由于其具有送風(fēng)速度高、射程遠(yuǎn)，射流可以帶動(dòng)周圍空氣進(jìn)行強(qiáng)烈地混合，從而使空調(diào)區(qū)獲得較為均勻的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的特點(diǎn)［10］，以及測(cè)試結(jié)果表明采用球型噴口送風(fēng)口的改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的射流區(qū)域較改進(jìn)前采用雙層百葉送風(fēng)口的射流區(qū)域大，橫向氣流影響的效果不明顯，且送風(fēng)氣流與周圍環(huán)境氣流冷熱摻混的現(xiàn)象沒(méi)有改進(jìn)前嚴(yán)重，這樣使工作區(qū)域能有較強(qiáng)的吹風(fēng)感。該球形射流風(fēng)口可以根據(jù)使用者的實(shí)際降溫需要手動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)方向，相較于改進(jìn)前采用的雙層百葉送風(fēng)口省去了控制百葉擺動(dòng)的電機(jī)和安裝于風(fēng)口上面的控制面板，使得改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的控制操作更加簡(jiǎn)便，使用球型噴口送風(fēng)的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)使得送風(fēng)管道更短，這樣經(jīng)過(guò)空調(diào)制取的冷風(fēng)在送風(fēng)管道內(nèi)所受到的流動(dòng)阻力會(huì)更小，在空氣的舒配上的耗能也相對(duì)于改進(jìn)前小。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

由崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的基本參數(shù)計(jì)算可得該交通崗?fù)び谜舭l(fā)冷氣機(jī)的耗電情況如表4所示。表4計(jì)算條件為：每天開啟時(shí)間9：00-17：00（共計(jì)8 h），一年使用3個(gè)月（共90天），電價(jià)0.5元/（kW·h）。

表4 崗?fù)び美鋮s空調(diào)的耗電量及運(yùn)行費(fèi)用情況

崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的年運(yùn)行費(fèi)用在21.6～43.2元之間，這與常用的白熾燈耗電大體相當(dāng)，因此，崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用是較為節(jié)省的，節(jié)能潛力巨大。由于改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)處于設(shè)備組裝階段，詳細(xì)參數(shù)還未公開，因此，改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用無(wú)法計(jì)算。

6 結(jié)論

為解決夏季高溫天氣在戶外工作的交警同志降溫問(wèn)題，我們開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)，經(jīng)過(guò)測(cè)試研究，其樣機(jī)的溫降范圍為5.2～11.6℃，樣機(jī)的溫降效果明顯，能夠滿足在崗交警對(duì)于降溫的需求。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示樣機(jī)在高、中、低檔位運(yùn)行時(shí)的耗水量分別為4.2，3.3和2.6 kg/h；在高、中、低檔位運(yùn)行時(shí)的平均濕球效率分別70%、75%、74%，高、中、低檔位聯(lián)合運(yùn)行時(shí)該樣機(jī)的平均濕球效率為75.4%。改進(jìn)后的崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)較改進(jìn)前受橫向氣流的影響更小，且射流覆蓋面積更大，能保證在崗交警工作區(qū)域由較強(qiáng)的吹風(fēng)感。

在全球變暖趨勢(shì)以及城市熱島效應(yīng)的影響下，崗?fù)び谜舭l(fā)冷卻空調(diào)的開發(fā)與使用更具現(xiàn)實(shí)意義，因此在我國(guó)干燥地區(qū)以及中等濕度地區(qū)的應(yīng)用值得進(jìn)一步推廣。

［1］ 姜大膀，富元海.2℃全球變暖背景下中國(guó)未來(lái)氣候變化預(yù)估［J］.大氣科學(xué)，2012（2）：234-246.

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