徐 鵬，馬許仙，段之殷，鄭小兵

（1.北京建筑大學 供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室，北京 100044；2.北京設備安裝公司，北京 100023）

0 引言

蒸發(fā)冷卻技術利用免費的天然“干空氣能”，來制取冷量，具有超高的能源利用效率。但蒸發(fā)冷卻性能受制于空氣狀態(tài)參數等因素，單獨依靠該技術制冷有輸出不穩(wěn)定和單位體積設備制冷能力小等缺點。傳統(tǒng)的機械制冷技術成熟，可以在獲得大冷量的同時保持輸出參數穩(wěn)定易調節(jié)，但能耗較高。將蒸發(fā)冷卻與機械制冷有機結合，可以揚長避短，彌補單一技術的不足，實現2種技術的優(yōu)勢互補。

蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯合使用的最基本的形式如圖1所示。采用2種冷源獨立工作的運行模式：（1）空氣較干燥，適宜發(fā)揮蒸發(fā)冷卻優(yōu)勢的工況，只開啟直接蒸發(fā)冷卻段進行自然冷卻，即可滿足設計要求。待處理空氣經等焓加濕降溫后由風機送入室內；（2）對于影響蒸發(fā)冷卻性能發(fā)揮的高濕空氣工況，關閉蒸發(fā)冷卻段，僅開啟機械制冷方式對空氣進行降溫。上述聯合方式只是把兩套設備簡單整合進了一個殼體里面，二者單獨工作，并沒有發(fā)揮真正意義上的聯合互補作用。

圖1 附加蒸發(fā)式預冷器的機械制冷設備系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of mechanical refrigeration equipment with an additional evaporative pre-cooler

2種技術協(xié)同互補，更有意義的復合形式，一般是以蒸發(fā)冷卻作為機械制冷的前置預冷段的組合式空調機組，也稱裝配式空調機組。機械制冷一般采用內置壓縮機的風冷式直膨系統(tǒng)。在過渡季節(jié)使用蒸發(fā)冷卻作為主要冷源，而在夏季使用機械制冷作為主要冷源，同時使用間接蒸發(fā)冷卻為一次空氣預冷，并將二次空氣作為冷凝器冷卻氣流，即利用蒸發(fā)冷卻器降低風冷冷凝器的冷凝溫度，來提高制冷系統(tǒng)的COP，達到減小壓縮機制冷能耗、提高制冷效率的目的。

1 蒸發(fā)預冷式復合空調系統(tǒng)的研究進展

蒸發(fā)冷卻性能受環(huán)境因素影響很大，具有不穩(wěn)定性且不容易控制；而機械制冷技術恰恰可以彌補這種不足，能精確控制產出空氣的溫濕度。為拓寬蒸發(fā)冷卻技術的應用范圍和提高該技術的節(jié)能潛力，工程上多將二者聯合使用。蒸發(fā)冷卻與機械制冷相結合的空調系統(tǒng)根據冷源可分為兩種形式，一種是在蒸發(fā)冷卻組合式空調機組內增加低溫表冷段， 即在低溫表冷器中通入機械制冷冷水機組制取的低溫冷水處理新風；另一種形式則是在蒸發(fā)冷卻組合式空調機組內增加直接膨脹式空氣冷卻器，即將機械制冷機組的蒸發(fā)冷卻作為組合式空調機組的一段［1］（如圖2所示）。相較而言，與直接膨脹式空氣冷卻器聯用的技術應用更為廣泛，該技術將雙冷源內置，實現了冷源與空調末端的一體化，節(jié)約占地和維護成本［2］。

圖2 蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯合的一體化空調系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of an air conditioner integrated with evaporative pre-cooling and mechanical refrigeration

薛運等［3］提出了一種新型蒸發(fā)冷卻與機械制冷聯合的一體化空調機，通過預測性計算可知在西安地區(qū)若使用此類空調，夏季制冷季至少能夠節(jié)約18%的運行能耗。楊立然等［4］對蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合式機組進行了實際工程測量。干燥地區(qū)采用蒸發(fā)冷卻可基本滿足全年制冷要求；在中等濕度地區(qū)，單級間接蒸發(fā)冷卻可承擔夏季30%的負荷；在高濕度地區(qū)蒸發(fā)冷卻可承擔約15%的負荷。DELFANI等［5］對伊朗4個主要城市采用間接蒸發(fā)冷卻器作為預冷機械冷卻系統(tǒng)進氣的性能進行了測試和評價，結果表明，在制冷季，間接蒸發(fā)冷卻器可提供75%左右的冷負荷，同時機械冷卻系統(tǒng)可減少55%的電能消耗。崔鑫等［6］針對間接蒸發(fā)式換熱器作為預冷裝置與傳統(tǒng)的機械蒸汽壓縮機組相結合的復合系統(tǒng)進行了數值模擬，結果表明，該復合式系統(tǒng)在熱帶高等濕度地區(qū)環(huán)境參數下，不僅可以降低空氣溫度還可以將空氣中的水分冷凝。

我國近年蒸發(fā)冷卻技術發(fā)展迅速，工程應用上已經取得了很大成果［7］，為更全面地評估蒸發(fā)冷卻的性能，CHEN等［8］提出利用?耗散原理作為有效反映蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)性能的指標，將新熱阻定義為水分蒸發(fā)耗散率除以制冷效果輸出率的平方，并對2種典型進行了分析驗證，但缺少統(tǒng)一的測試方法，來評估設備的性能。

隨著蒸發(fā)冷卻技術和產品的推廣應用，相關技術標準也相繼制訂執(zhí)行。1974年，印度頒布了世界上第一個有關蒸發(fā)冷卻空調的標準IS 3315《蒸發(fā)空氣冷卻器》，隨后加拿大、沙特阿拉伯、澳大利亞、美國等國家先后制訂了蒸發(fā)冷卻空調相關標準［9］。我國則是從 JB/T 10294—2001《濕簾降溫裝置》開始，陸續(xù)制訂并施行了一系列各類專門的蒸發(fā)冷卻產品標準和工程技術規(guī)程、規(guī)范，如GB/T 23333—2009《蒸發(fā)式冷風扇》、GB/T 25860—2010《蒸發(fā)式冷氣機》、JB-T 11419-2013《蒸發(fā)式冷凝器冷卻風機技術條件》、GB/T30192—2013《水蒸發(fā)冷卻空調機組》、JB/T 11964-2014《蒸發(fā)冷卻用填料》、JGJ 342-2014《蒸發(fā)冷卻制冷系統(tǒng)工程技術規(guī)程》、JB/T 12323-2015《蒸汽冷卻式冷水（熱泵）一體化機組》、DL/T 5515—2016《發(fā)電廠蒸發(fā)冷卻通風空調系統(tǒng)設計規(guī)程》、T/ZZB 0406—2018《蒸汽冷卻式冷水（熱泵）一體化機組》、T/CECS 646—2019《制冷系統(tǒng)蒸發(fā)式冷凝器循環(huán)冷卻水電化學處理工程技術規(guī)程》、T/DZJN 10—2020《數據中心蒸發(fā)冷卻空調技術規(guī)范》等。

這其中，美國較早重視了蒸發(fā)冷卻在空調領域的應用，美國制冷與暖通工程師學會ASHRAE（American Society of Heating， Refrigerating and Air-conditioning Engineers）專門設立了蒸發(fā)冷卻技術委員會（TC5.7）。ASHRAE制訂了較為完善的蒸發(fā)冷卻產品測試和性能評價標準，被世界各國普遍參照使用。目前執(zhí)行的最新版本分別是ANSI/ASHRAE Standard 133-2015《直接蒸發(fā)空氣冷卻器測試方法》和ANSI/ASHRAE Standard 143-2015《間接蒸發(fā)冷卻器測試評定方法》。這兩份標準，給出了直接蒸發(fā)空氣冷卻器和間接蒸發(fā)空氣冷卻器在單獨運行時，飽和效率、靜壓差、空氣流量、空氣密度和風機轉速等參數的測定方法［10-12］。

基于這兩份基礎測試標準，ASHRA蒸發(fā)冷卻技術委員會于2019年頒布了一項新的標準——ANSI/ASHRA Standard 212-2019 Method of Test for Determining Energy Performance and Water-Use Efficiency of Add-On Evaporative Precoolers for Unitary Air-Conditioning Equipment《附加蒸發(fā)式預冷器的單元式空調設備能效評定和用水效率的測試方法》，為蒸發(fā)冷卻與單元式空調器的組合應用提供了測試技術規(guī)范，為蒸發(fā)冷卻設備的冷卻能力和功耗提供了測試程序和計算方法，并給出了蒸發(fā)式空氣冷卻器作為預冷器時的性能評估方法，可更直觀地評價系統(tǒng)的節(jié)能潛力［13］。以下結合該標準推薦的測試和評價方法進行討論。

2 測試方法

ANSI/ASHRA Standard 212—2019針對用于單元式直膨空調設備風冷冷凝器入口為空氣預冷的蒸發(fā)式預冷器，目的是提供一套測試方法，用以采集性能數據以計算節(jié)能潛力和用水效率，適用于制冷量小于或等于70 kW的單元式直膨空調設備附屬的蒸發(fā)式預冷器。

推薦的測試方法包括一個測量溫度的實驗室測試程序，要求首先分別測得直膨式空調設備和加裝蒸發(fā)式預冷器的復合機組，3個不同的表面風速下的性能系數COP，然后繪制相同室外空氣溫度下COP的性能曲線，用以估算離開蒸發(fā)預冷器的空氣的有效溫度。最后可通過測量進入室外空氣的濕球溫度，計算蒸發(fā)預冷器的蒸發(fā)效率。

此外，該標準還提供了一個計算程序，用于估算測得的蒸發(fā)效率對一般空調器的制冷量、功率和COP的影響，以及一個用于估算所試驗的蒸發(fā)預冷器耗水量的計算程序。據此來計算風冷直膨式空調設備加裝蒸發(fā)式預冷器后的節(jié)能潛力和用水性能。

2.1 測試系統(tǒng)與測量要求

ANSI/ASHRA Standard 212—2019推薦的測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of test system

采用兩室法，在焓差室內進行性能測試。我國標準GB/T 17758—2010單元式空氣調節(jié)機也給出了空氣焓差法相關測量規(guī)定［14］。

試驗共分為三種測試模式：（1）不安裝蒸發(fā)式預冷器的基準模式；（2）蒸發(fā)式預冷器干工況（干預冷器）模式；（3）蒸發(fā)式預冷器濕工況（濕預冷器）模式。

標準給出了各主要參數測量儀器的精度要求和總的誤差允許范圍。要求測量以每10 s或更小的時間間隔進行，并取平均值，這些平均值應以每分鐘或更小的時間間隔記錄。除另有規(guī)定外，所有測量數據應記錄至少保留4位有效數字。

2.2 室外空氣的測量

為了消除測試設備（如：排氣管道系統(tǒng)）對被測設備性能的影響，測試設備應首先在沒有安裝排氣管道的自由空氣中運行，并關閉壓縮機。測試單元通過冷凝盤管的壓差）應通過靜壓測量方法來測量，測試點為室內（室外空氣從室內進入冷凝器）和冷凝盤管出口靜壓室（必須位于風機上游，避免高速和湍流的位置），試驗過程中必須保證壓力測量點保持不變。

基準特性測試條件應控制室外溫度為40.6 ℃，并調節(jié)輔助風機來控制4種不同的恒定質量流量（即迎面風速）：校前的名義迎面風速、迎面風速為1.0 m/s、迎面風速為1.75 m/s、迎面風速為2.5 m/s。壓差的測量與記錄至少保留4位有效數字。

2.2.1 基準設備的氣流阻力

為了能夠評價預冷器對冷凝盤管流量的影響，應該測量以不同表面風速通過冷凝盤管的壓降，以便為冷凝盤管生成系統(tǒng)曲線。測試條件應控制室外溫度為40.6 ℃，并通過調節(jié)輔助風機的轉速（或在排氣管道系統(tǒng)中增加阻力），來控制冷凝器迎面風速分別為 1.00，1.75，2.50 m/s，由噴嘴氣流測量儀測量Δpcoil并進行記錄。

2.2.2 干預冷器的氣流阻力

該模式下的試驗要求設備應先在自由空氣中運行，并安裝預冷器，關閉水泵，但不附加排氣管道，關閉壓縮機。測試單元由冷凝盤管和干預冷器組成，測試方法及測試條件同2.2.1節(jié)，將相應迎面風速下測量的壓差Δpcoil+cooler進行記錄。

2.2.3 濕預冷器的氣流阻力

該模式下的試驗要求設備應先在自由空氣中運行，并安裝預冷器，開啟水泵，但不附加排氣管道，關閉壓縮機。測試單元由冷凝盤管和濕預冷器組成，測試方法及測試條件同2.2.1節(jié)，將相應迎面風速下測量的壓差Δpcoil+cooler進行記錄。

2.2.4 系統(tǒng)曲線

3種模式下分別測得系統(tǒng)曲線：（1）冷凝器盤管；（2）冷凝盤管+干式預冷器；（3）冷凝盤管+濕式預冷器。系統(tǒng)曲線體現了流量與壓降之間的冪次關系，即：

式中 QSCFM—— 流經冷凝器的流量（折算成標準空氣密度1.204 kg/m3時的流量）；

K ——流量系數；

Δp ——壓降，Pa。

2.3 制冷量的測量

制冷量應該在蒸發(fā)器一側進行測量。在所有情況下，無論是否安裝預冷器、蒸發(fā)器和風機，應保證試驗的外部條件（溫度、流量、壓力）穩(wěn)定不變。所有測量都應根據規(guī)定的儀器精度和操作條件進行。標準給出3種測量方法，可選取1種進行測量。

（1）利用一個入口空氣溫度、濕度和流速可調控的空冷式蒸發(fā)器，通過空氣焓值和流速的變化來計算蒸發(fā)器的制冷量。試驗過程中，要求室內氣流參數穩(wěn)定在廠商規(guī)定值。在測量步驟和測試條件的容許范圍內，所有基準和預冷器測試都應保持室內氣流和任何外部靜壓不變。

（2）利用一個進水溫度和流量可調控的水冷式蒸發(fā)器來模擬空冷式蒸發(fā)器，通過流量和溫差來計算制冷量。總制冷量由下式計算：

Cp,l——水的比熱容；

tl,in，tl,out——進、出蒸發(fā)器的水溫。

（3）利用一個入口溫度、濕度和流速可調控的空冷式蒸發(fā)器，通過制冷劑焓值和流量的變化來計算總制冷量。

3 性能測試數據

被測量包括功率和制冷量。每次測試都應待環(huán)境參數穩(wěn)定30 min后進行，以每一個30 min測量周期內測得數據的平均值作為測量結果。

3.1 基準模式

對于未安裝預冷器的基準冷卻設備，在規(guī)定的5種不同室外空氣溫度條件和4種不同迎面風速下完成冷卻設備功率和制冷量的測量。5種不同室外空氣溫度：40.6，35.0，29.4，23.9，18.3 ℃；4 種不同表面速度：校前名義風速1.00，1.75，2.50 m/s。

冷卻設備一旦離開了試驗段，則應重復校前名義風速下的測試。測得的性能系數如果與之前測量的偏差在±3%以內，則可以使用先前結果來進行后續(xù)數據處理。如果任何一項試驗結果的變化幅度超過±3%，則應重新進行所有測量條件下的實驗。

3.2 預冷器干工況

在規(guī)定的室外空氣溫度條件下，測量裝有預冷器但關閉供水的冷卻設備的功率和制冷量，測試期間應考慮預冷器所增加的流動阻力，即應保持前述2.2.2中測得的冷凝盤管壓差Δpcoil+cooler不變。

3.3 預冷器濕工況

在名義迎面風速和4種不同室外溫度條件下，測量裝有并運行預冷器的冷卻設備的功率、制冷量和預冷器補水量。4種不同室外溫度：46.0，40.6，35.0，29.4 ℃。在所有測試期間，應保持與前述2.2.3中測得的壓差Δpcoil+cooler一致。

在室外溫度為40.6 ℃和4種不同迎面風速條件下，測量裝有并運行預冷器的冷卻設備的功率、制冷量和預冷器補水量。4種不同迎面風速：校前名義風速1.00，1.75，2.50 m/s。通過協(xié)同調節(jié)氣流測量裝置上的輔助風機和外部靜壓測點下游的排氣管道的阻尼來獲得需要的風速。記錄每次測試的壓差Δpcoil+cooler和預冷器平均進水壓力。

4 性能參數計算

所有的測試數據都為計算以下性能參數：（1）所有濕工況的蒸發(fā)效率；（2）干工況下預冷器功率、制冷量和能效比COP的影響；（3）所有濕工況的用水效率。

4.1 基準制冷設備特性曲線

在穩(wěn)態(tài)運行條件下，基準設備的COP是關于進口空氣干球溫度的函數，應使用空氣進口干球溫度與設備COP的二階函數來表征。根據上述2.2，2.3節(jié)中測量的冷卻設備功率和制冷量，計算出基準設備的COP，再利用最小二乘法對相應的數據點進行擬合，按下式計算系數aCOP，bCOP，cCOP。

根據式（3）計算并確定系數集及5條性能曲線。5條曲線的試驗條件分別為干工況壓差不變條件下名義迎面風速，和濕工況下4種迎面風速（名義迎面風速，1.0，1.75，2.5 m/ s）?；鶞世鋮s設備在所有測試中均應使用一臺勻速運行的壓縮機和一臺恒定轉速的冷凝器風機。

4.2 蒸發(fā)效率

濕工況下預冷器出口的平均干球溫度等效于基準設備的進口干球溫度，通過求解前述4.1節(jié)中計算的相應基線COP曲線上的溫度點得到。圖4示出了預冷器濕工況下進口干球溫度—基準設備COP的特性曲線。要求所有計算的系數應至少保留5位有效數字。

圖4 預冷器濕工況下進口干球溫度—基準設備COP的特性曲線Fig.4 Characteristic curve of inlet dry-bulb temperature versus baseline equipment COP under wet operating conditions of the precooler

4.3 用水效率

用水效率是預冷器的蒸發(fā)水量占測試期間供應給預冷器的總用水量的百分比。該效率不涉及任何用于循環(huán)系統(tǒng)的維護用水，也不能準確地表示在所有情況下單通道系統(tǒng)的總用水量。

用水效率按下式計算：

利用計算所得的出口干球溫度，按照式（7）計算蒸發(fā)水量：

式中 Wout，Win——進、出預冷器的濕度比；

Qcond—— 通過冷凝器和預冷器的容積流量，根據標準ASHRAE Standard 41.2測量；

vcond—— 計算體積流量時干空氣的比體積。

Wout的計算基于標準濕度關系，將預冷器假定為絕熱，利用等效的預冷器出口干球溫度TDB,eq和預冷器進口濕球溫度TWB來確定含濕量。

4.4 設備性能評價指標

預冷器對設備性能的影響基于在不同工況下測得的蒸發(fā)效率進行評價。而等同于一般設備在19.4 ℃特征室內濕球溫度條件下的性能，則由以下式（8）（9）計算得出。需要注意的是：這個性能曲線不代表任何實際屋頂式空調器，而是描述了一般單壓縮機定速屋頂空調器，在冷凝器風扇定速運行工況下的性能。

式

中 CAPg——預冷器的制冷量；

Pg——預冷器的功耗；

COPg——預冷器的能效比。

可根據上述4.4節(jié)中提出的計算方法計算濕工況下基準設備的功率和制冷量與干球溫度的二階表達式，從而計算評估蒸發(fā)式預冷器在機組中的節(jié)能潛力。在各室外空氣試驗工況下，評估預冷器在各目標試驗工況下的性能，應采用上述通用方程和各工況下實測的蒸發(fā)效率，并通過以下式（11）～（14）計算。

5 結語

作為蒸發(fā)冷卻領域國際認可度非常高的ANSI/ASHRA標準，Standard 212-2019的出臺，對于作為預冷器應用的蒸發(fā)冷卻設備的性能測試程序和計算方法、性能評估方法，以及蒸發(fā)冷卻用水效率等問題做出了集中明確的規(guī)定，使該類產品的技術評價有標準可依，可供我國相關企業(yè)和研究機構借鑒。同時，我們發(fā)現，該標準中尚存在一些錯誤和值得商榷之處，比如標準原文6.3節(jié)中的代數錯誤：5-8（a）用水量，5-9（b）～5-9（d）蒸發(fā)水量，以及6.4節(jié)中平均溫度公式的代數錯誤，6.3節(jié)的拼寫錯誤（psychometric應為psychrometric）等。

在蒸發(fā)式冷卻器中，水質直接影響設備的蒸發(fā)效率和設備運行情況，但該標準并未對循環(huán)水以及補水的水質作明確要求，更沒有涉及水質對預冷器冷卻效率的影響評價。而我國現行相關標準中提出了綜合部分負荷性能系數、單位制冷量冷卻水耗水量以及單位制冷量冷卻水飄水量等評價指標［15-16］，作為補充，可以更全面地對蒸發(fā)冷卻設備的實際運行性能進行評價。但這些評價指標目前尚分散在國內不同級別的相關標準、規(guī)范中。期待在現有的技術和標準基礎上，相關的評價體系和測試方法能盡快經歷實踐檢驗，形成該類產品權威的綜合技術標準。