被动式蒸发冷却冷风塔在“一带一路”地区的应用研究

西安工程大学  贾曼  黄翔  康雅雄  严锦程

【摘 要】分析目前常规空调的应用现状及存在的不足，立足“一带一路”地区气候及建筑特点，提出一种可实现通风降温的被动式蒸发冷却冷风塔，介绍其工作原理和特点，并对其进行设计与搭建，通过试验分析其工作性能和今后的改进方向，认为该被动式蒸发冷却冷风塔在“一带一路”等地区具有很好的应用前景。

【关键词】一带一路；被动式蒸发冷却冷风塔；蒸发冷却；通风降温

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 绪论

       社会发展的过程中，建筑能源消耗巨大，而在这些建筑能耗中，由暖通空调系统所引起的能源损耗不容小觑^[1]。在这种能源大量消耗的背后，存在着能源大量浪费，不合理化利用等问题。2017年，住建部发布的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》提出五大任务，其一即因地制宜地扩大可再生能源建筑应用规模，要求暖通的设计重在既能节约能源，又能有效的利用能源，提倡被动优先、主动优化的技术路线，鼓励推广应用风能、太阳能、地热能及空气能等可再生能源^[2~4]。因此，就当前国家背景而言，寻找替代常规空调的新型降温模式—利用自然条件的冷却方式^[5]，成为当前建筑领域研究的热点，这也是建筑节能、保护地球环境并使之可持续发展的关键问题之一。

       习近平总书记提出的“一带一路”倡议，是中国人民实现中华民族伟大复兴的中国梦、推动沿线国家共同发展、促进世界和平的伟大蓝图。“一带一路”沿线国家多是新兴经济体或发展中国家，且普遍处于经济发展上升期，对经济、节能型技术的需求相对较高，然而这些国家的人民大多收入水平低。立足暖通空调行业，针对这些地区的气候条件，因地制宜，找出一种适合当地气候，且能有效减少建筑能耗的通风降温装置则显得尤为重要^[6]。

       西安工程大学蒸发冷却团队紧跟时代步伐，以国家“一带一路”倡议为背景，围绕“一带一路”沿线国家典型城市（地区）的气候条件、经济能源状况以及“干空气能”状况等基本情况，针对蒸发冷却在“一带一路”沿线国家的适用性展开了大量的工作，为蒸发冷却在“一带一路”沿线国家的应用提供了理论支持。团队经过多次分析对比工作后，利用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的典型气象年逐时气象参数，按照美国ASHRAE标准中的夏季空调室外设计参数统计方法对“一带一路”沿线中国地区的蒸发冷却夏季空调室外设计参数进行了修正，使蒸发冷却技术应用更加准确合理；分析得出了蒸发冷却技术可应用于“一带一路”沿线国家部分典型城市（地区）的具体运行模式以及理论出风（水）温度；整理了在“一带一路”沿线国家可应用的蒸发冷却形式；编制了相关程序，通过软件查询与计算使工作更加便捷。通过大量的数据支撑与理论分析，提出只要建筑设计合理，“一带一路”沿线大部分地区利用蒸发冷却即可达到要求的室内舒适性，蒸发冷却具有广阔的应用前景。

       蒸发冷却技术主要分为主动式蒸发冷却技术和被动式蒸发冷却技术两方面，本文主要针对应用被动式蒸发冷却技术的被动式蒸发冷却冷风塔进行相关理论与试验研究，对其在“一带一路”地区的适用性进行探讨与分析。

2 被动式蒸发冷却冷风塔工作原理及特点

       早在几百年前的中东和中亚的传统建筑的风塔中，如图1的伊朗捕风塔，空气常常通过潮湿的表面或掠过塔底的浅水池蒸发降温后通过塔上部的迎风开口向下进入室内空间，然后将室内热空气通过负压区排出^[7]。这些风塔就是现代被动式蒸发冷却冷风塔的原型。

       被动式蒸发冷却冷风塔应用的是被动式蒸发冷却下向通风降温技术（PDEC），指利用水的直接蒸发冷却对空气进行降温，根据热力学原理，密度大的冷空气下沉，密度小的热空气上升，从而通过重力下沉方式对建筑空间通风降温的技术。该技术主要是将被动式下向通风降温技术（PDC）与蒸发冷却空调技术结合：PDC技术指高空新鲜冷空气从捕风塔或天井上部进入，由于冷空气密度大于室内热空气密度，冷空气下沉进入建筑使用空间，并将使用空间的热空气上升排出，从而达到通风降温目的^[8]； 而蒸发冷却空调技术以水作为冷却介质，不使用CFCs^[9]，利用干燥空气可再生能源“干空气能”，通过水分蒸发吸热制冷，由空气和水直接或间接接触，可制取清洁的冷风或者高温冷水，对大气环境无污染，节能减碳。

       被动式蒸发冷却冷风塔较传统机械制冷空调相比，施工简单，造价及运行能耗低，低碳环保，因此应用被动式蒸发冷却冷风塔解决建筑室内热环境问题具有非常重要的现实意义。

3 被动式蒸发冷却冷风塔试验模型的搭建及测试分析

       3.1 模型搭建

       2017年8月，搭建被动蒸发冷却冷风塔试验模型——应用被动蒸发冷却技术的湿垫（填料）冷风塔，并对其进行测试。被动蒸发冷却冷风塔试验模型的构成情况如表1所示，试验模型实物图如图2所示。

       如图3所示，试验模型共布置6个温湿度测点。其中，室外阴凉通风处布置1个测点（测点a）；冷气机填料后布置1个测点（测点b）；竖向通风腔体内垂直方向上自上而下均匀布置3个测点（测点c~e）；送风口布置1个测点（测点f）。本次试验中，主要对室外环境空气温度、相对湿度及风速，填料后空气温度、相对湿度，竖向通风腔体内不同垂直高度的空气温度、相对湿度和送风口空气温度及相对湿度进行测试，使用的仪器主要有Testo自记仪、卷尺和热球风速仪。

       3.2 测试分析 

       本次测试主要分为三部分：首先对在自然通风工况下运行的试验模型进行测试；其次，对自然进风，机械排风工况下运行的试验模型进行测试；最后，在相同测试条件下，将主动降温系统运行时的降温效果分别与在自然通风工况下运行和在自然进风，机械排风工况下运行的被动式蒸发冷却冷风塔的降温效果进行对比分析。

       3.2.1 自然通风工况下对被动式蒸发冷却冷风塔的测试分析

       由图4、5分析可以看出：在测试时段内，室外空气干球温度平均值为38.7℃，室外空气相对湿度平均值为45.6%，经过填料降温与通过竖向通风腔体后，空气干球温度平均值分别为30.5℃、32.4℃，空气相对湿度平均值分别为85.2%、81.9%，与室外空气相比，干球温度分别降低8.2℃、6.3℃，相对湿度平均值分别增加39.6%、36.3%；直接蒸发冷却效率为77%左右，如表2所示。

       由图6、7分析可以看出：在测试时段内，测点b~e的干球温度平均值分别为30.5℃、30.8℃、31.7℃、32.6℃；测点f与e的干球温度平均值为32.4℃左右，数值较接近；测点b~f与测点a的干球温差分别为8.2℃、7.9℃、7.0℃、6.1℃、6.3℃。可以看出，冷风塔内沿竖向通风腔体自上而下的垂直方向上，干球温度值呈上升趋势，这可能是因为通风腔体保温措施不佳，对试验模型的降温效果造成一定影响。竖向通风腔体内的相对湿度比较接近，送风口的相对湿度略低，平均相对湿度为81.9%。

       3.2.2 自然进风，机械排风工况下对被动式蒸发冷却冷风塔的测试分析

       由图8、9可以看出：在测试时段内，室外空气干球温度平均值为37.9℃，室外空气相对湿度平均值为52.9%，经过填料降温与通过竖向通风腔体后，空气干球温度平均值分别为30.3℃、29.6℃，空气相对湿度平均值分别为89.9%、94.7%，与室外空气相比，干球温度分别降低7.6℃、8.3℃，相对湿度平均值分别增加37%、41.8%；直接蒸发冷却效率为86%左右，如表3所示。

       由图10、11可以看出：在测试时段内，测点b的干球温度值最高，测点c~f的干球温度值比较接近，呈缓慢下降趋势；沿竖向通风腔体自上而下垂直方向上的温度梯度较自然通风工况下的温度梯度值减小且较稳定；测点b的相对湿度最低，测点c~f的相对湿度较高，其中测点c、e的相对湿度接近100%。

       3.2.3 相同条件下的主动降温（机械进风，自然排风）系统的测试分析  

       由图12、13可以看出：在测试时段内，室外空气干球温度平均值为38.6℃，室外空气相对湿度平均值为51.9%，经过填料降温与通过竖向通风腔体后，空气干球温度平均值分别为31.0℃、29.2℃，空气相对湿度平均值分别为81.4%、91.5%，与室外空气相比，干球温度分别降低7.6℃、9.4℃，相对湿度平均值分别增加29.5%、39.6%，直接蒸发冷却效率为83%左右，如表4所示。

       由图14、15可以看出：在测试时段内，测点b的干球温度值最高，测点c~e的干球温度平均值为29℃左右，在图中三条线基本能够重合；在竖向通风腔体内自上而下沿垂直方向上，仅在距离填料1m的距离内存在明显的温度梯度，之后温度趋于稳定；测点b的相对湿度最低，测点c的相对湿度最高，接近100%，测点c~e的相对湿度接近，但随着垂直距离的增加，略有下降。

5 结论与展望

       （1）将三种不同工况下的测试情况进行汇总，如表5，可以看出：虽然自然通风工况下运行的被动式蒸发冷却冷风塔温降也比较显著，热舒适性良好，但与其他两种形式相对比时，存在风量相对较小且不可控的缺点，而且就具体的建筑规模而言，这种形式更适合于大进深、舒适度要求不高的非居住建筑；自然进风、机械排风工况下运行的被动式蒸发冷却冷风塔与常规蒸发冷却通风设备，不管从直接蒸发冷却效率、填料两侧直接蒸发冷却段的进出风干球温差还是送风温度等多方面对比，前者仅在送风相对湿度上略高于后者，其他情况均较相同。因此，我们可以相信，结合排风设备，处于自然进风、机械排风工况下的被动式蒸发冷却冷风塔是值得进一步研究与推广应用的。

       （2）“一带一路”沿线国家大多属于沙漠热带气候、大陆性干旱和半干旱气候等较干燥的气候条件，干燥地区具有夏季炎热、空气干燥、相对湿度低、风疾沙多等显著的气候特征，干湿球温差大，具有丰富的“干空气能”，是被动式蒸发冷却技术理想的应用场所，如图16。不仅如此，除了可以解决室内降温的问题之外，被动式蒸发冷却冷风塔还可以对室外空气中的灰沙及PM2.5等颗粒物进行过滤，提高室内空气品质，以消耗较少的能源营造一个舒适的室内环境。因此，在“一带一路”地区应用被动式蒸发冷却冷风塔，利用该地区丰富的“干空气能”，可有效地缓解建筑耗能带来的能源危机，提高经济性，具有促进人与自然协调发展的社会意义。“一带一路”沿线国家是被动式蒸发冷却技术应用的天然场所，相信在不久的将来，在“一带一路”倡议的引导下，被动式蒸发冷却技术必将服务于更多沿线国家和地区。

参考文献

       [1] 刘富伟.论述暖通空调系统的节能措施[J].建材与装饰,2018(05):210-21.
       [2] 建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划[J].建筑监督检测与造价,2017,10(01):1-9.
       [3] 习近平.关于《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》的说明[J].商周刊,2015(23):14-19.
       [4] 吴显亭. 绿色债券：绿色金融发展新突破[N]. 金融时报,2015-12-31(007).
       [5] 孟庆林.建筑屋面太阳能被动蒸发冷却研究[J]. 太阳能学报,1996(03):356.
       [6] 陈丽媛.蒸发冷却在“一带一路”沿线国家的适用性研究[D].西安工程大学,2017.
       [7] 邱静.被动复合式下向通风降温技术在建筑中应用的可行性研究[D].华中科技大学,2012.
       [8] 邱静,李保峰.被动式蒸发冷却下向通风降温技术的研究与应用[J].建筑学报,2011(09):29-33.
       [9] 黄翔,刘鸣,于向阳.我国新疆地区蒸发冷却技术应用现状分析[J].制冷与空调,2001(06):33-38.

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。