譯文-自然通風(fēng)冷卻裝置的設(shè)計與應(yīng)用

2222譯文——自然通風(fēng)冷塔的設(shè)計與應(yīng)》V.Chalfun博亞桑州學(xué)筑院副授新建設(shè)研院劉（）摘要：自然向下通風(fēng)的蒸發(fā)冷卻器是由亞利桑那州大學(xué)和環(huán)境研究實驗室近來發(fā)明的，這些類似冷卻塔的裝置是由設(shè)在頂部的濕膜和噴淋裝置組成，在自然重力作用下提供冷風(fēng)。在干熱地區(qū)，這一裝置可用來冷卻居住、商業(yè)建筑以及室外公共、私人的活動區(qū)。本文主要介紹國內(nèi)、國際一些干熱地區(qū)最新冷卻塔的建設(shè)和運用并介紹冷卻塔的技術(shù)性能。近來的實例包括：正在建設(shè)由一系列冷卻塔構(gòu)成的南非Botswance技術(shù)中心總部辦公樓和沙特阿拉伯利雅得用來為室外公共活動場所提供冷氣“皇室事務(wù)和市政部所屬環(huán)境塔、介加濕裝置浸沒在水中的強制機械通風(fēng)冷風(fēng)機已在美國的西南沙漠地區(qū)使用多年，該冷卻機組用風(fēng)機驅(qū)動空氣通過濕簾來冷卻建筑、循環(huán)水泵則不斷輸送水加濕施簾。自然蒸發(fā)通風(fēng)的冷卻塔僅用循環(huán)水泵不需要風(fēng)機；有的設(shè)計省去循環(huán)泵，利用生活給水系統(tǒng)的壓力，通過控制給水管噴淋壓力給濕簾加濕，不用任何電力。最初，由美國得克薩斯亞利桑那州環(huán)境研究實驗室和亞利桑那大學(xué)的科學(xué)家和工程師設(shè)計和發(fā)明的這一冷卻塔裝置，它由設(shè)在頂部的濕膜和噴淋裝置或者其它一些冷卻裝置組成，通過重力自然作用提供冷風(fēng)。這些冷卻塔也被稱之為倒煙囪，就像熱氣流煙囪里向上一樣，這里，冷氣柱則向下流。冷空氣的風(fēng)量取決于蒸發(fā)冷卻裝置的效率、塔的高度、塔的斷面積以及空氣流經(jīng)濕簾、塔和出風(fēng)口的阻力（見圖冷卻塔的熱性能評估詳見由Tompsonet出的文獻(xiàn)3然通風(fēng)蒸發(fā)冷卻塔的其它參考資料詳見由Givoni

和Sodha出的文獻(xiàn)4、5。2、算：

圖為了事先預(yù)測冷卻塔的性能，本文作者與美國得克薩斯亞利桑那州環(huán)境研究實驗室的科學(xué)家一道編制出相應(yīng)的計算程序。冷卻塔提供的冷空氣流量可按照以下公式計算：ttKwaCc

（1）既風(fēng)量的大小取決于空氣的密度和室外風(fēng)速是空氣密度(lb/ft),是塔內(nèi)平均t溫度下空氣的密度,是室外空氣密度,是塔內(nèi)外空氣密度的差值，V、Vtw分別代表塔內(nèi)、室外風(fēng)速(，流經(jīng)塔的空氣總阻力系數(shù)，g牛頓定律轉(zhuǎn)換系數(shù)2)，g是重力加速度ft/s2，代表有效塔高（濕簾底部至出風(fēng)口的上部的距離（見1DC

是室外塔的進出風(fēng)口風(fēng)壓差值

在迎風(fēng)面是正1

(55°F)。(55°F)。值而在背風(fēng)面是負(fù)值，受冷卻作用塔內(nèi)冷空氣向下流動，有的時C也能是負(fù)wp值，因為風(fēng)使得空氣流動停止或反向向上。如無風(fēng)壓，則上面公式可以簡化為：（2）塔內(nèi)空氣的密度很大程度是由室外決定的，如：室外空氣的溫度、濕度、大氣壓力和塔頂蒸發(fā)冷卻濕簾的性能。濕簾的效率為通過濕簾前后的空氣干球溫差值與空氣的干球溫度和濕球溫度的差值的比值。濕簾的效率

（3）塔的設(shè)計應(yīng)遵循典型氣象年的氣象資料，此外還應(yīng)考慮：緯度、經(jīng)度、海拔前提下。在室外無風(fēng)狀態(tài)下計算，塔的主要設(shè)計要點：1)濕膜的寬、高、厚以及深度位置,2)井道的面積、高度、出口大小3)出口測的形式或者底部排風(fēng)口的形式4)塔井將服務(wù)的區(qū)域（室內(nèi)或室外）。

當(dāng)用戶選擇出需要計算的特殊月份，計算機程序就可給出六組單位相關(guān)數(shù)據(jù)資料：1)周圍環(huán)境情況：干球溫度,濕球溫度,相對濕度和空氣密度.2)塔內(nèi)情況:空氣溫度、相對濕度、空氣密度和流速塔外情況:空氣流速和流量.4)濕簾的蒸發(fā)效率.5)進入塔內(nèi)的室外空氣干球溫度和送出空氣溫度之間的溫差.6)單位小時耗水量.冷卻塔月度平均用水量以及總?cè)沼盟?/p>

3.期工程項目在過去一些年，作者和亞利桑那州環(huán)境研究實驗室的研究團隊ERL）已幫助完成設(shè)計了幾項國內(nèi)、國際工程.都采用了先進的節(jié)能建筑構(gòu)造工藝——被動式冷卻裝置冷卻塔下面選擇介紹二個采用冷卻塔來服務(wù)室內(nèi)室外環(huán)境的工程項目。3.1.博斯瓦納技中心(BTC)該技術(shù)研究學(xué)院位于博斯瓦納市的伽巴柔尼（），最終定稿的設(shè)計是為滿足該中心總部的辦公與實驗室用房需要。新建筑設(shè)計體現(xiàn)了博斯瓦納技術(shù)中心(BTC)對特別適合當(dāng)?shù)氐男录夹g(shù)支持，從本項目可以取得經(jīng)驗和技術(shù)轉(zhuǎn)移，造福于當(dāng)?shù)厣鐣?/p>

博斯瓦納市的氣候具有半干旱氣候特征，迦巴柔尼（）則屬于半沙漠氣候，靠近薩哈拉大沙漠，降雨量少，雨季多在夏季或氣溫較熱的季節(jié)，年降雨量500mm。夏季平均氣溫26°C(79°F)，不經(jīng)常出現(xiàn)的高溫是36°C(86°F)。冬季六月（注：半球偶有霧迦巴柔（Gabarone的平均溫度是12.8°C作者的作用就是與業(yè)主委員會、當(dāng)?shù)氐慕ㄖ煿こ處焾F隊合作使得蒸發(fā)冷卻塔在建筑內(nèi)能有機結(jié)合，并使其性能最優(yōu)。

這棟二層高的建筑面積m2(18,000ft2)，分為四個區(qū)每個區(qū)有一大約250m2(2,300ft2)院子.四個區(qū)域劃分見圖2所示。A區(qū)包括接待、圖書館、會議室、主任辦公室和與院子相通的開式通道。B區(qū)和D區(qū)上面有辦公實驗室下面是商店它有一封閉的庭院。C區(qū)一層有電子計算機實驗室樓上是辦公2

的冷負(fù)荷減少的冷負(fù)荷減少。室。中間的院子用于交通、會議、和展示場所。

圖2建筑平面布置由于通過計算機模擬計算，容易改進建筑的保溫設(shè)計，為事先了解該建筑物的熱負(fù)荷性能特點，特意采用改進版程序計算，對建筑區(qū)域按照圖二建立模型。采用被動式太陽能建筑技術(shù)與高性能外保溫相結(jié)合技術(shù)此建筑模型的供熱制冷年耗熱量預(yù)測值分別是629.1MBTU/Yr,or34.9KBTU/ft2.而常規(guī)此類型同規(guī)模建筑的冷指標(biāo)是KBTU/ft2.Yr項目對標(biāo)準(zhǔn)和特殊能耗和被動式太陽能改進技術(shù)進行了對比性研究。這一研究分析了雙層玻璃，保溫結(jié)構(gòu)、保溫反射屋面、遮陽、內(nèi)百葉窗簾、內(nèi)暴露面、夜間房間恒溫器復(fù)位對該建筑產(chǎn)生的影響，這一系列措施預(yù)測將導(dǎo)致的熱負(fù)荷、對比性研究是基于熱泵的條件下發(fā)冷卻在干熱地區(qū)可削減冷負(fù)荷和降溫已被證明是有效地的技術(shù)措施；模擬計算要求在每一個區(qū)域都要有相應(yīng)的蒸發(fā)冷卻塔并產(chǎn)生冷卻風(fēng)量降溫。起初，方案設(shè)計為四個區(qū)域推薦設(shè)計了7個冷卻塔。為了能為每一區(qū)域提供足夠的空氣量，通過模擬設(shè)計計算需要為每一區(qū)域匹配一個或多個冷卻塔。在D區(qū)域由于較大的量需求，需設(shè)置三個適當(dāng)大小的冷卻塔；由于辦公室面向一庭院開放，特附設(shè)一冷卻塔以改變庭院氣候?；谕顿Y費用考慮，冷卻塔的最終設(shè)計結(jié)果削減至4個、如圖3，但它們的規(guī)格進行了必要調(diào)整。3.2.皇室事務(wù)和政部境Rowdah

圖3擁有4冷卻塔的博斯瓦納技中心(BTC)建筑新樓是皇室事務(wù)和市政部所屬的MOMRA）新附屬建筑，被認(rèn)為是沙特阿拉伯利雅得市一座重要健康概念的建筑。該建筑在利雅得市的一個最重要大街KingFahd的突出位置。該工程建筑形式簡潔、結(jié)構(gòu)干練、最成功的是它室內(nèi)、室外空間的有機結(jié)合。

皇室事務(wù)和市政部所屬的（）新建筑呈一個80*80*30米大立方體形狀，在其中種植有1000棵棕櫚樹和大量其它樹木與低矮灌木，有一些石頭自然地把這些樹木分割成4個景觀花園，在西北角的1/4花園設(shè)置有一露天休閑區(qū)，本作者經(jīng)PDC設(shè)計公司引薦，作為主要建筑師負(fù)責(zé)設(shè)計這一區(qū)域的空氣環(huán)境。要將這一休閑區(qū)設(shè)計成一個示范項目，展示室外空間的熱舒適與周圍環(huán)境控制的協(xié)調(diào)。3

飾成石頭顏色。飾成石頭顏色。在這里植入有：冷卻塔、涼爽的露天及帳篷、花草、蔬菜、草藥、養(yǎng)魚的池塘、無土種植溫室、噴泉（見圖4）。

圖4作者手繪的花園、氣候控制的環(huán)境塔果圖這個冷卻塔是新建筑的附屬建筑他聰明地將阿拉伯風(fēng)塔與現(xiàn)蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合，參觀者的視線被從建筑物到塔之間的伸展的帳篷所吸引。塔由當(dāng)?shù)厥已b冷卻塔的高度25.2mr圖5塔的四周外圍鋸齒狀風(fēng)口外部尺寸從最大8*8米到最小6*6米,蒸發(fā)冷卻裝置設(shè)在塔的頂部，它有一些列不斷被循環(huán)水噴淋的濕簾組成。當(dāng)外部干空氣通過濕簾時，空氣被冷卻加濕，被冷卻的空氣比周圍的熱空氣重，沿著塔開始下降，當(dāng)這股空氣下降在塔的上方就留有一個真空，使得更多的外部干空氣通過濕簾進入塔內(nèi)，形成不斷下降的冷空氣通風(fēng)，在塔低部構(gòu)成一個冷空氣湖一過程完全不需要風(fēng)機作為動力。

冷卻塔的設(shè)計選擇是通過CoolTThe件計算，塔的設(shè)計

圖5建成后的冷卻計算工況是依照典型年份最熱六月下午3:00一天，當(dāng)?shù)氐氖彝饪諝鉁?1.7°C被冷卻到18.4°C到23.3°C，該冷空氣在塔底部與周圍空氣相混合產(chǎn)生一定溫升流出塔外，模型計算的溫度和相對濕度結(jié)果都限在一定的范圍，該系統(tǒng)是天氣越熱性能就越優(yōu)越。4.謝：譯文略

5.參考文獻(xiàn)(1)Thompson,controlledvalveforcoolthelike.U.S.Pat.5,121,7701992.(2)Cunningham,W.,andThompson,T."PassiveCoolingwithNaturalDraftCoolingTowersinCombinationwithSolarChimneys",Proc.ofPLEA?6,PassiveandLowEnergyArchitecture.Pecs,Hungary.Sept.1-51986.(3)Thompson,T.,Chalfoun,N.,&Yoklic,M.,EstimatingtheThermalPerformanceofNaturalDown-draftevaporativecoolers,EnergyConvers.Mgmt.35,No.11,pp.909-915,SevierScienceLtd,Pergamon(1994)(4)Givoni,B.,Modelingapassiveevaporativecoolingtower.Proceedingsofthe1991SolarWorldCongress,DenverColorado,U.S.A.,pp.3067-3071(1991).(5)Sodha,M.,et.Al.ThermalPerformanceofaroomcoupledtoanevaporativecoolingtower.Proceedingsofthe1991SolarWorldCongress,Denver,Colorado,U.S.A.,pp.3095-3100(1991).4

(6)Chalfoun,N.,CoolT,V.1.4,CopyrightCoolTowerPerformanceProgram,EnvironmentalResearchLaboratory,UniversityofArizona,Tucson,Arizona(1992).(7)Watt,R.,EvaporativeHandbook,pp.107-114,Chapman&Hall,NewYork(1986).(8)Chalfoun,N.,andMatter,F.,"AdvancedLow-costResidentialEnergyAnalysisTechniquesPerformedbytheHouseEnergyDoctorTeamattheCollegeofArchitecture,U.ofArizona,Tucson.ProceedingsofIDEEAthe1stInternationalforExtremeEnvironmentsAssembly,HoustonTX,U.S.A.1991(9)Burton,R.,et.al,TheroleofBotswanaTechnologyCenterinaddressingfuturetechnology.InWhichWayBotswanaEnvironment?KalahariConservationSociety,Botswana,1992.(10)Yoklic,M.,N.,G.L.Davis.BotswanaTechnologyCenter:EnergyPerformanceModelingtoAssistintheDevelopmentofanInnovativePassiveCommercialBuildinginSouthernAfrica.Proceedingsofthe11thandEnergyInternationalConference.DeadSea,Israel,1994.(11)CalPas3.UsersBerkeleySolarGroup.CA.U.S.A.1982(12)DOE.EconomicAnalysis,EnergyPerformanceStandardsforNewBuildings.UnitedStatesDepartmentofEnergy.DOE/CS-0129,Jan.pp.D57,1980.(13)U.S.