西安工程大學  賈曼  黃翔  康雅雄  嚴錦程

【摘 要】分析目前常規空調的應用現狀及存在的不足，立足“一帶一路”地區氣候及建筑特點，提出一種可實現通風降溫的被動式蒸發冷卻冷風塔，介紹其工作原理和特點，并對其進行設計與搭建，通過試驗分析其工作性能和今后的改進方向，認為該被動式蒸發冷卻冷風塔在“一帶一路”等地區具有很好的應用前景。

【關鍵詞】一帶一路；被動式蒸發冷卻冷風塔；蒸發冷卻；通風降溫

ABSTRACT：This paper analyzes the current application status of conventional air conditioning and its deficiencies, based on the characteristics of climate and architecture in the area of "the Belt and Road", presents a kind of passive evaporative cooling cold air tower which can realize ventilation cooling, introduces its working principle and characteristics, designs and constructs it, and analyzes its working performance and future improvement direction through test. It is considered that the passive evaporative cooling tower has a good application prospect in the area of "the Belt and Road".

KEY WORDS：the Belt and Road；Passive evaporative cooling cold air tower；Evaporative Cooling；Ventilation cooling

1 緒論

       社會發展的過程中，建筑能源消耗巨大，而在這些建筑能耗中，由暖通空調系統所引起的能源損耗不容小覷^[1]。在這種能源大量消耗的背后，存在著能源大量浪費，不合理化利用等問題。2017年，住建部發布的《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》提出五大任務，其一即因地制宜地擴大可再生能源建筑應用規模，要求暖通的設計重在既能節約能源，又能有效的利用能源，提倡被動優先、主動優化的技術路線，鼓勵推廣應用風能、太陽能、地熱能及空氣能等可再生能源^[2~4]。因此，就當前國家背景而言，尋找替代常規空調的新型降溫模式—利用自然條件的冷卻方式^[5]，成為當前建筑領域研究的熱點，這也是建筑節能、保護地球環境并使之可持續發展的關鍵問題之一。

       習近平總書記提出的“一帶一路”倡議，是中國人民實現中華民族偉大復興的中國夢、推動沿線國家共同發展、促進世界和平的偉大藍圖。“一帶一路”沿線國家多是新興經濟體或發展中國家，且普遍處于經濟發展上升期，對經濟、節能型技術的需求相對較高，然而這些國家的人民大多收入水平低。立足暖通空調行業，針對這些地區的氣候條件，因地制宜，找出一種適合當地氣候，且能有效減少建筑能耗的通風降溫裝置則顯得尤為重要^[6]。

       西安工程大學蒸發冷卻團隊緊跟時代步伐，以國家“一帶一路”倡議為背景，圍繞“一帶一路”沿線國家典型城市（地區）的氣候條件、經濟能源狀況以及“干空氣能”狀況等基本情況，針對蒸發冷卻在“一帶一路”沿線國家的適用性展開了大量的工作，為蒸發冷卻在“一帶一路”沿線國家的應用提供了理論支持。團隊經過多次分析對比工作后，利用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中的典型氣象年逐時氣象參數，按照美國ASHRAE標準中的夏季空調室外設計參數統計方法對“一帶一路”沿線中國地區的蒸發冷卻夏季空調室外設計參數進行了修正，使蒸發冷卻技術應用更加準確合理；分析得出了蒸發冷卻技術可應用于“一帶一路”沿線國家部分典型城市（地區）的具體運行模式以及理論出風（水）溫度；整理了在“一帶一路”沿線國家可應用的蒸發冷卻形式；編制了相關程序，通過軟件查詢與計算使工作更加便捷。通過大量的數據支撐與理論分析，提出只要建筑設計合理，“一帶一路”沿線大部分地區利用蒸發冷卻即可達到要求的室內舒適性，蒸發冷卻具有廣闊的應用前景。

       蒸發冷卻技術主要分為主動式蒸發冷卻技術和被動式蒸發冷卻技術兩方面，本文主要針對應用被動式蒸發冷卻技術的被動式蒸發冷卻冷風塔進行相關理論與試驗研究，對其在“一帶一路”地區的適用性進行探討與分析。

2 被動式蒸發冷卻冷風塔工作原理及特點

       早在幾百年前的中東和中亞的傳統建筑的風塔中，如圖1的伊朗捕風塔，空氣常常通過潮濕的表面或掠過塔底的淺水池蒸發降溫后通過塔上部的迎風開口向下進入室內空間，然后將室內熱空氣通過負壓區排出^[7]。這些風塔就是現代被動式蒸發冷卻冷風塔的原型。

       被動式蒸發冷卻冷風塔應用的是被動式蒸發冷卻下向通風降溫技術（PDEC），指利用水的直接蒸發冷卻對空氣進行降溫，根據熱力學原理，密度大的冷空氣下沉，密度小的熱空氣上升，從而通過重力下沉方式對建筑空間通風降溫的技術。該技術主要是將被動式下向通風降溫技術（PDC）與蒸發冷卻空調技術結合：PDC技術指高空新鮮冷空氣從捕風塔或天井上部進入，由于冷空氣密度大于室內熱空氣密度，冷空氣下沉進入建筑使用空間，并將使用空間的熱空氣上升排出，從而達到通風降溫目的^[8]； 而蒸發冷卻空調技術以水作為冷卻介質，不使用CFCs^[9]，利用干燥空氣可再生能源“干空氣能”，通過水分蒸發吸熱制冷，由空氣和水直接或間接接觸，可制取清潔的冷風或者高溫冷水，對大氣環境無污染，節能減碳。

       被動式蒸發冷卻冷風塔較傳統機械制冷空調相比，施工簡單，造價及運行能耗低，低碳環保，因此應用被動式蒸發冷卻冷風塔解決建筑室內熱環境問題具有非常重要的現實意義。

3 被動式蒸發冷卻冷風塔試驗模型的搭建及測試分析

       3.1 模型搭建

       2017年8月，搭建被動蒸發冷卻冷風塔試驗模型——應用被動蒸發冷卻技術的濕墊（填料）冷風塔，并對其進行測試。被動蒸發冷卻冷風塔試驗模型的構成情況如表1所示，試驗模型實物圖如圖2所示。

       如圖3所示，試驗模型共布置6個溫濕度測點。其中，室外陰涼通風處布置1個測點（測點a）；冷氣機填料后布置1個測點（測點b）；豎向通風腔體內垂直方向上自上而下均勻布置3個測點（測點c~e）；送風口布置1個測點（測點f）。本次試驗中，主要對室外環境空氣溫度、相對濕度及風速，填料后空氣溫度、相對濕度，豎向通風腔體內不同垂直高度的空氣溫度、相對濕度和送風口空氣溫度及相對濕度進行測試，使用的儀器主要有Testo自記儀、卷尺和熱球風速儀。

       3.2 測試分析 

       本次測試主要分為三部分：首先對在自然通風工況下運行的試驗模型進行測試；其次，對自然進風，機械排風工況下運行的試驗模型進行測試；最后，在相同測試條件下，將主動降溫系統運行時的降溫效果分別與在自然通風工況下運行和在自然進風，機械排風工況下運行的被動式蒸發冷卻冷風塔的降溫效果進行對比分析。

       3.2.1 自然通風工況下對被動式蒸發冷卻冷風塔的測試分析

       由圖4、5分析可以看出：在測試時段內，室外空氣干球溫度平均值為38.7℃，室外空氣相對濕度平均值為45.6%，經過填料降溫與通過豎向通風腔體后，空氣干球溫度平均值分別為30.5℃、32.4℃，空氣相對濕度平均值分別為85.2%、81.9%，與室外空氣相比，干球溫度分別降低8.2℃、6.3℃，相對濕度平均值分別增加39.6%、36.3%；直接蒸發冷卻效率為77%左右，如表2所示。

       由圖6、7分析可以看出：在測試時段內，測點b~e的干球溫度平均值分別為30.5℃、30.8℃、31.7℃、32.6℃；測點f與e的干球溫度平均值為32.4℃左右，數值較接近；測點b~f與測點a的干球溫差分別為8.2℃、7.9℃、7.0℃、6.1℃、6.3℃?？梢钥闯?，冷風塔內沿豎向通風腔體自上而下的垂直方向上，干球溫度值呈上升趨勢，這可能是因為通風腔體保溫措施不佳，對試驗模型的降溫效果造成一定影響。豎向通風腔體內的相對濕度比較接近，送風口的相對濕度略低，平均相對濕度為81.9%。

       3.2.2 自然進風，機械排風工況下對被動式蒸發冷卻冷風塔的測試分析

       由圖8、9可以看出：在測試時段內，室外空氣干球溫度平均值為37.9℃，室外空氣相對濕度平均值為52.9%，經過填料降溫與通過豎向通風腔體后，空氣干球溫度平均值分別為30.3℃、29.6℃，空氣相對濕度平均值分別為89.9%、94.7%，與室外空氣相比，干球溫度分別降低7.6℃、8.3℃，相對濕度平均值分別增加37%、41.8%；直接蒸發冷卻效率為86%左右，如表3所示。

       由圖10、11可以看出：在測試時段內，測點b的干球溫度值最高，測點c~f的干球溫度值比較接近，呈緩慢下降趨勢；沿豎向通風腔體自上而下垂直方向上的溫度梯度較自然通風工況下的溫度梯度值減小且較穩定；測點b的相對濕度最低，測點c~f的相對濕度較高，其中測點c、e的相對濕度接近100%。

       3.2.3 相同條件下的主動降溫（機械進風，自然排風）系統的測試分析  

       由圖12、13可以看出：在測試時段內，室外空氣干球溫度平均值為38.6℃，室外空氣相對濕度平均值為51.9%，經過填料降溫與通過豎向通風腔體后，空氣干球溫度平均值分別為31.0℃、29.2℃，空氣相對濕度平均值分別為81.4%、91.5%，與室外空氣相比，干球溫度分別降低7.6℃、9.4℃，相對濕度平均值分別增加29.5%、39.6%，直接蒸發冷卻效率為83%左右，如表4所示。

       由圖14、15可以看出：在測試時段內，測點b的干球溫度值最高，測點c~e的干球溫度平均值為29℃左右，在圖中三條線基本能夠重合；在豎向通風腔體內自上而下沿垂直方向上，僅在距離填料1m的距離內存在明顯的溫度梯度，之后溫度趨于穩定；測點b的相對濕度最低，測點c的相對濕度最高，接近100%，測點c~e的相對濕度接近，但隨著垂直距離的增加，略有下降。

5 結論與展望

       （1）將三種不同工況下的測試情況進行匯總，如表5，可以看出：雖然自然通風工況下運行的被動式蒸發冷卻冷風塔溫降也比較顯著，熱舒適性良好，但與其他兩種形式相對比時，存在風量相對較小且不可控的缺點，而且就具體的建筑規模而言，這種形式更適合于大進深、舒適度要求不高的非居住建筑；自然進風、機械排風工況下運行的被動式蒸發冷卻冷風塔與常規蒸發冷卻通風設備，不管從直接蒸發冷卻效率、填料兩側直接蒸發冷卻段的進出風干球溫差還是送風溫度等多方面對比，前者僅在送風相對濕度上略高于后者，其他情況均較相同。因此，我們可以相信，結合排風設備，處于自然進風、機械排風工況下的被動式蒸發冷卻冷風塔是值得進一步研究與推廣應用的。

       （2）“一帶一路”沿線國家大多屬于沙漠熱帶氣候、大陸性干旱和半干旱氣候等較干燥的氣候條件，干燥地區具有夏季炎熱、空氣干燥、相對濕度低、風疾沙多等顯著的氣候特征，干濕球溫差大，具有豐富的“干空氣能”，是被動式蒸發冷卻技術理想的應用場所，如圖16。不僅如此，除了可以解決室內降溫的問題之外，被動式蒸發冷卻冷風塔還可以對室外空氣中的灰沙及PM2.5等顆粒物進行過濾，提高室內空氣品質，以消耗較少的能源營造一個舒適的室內環境。因此，在“一帶一路”地區應用被動式蒸發冷卻冷風塔，利用該地區豐富的“干空氣能”，可有效地緩解建筑耗能帶來的能源危機，提高經濟性，具有促進人與自然協調發展的社會意義。“一帶一路”沿線國家是被動式蒸發冷卻技術應用的天然場所，相信在不久的將來，在“一帶一路”倡議的引導下，被動式蒸發冷卻技術必將服務于更多沿線國家和地區。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。