直接与露点间接蒸发冷却空调技术在我国的地区适用性研究

作者：刘艳峰李娟王莹莹周勇

单位：西安建筑科技大学

摘要：为探究蒸发冷却空调技术在我国的适用情况,基于直接和露点间接蒸发冷却的不同极限温度,根据蒸发冷却驱动势、使用蒸发冷却降低冷却需求的潜力和所需空调制冷时长,提出了直接和露点间接蒸发冷却系统的冷却潜力指标和空调需用时长指标,通过k-means聚类算法统计分析了我国270个气象台站典型气象年的指标参数。得到了蒸发冷却空调技术在我国的适用区域,并对其适用特点进行了分析,为蒸发冷却空调系统的推广及设计初期系统形式的选取提供理论依据。

关键词：直接蒸发冷却露点间接蒸发冷却冷却潜力 k-means聚类适用区域

0 引言

　　蒸发冷却技术因其节能环保的特性得到广泛应用 ^[1],以直接和间接蒸发的形式实现空气调节,其效率主要受室外温湿度影响 ^[2]。我国地域经纬跨度大,气候差异显著,因此蒸发冷却在不同地区的适宜性各有不同。

　　现有蒸发冷却技术的适用性研究,主要利用不同指标参数在焓湿图上建立区域模型,结合具体地区室外气象参数进行分析。早期学者在焓湿图上以指定的室内或室外 ^[3]设计状态点为单基点,通过比较各地区室外气象参数与基点参数的关系确定蒸发冷却适用区域:陈沛霖 ^[4]、颜苏芊等人 ^[5]以室内设计状态点的含湿量和比焓为指标;花严红等人以室内设计状态点的干球温度与含湿量为指标 ^[6]。单基点指标划分方便快捷,但未考虑热湿比,不能精确反映空气处理过程,为此有学者利用室内设计状态点和送风状态点双基点进行判断 ^[7,8]。但是仅考虑气候条件,忽略地区空调需用时长,会导致局部气候潜力大但空调需用时长短的地区被划入高适用区,造成机组长期闲置、投资浪费,因此Huang等人 ^[9]和Aparicio-Ruiz等人 ^[10]提出将室外干湿球温度差、26 ℃与湿球温度之差和冷却度小时数作为技术适用性区划指标。

　　以上方法指标中,室外空气湿球温度为传统直接蒸发冷却的理论极限温度。但是随着技术发展,露点间接蒸发作为间接蒸发的优化技术,其理论极限温度可低至室外空气的露点温度 ^[11],具有更大的节能潜力。露点间接蒸发可较大程度克服空气湿度大、温降有限等问题 ^[12],近年来,其结构性能不断得到优化 ^[13],但对于直接与露点间接蒸发的气候适用性,鲜有学者将其对比研究。故而,本文通过直接蒸发和露点间接蒸发的冷却潜力对比,研究我国蒸发冷却技术的适用性。

　　通过k-means聚类算法划分蒸发冷却技术适用区域,并利用焓湿图对各区的适用空调技术形式进行判别。本文对直接蒸发冷却与露点间接蒸发冷却空调技术的适用性做了全国范围的对比分析,旨在为蒸发冷却空调技术的其他相关研究提供理论支撑。

1 蒸发冷却技术适用区域划分方法

1.1 数据来源及处理

　　本文使用《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 ^[14],数据具有长期、平均的特点,对各地区的气候有一定代表性。该数据集包含我国270个地面气象台站的数据,气象台站分布情况如图1所示。

　　图1 我国气象台站分布

　　利用典型气象年逐时气象数据中干球温度不低于26 ℃所有时刻的累计小时数作为该地区理论“空调需用小时数”,表征该地区夏季空调理论需用时长。根据基础温度26 ℃,将270个气象台站典型气象年的逐时参数进行预处理,为剔除理论非需用空调时刻参数的影响,提取室外干球温度不低于26 ℃所对应时刻的所有设计参数作为本研究的基础数据。本文聚类所用温度参数为各地全年高于26 ℃所对应的参数平均值。

1.2 区域划分指标

　　基于3个特征:蒸发冷却驱动势、使用蒸发冷却降低冷却需求的可能性和所需空调制冷时长。干球温度与理论送风极限温度之差为蒸发冷却第一潜能,室内设计干球温度与理论送风极限温度之差为蒸发冷却第二潜能,空调需用小时数表征需用空调时长。

1.3 k-means聚类

　　本文借助SPSS软件,利用k-means聚类算法,将270个气象台站的指标参数划分成人为设置的类别数目,分类指标、类别划分及判断指标如下。

　　分类指标:直接蒸发冷却潜力的分类指标是室外干球温度t_o与室外湿球温度t_w之差(t_o-t_w)和室内设计温度(26 ℃)与室外湿球温度t_w之差(26 ℃-t_w);露点间接蒸发冷却潜力的分类指标是室外干球温度t_o与室外露点温度t_d之差(t_o-t_d)和室内设计温度(26 ℃)与室外露点温度t_d之差(26 ℃-t_d);空调需用时长的分类指标是空调需用小时数。

　　类别划分:k-means聚类算法针对指标数据,先创建一个初始划分,然后采用迭代重新定位,通过样本在类别间移动改进聚类簇,最后通过聚类准则结束移动并判定结果的好坏 ^[15],按照气候条件相似性将我国地区聚集为若干类,简单、快速地实现蒸发冷却空调技术适用地区的梯级划分。对直接蒸发冷却潜力的指标参数(t_o-t_w)和(26 ℃-t_w)进行双因素共同聚类;对露点间接蒸发冷却潜力的指标参数(t_o-t_d)和(26 ℃-t_d)进行双因素共同聚类;对空调需用小时数单独聚类。

　　判断指标:k-means聚类算法的判断指标是数据样本之间的欧氏距离。k-means聚类算法 ^[16]以欧氏距离作为相似性和距离判断准则,k类内各点到聚类中心的距离平方和J(c_k)为

　　 $J (c_{k}) = \sum_{x_{i} \in c_{k}} ∥ x_{i} - μ_{k} ∥^{2} (1)$

　　式中 c_k为划分的类别;x_i为给定数量和维数数据集中的数值;μ_k为每个类的类别中心。

　　聚类目标是使各类总的距离平方和J(C)最小:

　　 $J (C) = \sum J (c_{k}) (2)$

　　 k-means聚类算法的输入是聚类个数为k,大小为n的样本集,输出为满足方差最小的k个样本集中点聚成的类,满足同一类中的样本相似度较高,而不同聚类中的样本相似度较低,算法步骤如下 ^[17]:

　　 1) 从维度空间任意选择k个点作为初始聚类中心。

　　 2) 根据每个聚类样本的特征值,计算每个样本与这些中心点的距离,并根据最小距离重新划分样本点所属类。

　　 3) 重新计算每个类的均值作为新的类中心。

　　 4) 计算测度函数,当满足一定条件(如函数收敛)则算法终止,如果条件不满足则回到步骤2)。

　　利用k-means聚类算法可得到指标参数在我国各地区的分布情况,各分布图是我国270个气象台站典型气象年干球温度不低于26 ℃时刻对应参数条件下的自然分布。

2 直接蒸发冷却与露点间接蒸发冷却潜力对比

2.1 基础数据处理结果

　　基础数据处理结果显示,11个气象台站的室外干球温度全年皆低于26 ℃,分别为甘肃的乌鞘岭,青海的刚察、兴海、托托河、曲麻菜、玛多、达日、囊谦,云南的德钦,四川的红原、理塘。总体可见青海省大部分地区无空调需求,以上地区在本文中定义为非空调区。

2.2 直接蒸发冷却适用潜力

　　 (t_o-t_w)和(26 ℃-t_w)表征直接蒸发的冷却潜能,其参数分别利用k-means聚类算法所得区域分布如图2a,b所示,双参数共同聚类所得直接蒸发冷却潜力分布结果如图2c所示。图2a仅显示干湿球温差的分布情况,各区域数值范围为:Ⅰ区12.4～17.9 ℃;Ⅱ区9.1～12.2 ℃;Ⅲ区6.1～9.0 ℃;Ⅳ区2.4～6.0 ℃;Ⅴ区全年气温皆低于26 ℃,为非空调区。图2b仅显示室内设计温度26 ℃与湿球温度差值的分布情况,各区域数值范围为:Ⅰ区11.3～16.2 ℃;Ⅱ区7.8～11.2 ℃;Ⅲ区3.9～7.7 ℃;Ⅳ区0.2～3.8 ℃;Ⅴ区为非空调区。图2c显示了直接蒸发冷却技术综合潜力分布情况,各区域特征如表1所示。

　　图2 直接蒸发冷却技术潜力分布

　　表1 直接蒸发冷却空调技术适用区域分布及特点

	主要地区	(t_o-t_w)/(26 ℃-t_w)/℃	经度/纬度/(°)	区域特点
Ⅰ区	内蒙古西部、新疆北部、青海北部、甘肃北部、西藏	12.1～17.9/9.7～16.2	82.72～114.95/26.87～46.98	潜力最大,适用性最佳
Ⅱ区	新疆中西部、甘肃南部、内蒙古东部、宁夏、山西、陕西、云南西部	9.3～13.5/7.0～10.5	75.98～121.92/23.88～50.48	潜力较大,适用性较好
Ⅲ区	黑龙江、吉林、辽宁、河北、云南东部、贵州、北京	6.0～10.0/3.5～7.6	98.50～131.98/21.48～52.97	潜力较小,适用性适中
Ⅳ区	四川、海南、广西、广东、湖南、湖北、河南、山东、江西、福建、安徽、浙江、江苏、上海、辽宁、香港、澳门、台湾	2.4～6.7/0.2～3.7	101.98～124.33/19.10～41.73	潜力最小,适用性较差
Ⅴ区	青海南部		92.43～102.87/28.48～37.33	全年气温皆低于26 ℃,非空调区

2.3 露点间接蒸发冷却适用潜力

　　 (t_o-t_d)和(26 ℃-t_d)表征露点间接蒸发的冷却潜能,其参数分别利用k-means聚类算法所得区域分布如图3a,b所示,双因素共同聚类所得露点间接蒸发冷却适用区域分布如图3c所示。图3a仅显示干球与露点温差的分布情况,各区域数值范围为:Ⅰ区19.6～34.1 ℃;Ⅱ区13.9～19.4 ℃;Ⅲ区8.7～13.7 ℃;Ⅳ区3.2～8.6 ℃;Ⅴ区为非空调区。图3b仅显示室内设计温度26 ℃与露点温度差值的分布情况,各区域数值范围为:Ⅰ区17.7～32.4 ℃;Ⅱ区11.6～17.3 ℃;Ⅲ区6.0～11.4 ℃;Ⅳ区1.1～5.9 ℃;Ⅴ区为非空调区。图3c显示了露点间接蒸发冷却技术综合潜力分布情况,各区域特征如表2所示。

　　图3 露点间接蒸发冷却技术潜力分布

　　表2 露点间接蒸发冷却空调技术适用区域分布及特点

	主要地区	(t_o-t_d)/(26 ℃-t_d)/℃	经度/纬度/(°)	区域特点
Ⅰ区	新疆东南部、甘肃北部、青海、内蒙古西部、西藏	19.4～34.1/32.4～16.9	78.57～117.43/26.87～49.57	潜力最大,适用性最佳
Ⅱ区	新疆西北部、甘肃南部、宁夏、内蒙古东部、山西、陕西、云南、四川西部、河北北部	13.7～19.9/17.2～11.4	75.98～130.95/22.78～52.97	潜力较大,适用性较好
Ⅲ区	黑龙江、吉林、辽宁、河北南部、云南、贵州、山东、天津、北京	8.8～13.9/5.7～11.8	98.50～131.98/21.48～49.43	潜力较小,适用性适中
Ⅳ区	四川东部、海南、广西、广东、湖南、湖北、河南、江西、福建、安徽、浙江、江苏、上海、辽宁、香港、澳门、台湾	3.2～9.1/1.1～6.0	103.75～124.33/19.10～40.67	潜力最小,适用性较差
Ⅴ区	青海南部		92.43～102.87/28.48～37.33	全年气温皆低于26 ℃,非空调区

3 蒸发冷却综合适用性分析

3.1 蒸发冷却综合适用潜力

　　通过重叠不同区域的边界来整合直接和露点间接蒸发冷却潜力分布图,即重合图2c和图3c,蒸发冷却空调技术的综合适用潜力如图4所示,各区域特点见表3。其中Ⅰ-2区、Ⅱ-2区、Ⅲ-2区分别为3个区域所对应的露点间接蒸发潜力较直接蒸发潜力拓宽的适用区域。

　　图4 直接与露点间接蒸发冷却技术综合适用潜力分布

3.2 空调需用时长

　　由于我国规范中夏季空调室外计算日平均温度取自历年平均不保证5天的日平均温度 ^[18],故将空调需用时长低于5天的地区单独呈现,其余地区利用k-means聚类算法对各地区空调需用时长进行聚类分析。图5显示了空调需用时长在我国的分布情况,区域特点如表4所示。从Ⅰ区到Ⅴ区,空调需用时长逐级递减,Ⅳ区空调需用时长不足5天,Ⅴ区空调需用时长为零,属非空调区。

　　图5 空调需用时长分布

　　表3 直接与露点间接蒸发冷却技术综合适用区域及其区域特点

		主要地区	(t_o-t_d)/ (26 ℃-t_d)/℃	(t_o-t_w)/ (26 ℃-t_w)/℃	经度/纬度/(°)	区域特点
Ⅰ区	Ⅰ-1	新疆东北部、甘肃西北部、内蒙古西部、青海北部、西藏	19.4～34.1/ 18.9～32.4	12.4～17.9/ 9.7～16.2	82.72～114.95/ 26.87～46.98	直接与露点间接蒸发潜力大,蒸发冷却高度适用
	Ⅰ-2	新疆南部	20.2～21.9/ 16.9～18.8	12.2～13.5/ 8.7～10.4	78.57～117.43/ 37.13～49.57	露点间接蒸发比直接蒸发潜力稍大,总体蒸发冷却适用性好
Ⅱ区	Ⅱ-1	新疆、宁夏、甘肃、陕西、云南、内蒙古、山西	14.1～19.9/ 12.1～17.1	9.3～12.5/ 7.0～10.5	75.98～121.92/ 23.88～50.48	直接与露点间接蒸发潜力较大,蒸发冷却适用性较好
	Ⅱ-2	内蒙古东北部	13.7～18.1/ 11.4～17.2	8.7～12.1/ 6.4～11.2	100.97～130.95/ 22.78～52.97	露点间接蒸发比直接蒸发潜力稍大,总体蒸发冷却适用性较好
Ⅲ区	Ⅲ-1	黑龙江、吉林、辽宁、北京、河北、天津、贵州、云南	8.8～13.9/ 6.2～11.8	6.0～9.5/ 3.5～7.2	98.50～131.98/ 21.48～49.43	直接与露点间接蒸发潜力较小,蒸发冷却适用性较差
	Ⅲ-2	山东	8.8～9.6/ 5.7～6.4	6.1～6.7/ 3.0～3.7	101.98～123.45/ 23.60～41.73	露点间接蒸发比直接蒸发潜力稍大,总体蒸发冷却适用性较差
Ⅳ区		四川东部、重庆、海南、广西、广东、湖南、湖北、河南、山东、江西、福建、安徽、浙江、江苏、上海、香港、澳门、台湾	3.2～9.1/ 1.1～6.0	2.4～6.4/ 0.2～3.7	103.75～124.33/ 19.10～40.67	直接与露点间接蒸发潜力小,蒸发冷却适用性差
Ⅴ区		青海南部			92.43～102.87/ 28.48～37.33	全年气温皆低于26 ℃,非空调区

　　表4 空调需用时长等级分布及区域特点

	主要地区	空调需用时长/h	经度/纬度/(°)	区域特点
Ⅰ区	海南、广东、广西、香港、澳门、台湾	2 277～4 397	101.98～119.28/19.10～26.08	空调需用时长长
Ⅱ区	福建、广东、广西、湖南、江西	1 059～2 197	75.98～122.10/21.48～31.18	空调需用时长较长
Ⅲ区	新疆、安徽、北京、河北、河南、湖北、湖南、江苏、山东、陕西、四川、浙江、重庆	126～1 023	80.23～131.98/22.78～52.97	空调需用时长适中
Ⅳ区	甘肃、贵州、河北、黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、宁夏、青海北部、山西、陕西、四川、西藏、新疆、云南	3～116	91.13～122.68/25.02～48.77	空调需用时长短
Ⅴ区	青海南部	0	92.43～102.87/28.48～37.33	空调需用时长为零

3.3 蒸发冷却适用技术形式

　　根据焓湿图四区模型判定各区域适用的空调技术形式,区域特征明显,方便快捷。

　　判定蒸发冷却适用技术形式的焓湿图四区模型 ^[5]如图6所示,室内状态点N为基准点,干球温度t_n=26 ℃,相对湿度φ=60%。比焓和含湿量为分区指标:若室外设计状态点处于Ⅰ区,其比焓和含湿量皆小于N点,可采用直接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式;室外设计状态点处于Ⅱ区,其比焓大于N点且含湿量小于N点,可采用间接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式;室外设计状态点处于Ⅲ区,其比焓小于N点同时含湿量大于N点,一般无需采用蒸发冷却技术;室外设计状态点处于Ⅳ区,其比焓和含湿量皆大于N点,一般与除湿技术结合后再运用蒸发冷却技术,可用于新风预冷。

　　图6 焓湿图四区模型 ^[5]

　　根据焓湿图四区模型,各地区室外状态点在焓湿图上的位置如图7所示。室内设计干球温度26 ℃、相对湿度60%时的露点温度为17.5 ℃。露点温度高于17.5 ℃的地区,空气湿度大,蒸发冷却驱动力小,但利用蒸发冷却可进行新风预冷辅助机械除湿制冷,配合除湿系统,在较长的空调使用期内,可最大程度实现能源梯级利用;露点温度低于17.5 ℃,即室外空气湿度小于室内设计值,蒸发冷却可通过直接或间接的方法处理空气。

　　图7 各地区室外状态点在焓湿图四区模型的位置

　　基于传统直接蒸发冷却与露点间接蒸发冷却潜力的对比,综合分析可得到我国蒸发冷却空调技术适用区域划分情况,如图8所示,其适用空调技术形式如表5所示。

　　图8 蒸发冷却空调技术适用区域

　　表5 蒸发冷却空调技术适用区域特点及适用技术形式

			主要地区	空调需用时长/h	焓湿图区域	区域特点	适用蒸发冷却空调技术形式
Ⅰ区	干热高适用区	Ⅰ-1	新疆东北部、甘肃西北部、内蒙古西部	142～1 634	Ⅰ	蒸发潜能高,空调需求较高	直接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式
		Ⅰ-2	新疆南部	248～1 462	Ⅰ	蒸发潜能高,空调需求较高	直接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式,高效冷却考虑露点间接蒸发
Ⅱ区	干燥较适用区	Ⅱ-1	新疆西北部、宁夏、甘肃南部、陕西北部、云南中部、内蒙古东北部偏西、山西北部	126～1 297	Ⅰ	蒸发潜能较高,空调需求较高	直接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式
		Ⅱ-2	内蒙古东北部偏东	164～825	Ⅰ	蒸发潜能较高,空调需求适中	直接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式,高效冷却考虑露点间接蒸发
Ⅲ区	温和中适用区	Ⅲ-1	黑龙江西部、吉林西部、云南南部	168～1 267	Ⅰ	蒸发潜能较高,空调需求较高	直接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式
		Ⅲ-2	山东	690～3 512	Ⅳ	蒸发潜能较低,空调需求高	蒸发冷却宜配合除湿系统,用于新风预冷,高效冷却考虑露点间接蒸发
		Ⅲ-3	黑龙江南部、辽宁北部、吉林东部	216～1 169	Ⅱ	蒸发潜能较低,空调需求较高	间接、直接与间接相结合的多级蒸发冷却形式
		Ⅲ-4	辽宁南部、北京、河北、天津、贵州、黑龙江东部	241～1 938	Ⅳ	蒸发潜能较低,空调需求较高	蒸发冷却宜配合除湿系统,用于新风预冷,辅助机械式制冷
Ⅳ区	湿润低适用区		四川东部、重庆、海南、广西、广东、湖南、湖北、河南、江西、福建、安徽、浙江、江苏、上海、香港、澳门、台湾	359～4 397	Ⅳ	蒸发潜能低,空调需求高	蒸发冷却宜配合除湿系统,用于新风预冷,辅助机械式制冷
Ⅴ区	非空调区		青海南部			无空调需求	全年气温皆低于26 ℃,属非空调区
Ⅵ区	低需求适用区		青海北部、西藏	3～116	Ⅰ	蒸发潜能高,空调需求低	全年制冷时长不足5天,考虑自然通风

4 结论

　　 1) 我国蒸发冷却气候潜力大体由西北向东南方向呈递减趋势,空调需用时长则与其相反。与直接蒸发冷却潜力分布相比,露点间接蒸发冷却技术适用范围有明显的拓宽。

　　 2) 新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地区具有蒸发潜能高、空调需用时长较长的特点,露点间接蒸发冷却与直接蒸发冷却都极为适用,蒸发冷却空调技术在空调期可很大程度上替代或辅助机械式制冷,实现清洁能源的高效利用。

　　 3) 西藏地区蒸发潜能虽高,但绝大部分地区的空调需用时长不足5天,青海大部分地区全年气温皆低于26 ℃,这些地区的空调需用时长极低甚至为零,可考虑自然通风。

　　 4) 东南地区气候湿度大,蒸发潜能低,但空调需用时长极长,蒸发冷却宜配合除湿系统,用于新风预冷,辅助机械式制冷,在最长可达半年的空调期中实现最大程度的节能。

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　　 作者简介： 刘艳峰，男，1971年3月生，博士，教授，博士生导师710055陕西省西安市雁塔路13号西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院E-mail:lyfxjd@163.com;

　　 收稿日期：2018-10-08

　　 基金： “十三五”国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0700400); 国家自然科学基金重大项目(编号:51590911);国家自然科学基金面上项目(编号:51878532);

Regional applicability of direct and dew-point indirect evaporative cooling air conditioning technologies in China

Liu Yanfeng Li Juan Wang Yingying Zhou Yong

Xi'an University of Architecture and Technology

Abstract：

　　 In order to explore the application of evaporative cooling air conditioning technologies in China, based on different extreme temperatures of direct and dew-point indirect evaporative cooling, and according to the evaporative cooling driving potential, the possibility of using evaporative cooling to reduce cooling demand and the required air conditioning cooling time, puts forward the cooling potential index of direct and dew-point indirect evaporation cooling systems and the time-consuming indicator of air conditioning required. Analyses the index parameters of typical weather years of 270 meteorological stations in China using the k-means clustering algorithm. Obtains the applicable area of evaporative cooling air conditioning technology in China and analyses the applicable characteristics, providing a theoretical basis for the promotion of evaporative cooling air conditioning system and the selection of the initial system form.

Keyword：

　　 direct evaporative cooling; dew-point indirect evaporative cooling; cooling potential; k-means clustering; applicable area;

　　 Received： 2018-10-08

　　本文引用格式：刘艳峰，李娟，王莹莹，等.直接与露点间接蒸发冷却空调技术在我国的地区适用性研究[J].暖通空调，2019，49（12）：8-14

2007 46 46